铜合金压气缸的热挤压工艺及模具毕业设计
铜合金压气缸的热挤压工艺及模具设计
摘要
铜合金压气缸的生产方法常见的有管料的切削加工，离心铸造后切削加工，热挤压法。热挤压法生产材料利用率最高，生产效率最高，产品质量最高。本文分析热挤压工艺及模具设计。
热挤压工艺分析综述：铜合金的热挤压温度根据经验可以定为730℃。压气缸的毛坯件属于杯形件的一种，因此采用的是反挤压。若采用一次挤压成形则所需挤压力和变形程度太大。因此采用两次反挤压，第一次将棒料挤压成为杯形件，切削加工成空心圆柱形。再经过第二次反挤压将内孔扩大，外径不变。经过两次反挤压得到挤压件成形毛坯。
模具设计分析综述：两序挤压则需要两套挤压模具。两套模具采用通用凹模，结构简单。第一套模具凸模采用一般的反挤压凸模结构。第二套模具需要有模芯结构，模芯可以是固定式的也可以是活动式的。本次设计将模芯设计为固定式的即凸模和模芯一体式的。设计成整体式的好处是结构简单，生产效率高。与此同时，顶件器只需设计成中空的即可，当凸模压下时，模芯正好进入顶件器的内腔中。
关键词：反挤压，压气缸，模具设计，模芯
Copper Alloy Cylinder Pressure of Hot Extrusion Technology
and Die Design
ABSTRACT
Copper alloy pressure cylinder production methods common pipe material cutting processing, machining after centrifugal casting, hot extrusion method. Hot extrusion method is the highest utilization rate of materials, the highest production efficiency,and the highest quality of product . In this paper, hot extrusion technology and die design is analysed.
Hot extrusion technology analysis were reviewed: Copper alloy can be classified as 730℃hot extrusion temperature according to the experience. Pressure cylinder of a blank parts belong to the cup, so the backward extrusion is used. If using an extrusion forming ,the needed extrusion and deformation degree is too large. so the backward extrusion shoud be used twice.The first extrusion will make the bar become the cup, and then, make the cup become the hollow cylindrical by machining. After second backward extrusion will enlarge the inner hole, and the outside diameter is constant.After twice backward extrusion,we can get the bloom.
Mold design analysis were reviewed: The two order squeezing requires two sets of extrusion dies Two sets of mould adopt general concave die. The first set of mould punch adopts general backward extrusion punch die structure. A second set of mould need a mold core structure, mold core can be stationary or activities. This design will design for fixed the punch mold core and mold core one-piece. Design into integral advantage is simple structure, high production efficiency at the same time, top pieces simply designed to be hollow, when the convex mold, mold core right into the lumen of top pieces.
KEY WORDS: backward extrusion, cylinder pressure, mold design, mold core
目录
前言 (1)
第一章热挤压技术的介绍 (2)
§1.1 热挤压工艺的实质 (2)
§1.2 热挤压工艺的特点 (2)
§1.3 热挤压工艺的主要过程： (3)
第二章工艺分析及制定 (4)
§2.1 产品零件分析 (4)
§2.2 挤压件图制定 (4)
§2.3 工艺方案分析 (5)
§2.4 毛坯形状及尺寸选择 (6)
第三章坯料的处理 (8)
§3.1 坯料加热方法 (8)
§3.2 加热温度 (8)
§3.3坯料润滑 (9)
第四章变形量和挤压力 (11)
§4.1 影响挤压力主要因素 (11)
§4.2 变形程度 (12)
§4.3 挤压力 (12)
§4.4 热挤压设备选用原则 (13)
§4.5 热挤压设备选用 (14)
第五章模具结构设计 (15)
§5.1 挤压模具设计的基本要求 (15)
§5.2 反挤压凸模的设计 (16)
§5.3热反挤压凹模的设计 (17)
§5.4热挤压凸模固定板的设计 (19)
§5.5 顶出装置的设计 (20)
§5.6模具结构原理 (21)
§5.7模具材料的选择 (22)
结论 (25)
参考文献 (26)
致谢 (28)
前言
压气缸户外断路器中的关键零件，要求“三高”即高的导电率、高的硬度和高的强度，以降低能耗和提高产品的可靠性。国内外均采用铬青铜QCr0.5材料制造。研究表明，QCr0.5是一种可热处理强化的铬青铜合金，其中合金元素Cr的含量一般在0.5%左右，对铜的导电率降低很少。在一定的温度范围内，QCr0.5具有良好的塑性，可通过锻造、挤压等变形工艺改善组织，提高性能。另外，经固溶时效后，其切削加工性能明显优于纯铜，因而成为高压开关零部件的首选材料。
压气缸传统上采用外径Φ130mm、内径Φl00mm的挤压管切削加工成型，材料利用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。还有一种方法是采用重力铸造或离心铸造厚壁管坯切削加工成型，这种厚壁铸管最大的缺点是内部质量差，存在气孔、夹杂等缺陷，机加工后缺陷暴露，废品率高20%-30%；成品材料利用率也低，通常在30%以下；另外机加工工作量大，热处理后的导电率、硬度及强度也普遍比较低。
新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料利用率可达70%以上，废品率降低到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。在生产过程中要先对其进行加热处理，即加热到730℃，使其软化，然后再进行挤压加工。
第一章热挤压技术的介绍
§1.1 热挤压工艺的实质
热挤压就是将金属材料加热到热锻成型温度进行挤压，即挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。热挤压是挤压的一种，是最常见的体积成型方式之一。和冷挤压一样，根据金属的流动方向和凸模的运动方向可以将热挤压分为正挤压，反挤压，复合挤压和径向挤压。
正挤压就是挤压时金属流动方向和凸模运动方向相一致。正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压两种。正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压是将圆形毛坯挤压成筒形零件。复合挤压是指是挤压时，金属的流动方向朝朝凸模的运动向和相反方向同时运动。复合挤压可产生两端直径不同的筒形零件，也可生产双杯类零件，如汽车的活塞销，也可制造杯形零件等。
§1.2 热挤压工艺的特点
热挤压与冷挤压相比，具有如下优点：
热挤压时金属的塑性好，降低了变形抗力，使总的挤压力大大下降。加热后金属材料塑性较好，使得原来冷挤压时变形困难的材料，在热挤压时变得比较容易。单位变形抗力的降低，使热挤压能够成型断面形状复杂或尺寸较大的零件。挤压力的降低也可以减小设备的吨位，降低模具的单位负荷。同时，每道变形工步的需用变形程度也比冷挤压时大得多，也可以通过增加每道工步的变形量来减少变形工步数。
热挤压时可以连续成形，有利于提高生产效率。通常情况下，一次加热后热挤压的数道成形工步可以连续完成，不需要冷挤压使得中间退火软化工序和表面清理工序，有利于组织生产和提高生产效率。由于连续生产，可以使各道工步的模具初始精度匹配较好，工件的尺寸稳定性较高。
与冷挤压工艺相比存在以下不足：
由于热挤压在较高温度下成形，对模具材料的耐热性提出了较高的要求。在热挤压时，模具的温度会影响其强度和表面硬度，必须对热挤压模具进行充分冷却。在设计时应考虑模具的冷却系统。同时必须选合适的模具材料，提高材料的热硬性和热耐疲劳性能。
热挤压件的表面质量不佳，尺寸精度较低。由于坯料在加热时出现的氧化脱碳，使得积压件表面粗糙度值增加，尺寸精度也较冷挤压件低得多。经热挤压后的工件，一般需经过切削加工才能复合机器零件的质量要求。
热挤压后，工件必须进行热处理。为了改善热挤压件的切削加工性能，调整硬度及为零件的最终热处理做组织准备，热挤压后必须对工件进行退火或正火等热处理。
§1.3 热挤压工艺的主要过程：
坯料制备→坯料加热→挤压成形→后续工序→积压件热处理→ 表面热处理→ 精加工
第二章 工艺分析及制定
§2.1 产品零件分析
本设计的产品为筒形零件，其产品零件示意图如图2-1所示。 129
110
104
337
R
3均布
图2-1 压气缸
压气缸(见图2-1)传统上采用外径Φ130mm 、内径Φl00mm 的挤压管切削加工成型，材料利用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料利用率可达70%以上，废品率降低到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr 0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。在生产过程中要先对其进行加热处理，即加热到730℃进行挤压加工。
§2.2 挤压件图制定
热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等。根据压气缸的图纸要求，考虑到QCr0.5在730℃会产生氧化皮和机加工应预留的余量，挤压件在其原零件的基础上内外圈各加3mm 和4mm 的单边余量，端部加5mm 的余量，得到第2次挤压后的毛坯(如图2-2所示)，体积V 2≈1120123mm 3 。 得到挤压件图如下所示。
342129
73
110
图2-2 挤压件图
§2.3 工艺方案分析
工艺方案如下述讨论：
一、一次挤压成型。此时采用阶梯状凸模，一次挤压成型；
二、二次挤压成型。
若采用方案一凸模大致形状如（图2-3）所示。
图2-3 一次挤压凸模结构
根据挤压力计算采用经验公式：
F=K×[8+1/(D/d-1)]d 2σb 公式2-1
式中F―反挤压时的挤压力
K —校正系数(根据试验情况而定)
d —反挤压模凸模直径，mm
D —反挤压模凹模直径，mm
σb —挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa
如果采用一次性挤压，模具结构简单，生产效率高，但金属的变形程度大，挤压作用面积大，此时K= 0.3，σb =115MPa ，挤压力约为P=0.3×[8+l ／(D ／d-1)]d 2σb =0.3×[8+1／(129／112-1)] ×l12×l15=6313321.4N ，而315t 万能液压机的公称压力为3150000N ，500t 万能液压机的公称压力为5000000N 。因此若采用一次挤压所需压力太大，不够经济。其次若采用一次挤压变形量过大，容易出现挤压缺陷，故不适合采用一次挤压。
若采用二次挤压成形则可采用如下挤压工艺，如图2-4所示。 115126
129129145
12874
129342
112
129
棒料→镦粗→第一次反挤压→机加工修正→第二次反挤压
图2-4 积压工序图
§2.4 毛坯形状及尺寸选择
热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等 。