【文章內(nèi)容簡介】 幾乎不影響基體金屬固有的物理化學(xué)性質(zhì) [11]。因此，其軟化溫度高 達(dá)930℃，同時導(dǎo)電和導(dǎo)熱以及硬度和強(qiáng)度都能保持得很好 。 彌散強(qiáng)化銅的制造是將粉末冶金工藝和傳統(tǒng)金屬成型加工技術(shù)相結(jié)合的典范，借鑒國外先進(jìn)的粉末內(nèi)氧化工藝，采用惰性氣體保護(hù)霧化、低分壓粉體優(yōu)化處理、納米增強(qiáng)相擇優(yōu)培育、等靜壓致密燒結(jié)、熱擠壓成型、速鍛及柔性冷擠等工藝技術(shù)。 第 3 頁 上 篇 熱擠壓模具有限元分析 第 一 章 熱擠壓模具概述 熱擠壓模具概述 擠壓是將金屬毛坯放入模具模腔內(nèi)，在強(qiáng)大壓力和一定速度 作用 下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及 具有一定力學(xué)性能的制品 [14]。因此，擠壓加工是利用模具來控制金屬流動，使金屬體積大量轉(zhuǎn)移來形成零件。擠壓的成形速度范圍很廣，它既可在專用擠壓機(jī)上進(jìn)行，也可在一般的機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、磨擦壓力機(jī)以及高速空氣錘上進(jìn)行；擠壓的成形溫度范圍也很廣，它既可在常溫、中溫下進(jìn)行，也可在高溫中進(jìn)行。根據(jù)制品形狀的要求，有各種與之相配的模具。擠壓模具是擠壓生產(chǎn)中最重要的工具，它的結(jié)構(gòu)形式、各部分尺寸、模具材料、模具的裝配形式等，對擠壓力、金屬流動的均勻性、制品尺寸的穩(wěn)定性、制品表面質(zhì)量以及模具自身的使用壽命等都產(chǎn)生極大的影響 。 熱擠壓就是將金屬材料加熱到熱鍛成形溫度進(jìn)行擠壓，即在擠壓前將坯料加熱到金屬的再結(jié)晶溫度以上的某個溫度下進(jìn)行的擠壓。 生產(chǎn)實(shí)踐證明，熱擠壓是一種生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低、加工質(zhì)量好、省料、省工和成本低的金屬壓力加工方法。這種先進(jìn)的加工方法，可以取代或部分取代金屬切削加工，為機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)少無切削創(chuàng)造了條件 。 擠壓模具 ，包括一個進(jìn)料孔，一方面利用圓形的中心預(yù)膨 化或減速 孔 與一基本上錐形的收斂形中心擠壓導(dǎo)管連通，另一方面利用至少一個環(huán)形的預(yù)膨化或減速孔闌與至少一個基本上錐形的收斂形同軸管狀擠壓導(dǎo)管連通，中心擠壓導(dǎo)管和同軸管狀擠壓導(dǎo)管各自具有同心的中 第 4 頁 心出口小孔和環(huán)形出口小孔。 熱擠壓模具一般是有模架、導(dǎo)向裝置、緊固裝置、卸料裝置、冷卻裝置和熱擠壓模工作部分（突模和凹模等）。 熱擠壓模具的類型及簡圖 生產(chǎn)實(shí)踐證明，熱擠壓是一種生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低、加工質(zhì)量好、省料、省工和成本低 的金屬壓力加工方法 【 6】 。 熱擠壓模的種類可以分為如下幾種： 熱鍛模壓力機(jī)或熱擠壓壓力 機(jī)用熱擠壓模、摩擦壓力機(jī)用熱擠壓模、液壓機(jī)用熱擠壓模、正擠壓模、反擠壓模、鐓擠壓和多公位的復(fù)合模等。 如圖 11 所示以 反擠壓模 ： 由圖中可以看出，凹模 24 以凹模墊板 15 與下模板 12 定位。凹模與凹模壓緊圈 18 采用錐面配合，用內(nèi)六角螺釘 19 與下模板緊緊連接。由頂桿導(dǎo)向套 16 和頂桿 17 組成頂出機(jī)構(gòu)，在氣墊的作用下將擠壓件從凹模內(nèi)頂出。頂桿導(dǎo)向套的一部分伸出下模板，主要是為了解決壓力機(jī)閉合高度不夠而采取的措施，將熱擠壓模安裝到壓力機(jī)上時，它將伸進(jìn)壓力機(jī)工作臺孔內(nèi)。 圖 11 熱擠壓 模 具結(jié)構(gòu)示意圖 脫料板 22 和 帶凸肩螺釘 13 及彈簧 7 組成卸料機(jī)構(gòu)，用于將箍在凸模 第 5 頁 23 上的擠壓件脫下，彈簧的作用是支承脫料板，并能保證脫料板和帶凸肩螺釘上下移動，從而減少凸模的長度，彌補(bǔ)壓力機(jī)行程不夠大的不足。 凸模 23 與凸模壓緊圈 4 也采用錐面配合，以凸模壓緊圈的凸肩和上模板 2 的凹槽定位，用內(nèi)六角螺釘 3 與上模板緊緊連接。 導(dǎo)套 6 和導(dǎo)柱 11 用壓配合分別壓入上模板和下模板而組成導(dǎo)向系統(tǒng)，使熱擠壓模有較高的精度和工作可靠。由于導(dǎo)向系統(tǒng)的連接，從而構(gòu)成了一套完整的反擠壓模。 將自來水由管接頭 20 通入 ，實(shí)現(xiàn)凹模冷卻。反擠壓凹模可做成整體式或鑲套式。在反擠壓模的側(cè)面，由上砧塊 5 ，下砧塊 8 ，高度調(diào)節(jié)塊 9 ，柱銷 21 和調(diào)節(jié)螺釘 14 等組成鐓粗臺。設(shè)置鐓粗臺的目的，主要是為了清除氧化鐵皮和改變坯料直徑。 整副反擠壓模在壓力機(jī)上安裝時，是靠模柄 1 與壓力機(jī)定位的。由圖 1看出，只要更換凸模，凹模和脫料板，便可生產(chǎn)不同規(guī)格的反擠壓杯形擠壓件。 熱擠壓工藝過程 熱擠壓是幾種擠壓工藝中最早采用的擠壓成形技術(shù)，它是在熱鍛溫度時借助于材料塑性好的特點(diǎn)，對金屬進(jìn)行各種擠壓成形。目前，熱擠壓主要用于 制造普通等截面的長形件、型材、管材棒料及各種機(jī)器零件等。 其工藝過程用 流程圖形式表示： 坯料加熱 除去氧化皮 放入凹模內(nèi) 進(jìn)行擠壓 圖 1— 1 熱擠壓工藝過程流程圖 第 6 頁 首先將要進(jìn)行擠壓的金屬坯料加熱，加熱溫度有坯料的化學(xué)成分和坯料尺寸的大小來決定。當(dāng)坯料加熱到所需的溫度時，除去其表皮的氧化鐵皮并迅速放入熱擠壓模的凹模模腔內(nèi)進(jìn)行擠壓。擠壓設(shè)備的一次行程結(jié)束后，即完成一個熱擠壓件，假如下到工序還需要切邊或沖孔，則根據(jù)選擇的切變或沖孔形式（系指熱切邊或冷切邊，熱沖孔或冷沖孔），進(jìn)行切邊或沖孔工作。熱擠壓過程應(yīng)當(dāng)迅速進(jìn)行，否則會使 坯料溫度下降，壓力急劇上升，金屬塑性變形差，影響成形。所以熱擠壓過程的持續(xù)時間通常在 3～ 6s之間完成。 第 二 章 熱擠壓模具的理論計算 擠壓模的設(shè)計 擠壓模類型 擠壓模是決定擠壓制品外形尺寸的重要工具。按擠壓模的結(jié)構(gòu)類型可以分為以下五種： 圖 21擠壓模孔的五種類型 （ 1） 錐 模 平模的 090?? ，其特點(diǎn)是壓力較大時，形成地死區(qū)大，可以得到良好的制品。但在溫度高下擠壓變形抗力大的合金時，模具的?？淄鶗s小，故影響加工質(zhì)量。 （ 2） 雙 錐模 錐模 的模角小于 90 度，當(dāng) 00 60~45?? 時，擠壓力最小，但是形成的死區(qū)小，無法帶溜鑄錠表面雜質(zhì)和潤滑劑，容易使制品內(nèi)缺陷增加，品質(zhì)下降。 本設(shè)計注重產(chǎn)品質(zhì)量，研究模具的性能，所以選擇平模的擠壓模具 【 15】 。 單孔模設(shè)計 擠壓銅及銅制品時，常用的模具結(jié)構(gòu)為下圖圖 2 所示 。 第 8 頁 （ 1）模具工作帶直徑的確定 由物體的熱脹冷縮和拉伸矯直時的塑性變形可知，磨具工作帶直徑不等于制品外經(jīng)。模具工作帶直徑可用下式估算 kddz ? 。 擠壓棒材 參數(shù)說明 ： dz— 擠壓模工作帶直徑 /mm； d— 擠壓制品公稱直徑 /mm； k — 模孔余量系數(shù)。 表 21 擠壓模具參數(shù)選擇 擠壓制品的直徑與模具孔余量可由下表取得 擠壓的金屬合金 直徑 dx/mm k 紫銅、青銅、含銅量大于 65％的黃銅 ≤ 30；﹥ 30 ～ ； ～ 含銅量不超過 65％的黃銅 ≤ 30；﹥ 30 ～ ； ～ 按要求取 k=， 故得 dz = kd = （ 2）?？坠ぷ鲙чL度的確定 合理的 擠壓模工作帶長度可以穩(wěn)定制品尺寸、保證制品表面和延長模具使用壽命 【 2】 。若太短，磨具易損壞；若過長，制品易粘結(jié)金屬，造成制品表面劃傷 【 3】 。擠壓紫銅、黃銅和青銅時， h=(8～ 12)mm； 擠壓白銅時， h=(5～ 10)mm。 （ 3）模孔入口角半徑的確定擠壓銅及銅合金時，取 r=(2～ 5)mm。 （ 4）模具出口處直徑的確定 圖 2－ 2 擠壓模具示意圖 第 9 頁 ）（出 8~4I ?? dd （ 21） （ 5）模具外形結(jié)構(gòu)與尺寸 。 a) 按模具設(shè)計及要求及實(shí)際情況，本設(shè)計中取錐模角為零度 。 b)模具的外圓直徑與制品的 最大外接圓直徑有如下關(guān)系： 外接外 ）（ D1 .5~1 .2 5?D （ 22） c) 模具的厚度 H 可根據(jù)擠壓機(jī)的能力大小確定 。 一般取 H=（ 20~80） mm。 按照本設(shè)計的設(shè)計壓迫球及實(shí)際情況的限制 【 7】 ，以上幾種設(shè)計參數(shù)分別取為： mmh 10? ； mmr ? ； mmd ???出 ； mmD 135?外 。 擠壓軸的設(shè)計 擠壓軸的結(jié)構(gòu) 擠壓 軸分空心和實(shí)心兩種。空心擠壓軸用于擠壓管材，實(shí)心擠壓軸用于擠壓棒材和型材。其軸的工作長度部分用優(yōu)質(zhì)耐熱合金剛制作，軸的基座用稍差的鋼材制造。這樣可以節(jié)約優(yōu)質(zhì)耐熱合金剛 【 9】 。 擠壓軸的尺寸 (1） 擠壓軸的外徑 擠壓軸的工作長度的 外徑要比擠壓筒的內(nèi)徑小。一般立式擠壓機(jī) mmD ）（筒軸 3~2D ?? 。 (2）擠壓軸的長度 擠壓軸長度包括工作 及 基座長度。擠壓軸工作長度一般比擠壓筒長 。 (3）擠壓軸的抗壓強(qiáng)度校核 擠壓軸的工作長度一般與其直徑之比為 45時，不會產(chǎn)生縱向失穩(wěn)。 擠壓軸除受壓縮應(yīng)力作用外，還受到擠壓軸與擠壓筒安裝的不完全同心。使其擠壓時受到偏心載荷引起的 彎曲應(yīng)力作用 【 4】 。因此，在校核擠壓軸抗壓強(qiáng)度時，應(yīng)同時考慮上述兩個壓應(yīng)力的共同作用 ， 并應(yīng)滿足下式： 第 10 頁 ? ????? ??? )( 39。39。39。 （ 23） 式中 ? — 擠壓軸上的壓應(yīng)力 /MPa； 39。? — 壓縮應(yīng)力 /MPa； 39。? — 擠壓軸彎曲產(chǎn)生的壓應(yīng)力 /MPa； ??? — 擠壓軸的許用應(yīng)力 / MPa； 對于高強(qiáng)耐熱模具鋼 ??? =1000～ 1200MPa 擠壓墊的設(shè)計 擠壓墊是用來防止擠壓軸與鑄錠直接接觸的重要工具。它要承受全部擠壓力。 (1）擠壓墊的結(jié)構(gòu)形式如下圖。 (2） 擠壓墊的外徑比擠壓筒直徑小，其差值 D? 可由下表取 得。 (3） 擠壓墊的厚度，一般直徑的 ～ ， 由實(shí)際 的 需要， 可以 取得擠壓墊的 直徑 為 mmD 0 ~ ??? ）（筒墊 ； 擠壓墊 的 厚度 為mmH ~ ??? ）（墊墊 。 擠壓筒的設(shè)計 擠壓筒的結(jié)構(gòu) 圖 2－ 3 擠壓墊結(jié)構(gòu) 形式 第 11 頁 擠壓筒可以使單層的，也可以是有過盈裝配的多層結(jié)構(gòu)。多層擠壓筒在壁厚上的應(yīng)力分布比單層擠壓筒均勻，因此，在銅及銅合金材料擠壓時，一般采用 2～ 3層結(jié)構(gòu)的擠壓筒。 在本設(shè)計中采用雙層結(jié)構(gòu)的擠壓筒。 雙層擠壓筒應(yīng)力計算與單層擠壓筒不同之點(diǎn)是要考慮其各層間過盈配合產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力 。既要計算出各層在內(nèi)壁、外壁處由內(nèi)壓力 和預(yù)應(yīng)力 產(chǎn)生的迭加應(yīng)力 【 5】 。然后根據(jù)第三或第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。 （ 1）計算裝配預(yù)應(yīng)力 1sp ? ?? ?? ? ? ?? ?? ?12 112 2222122122222221212121 ?????? ???? k kkdErRr rRrRdEp s ?? （ 24） 式中 0d???? ； 0d — 配合面直徑 ； ? — 過盈配合系數(shù)，一般取 ～； 2d —— 雙層配合面直徑 12 Dd ? 。 若將 ? 式代入 1sp 式得預(yù)應(yīng)力為： ? ?? ?1 112222211 ? ???? k kkEps ? （ 25） 式中 ? — 過盈系數(shù)，雙層筒一般取 。 （ 2）擠壓筒的迭加應(yīng)力 內(nèi)襯 ： 內(nèi) 壁 ： ? ? ? ? ? ? 1111 rpsrprrrr p???? ??? （ 26） ? ? ? ? ? ? 1211 21 211221111 ????????? k kpkkp srpsprr ??? ??? （ 27） 外 壁： ? ? ? ? ? ?12211111 11 srpsrprrRr pkkp ???????? ??? （ 28） 第 12 頁 ? ? ? ? ? ? 1111 212112211111 ?????????? kkpkkp srpsprR ??? ??? (29) 外套 ： 內(nèi)壁： ? ? ? ? ? ?12221112 11 srpsrprrrr pkkp ???????? ??? (210) ? ? ? ? ? ?22112 1 1 211rsr p r p s kkpp? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ? ??? （ 211） 外壁： ? ? ? ? ? ? 0112 ??? psrprrRr ??? (212) ? ? ? ? ? ? 112 1 1 22 211rsR p r p s ppkk? ? ?? ? ?? ? ? ? ??? （ 213） 式中 ? ?1rr? — 內(nèi)襯內(nèi)壁的徑向迭加應(yīng)力