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转子零件的挤压模具设计
转子零件的挤压模具设计
摘要
冷挤压技术以低耗高效广泛运用于工业生产。
本文是关于转子零件的冷挤压模具设计,并通过Pro/E软件进行了建模、装配、仿真、分析。
本文的主要内容如下:
本文对冷挤压基本概念、产生的历史背景、应用状况、发展趋势进行了简要的综述;并对计算机辅助设计软件Pro/E发展进行简单的回顾。
进行了设计前的可行性分析,通过对工件的分析,验证了冷挤压方案的合理性。
并构思出工件的冷挤压模具的结构。
讨论了工件的冷挤压材料并结合工件的形状及工艺的要求对工件毛坯进行了制备。
通过对冷挤压变形过程的分析,介绍了冷挤压力的计算和冷挤压设备的选择。
通过对零件本身使用性能的分析及零件的相互作用关系,合理的设计出模具的各个零件,并对零件进行了装配。
通过对零件的使用性能、周围环境及零件本身结构的分析,介绍了模具材料的选择。
介绍了模具零件实体制作,并对实体进行了装配。
生动而形象的展示模具外形,使模具的合理性得到保证。
最后对这套模具进行了总结,该套冷挤压模具通用性强,仅需要更换少量的模具零件就可以挤出多种型号的零件,从而大大增强了市场的竞争力。
关键字:
转子零件,冷挤压模具,Pro/E软件
ABSTRACT
Becauseofthelow-consumingandhighefficiency,thecoldextrusiontechnologyiswidelyusedinindustry.Thispaperdescribesthedesignofcoldextrusiondieonrotorcomponen.Andthediehasbeenmodeled,assembled,analyzedbythepro/Esoftware.
Thepapergivesabriefintroductiononthebasicconcept,historicalbackground,applyingstatusanddevelopingtendencyofthecoldextrusion.AnditprovidesabriefreviewonthedevelopmentofthePro/Esoftware.Andhasafeasibilityanalysisonthedesign,andprovesitsreasonabilitythroughtheanalysisoftheworkpiece.Thestructureofthedieisconceived.Andthendiscussesthematerialoftheworkpiecethatissuitableforcoldextrusionprocessandmakespreparationfortheblanksaccordingtotheworkpiece’shapeandprocessrequirement.Thenitintroducesthecalculationofcoldextrusionforceandtheselectionofmechanicalpressbyanalyzingthedeformationofthemetalthatispressed.Afterthat,thepartsofthediearedesignedandassembledbyanalyzingtheserviceperformanceandtheinteractionofallthepartsAfterwardsitexplainstheselectionofthediematerialsbyanalyzingtheserviceperformance,thecircumstanceandtheownstructureoftheparts.Andthenitillustratesmanufacturingandassemblingofthediepartentities,whichdisplaytheexternalshapeofthedievividlyandassureitsreasonableness.
Intheend,thewholepaperissummedup.Thissetofthediecanbewidelyused.Onlybychangingfewdiepartscanitturnintomanyotherkindsofvalvestems.Thus,itbecomesmuchmorecompetitiveinthemarket.
Keywords:
RotorComponenColdextrusiondie,Pro/Esoftware
第1章冷挤压的基本概念及其Pro/E的发展………………………5
1.1冷挤压的基本概念……………………………………………………………5
1.1.1冷挤压的基本类型………………………………………………………5
1.1.2冷挤压技术的特点………………………………………………………5
1.1.3冷挤压技术的发展………………………………………………………6
1.2计算机辅助设计软件在机械设计制造过程中的发展………………………7
第2章设计的总体分析………………………………………………8
2.1课题的基本要求及零件的分析………………………………………………8
2.2模具的大体设计………………………………………………………………9
第3章冷挤压的原材料及毛坯制备…………………………………11
3.1反挤压的变形分析及验证冷挤压的可行性…………………………………11
3.2冷挤压毛坯的制备……………………………………………………………12
3.2.1毛坯体积的计算…………………………………………………………12
3.2.2坯料的制备方法…………………………………………………………13
3.2.3冷挤压毛坯的软化处理…………………………………………………14
3.2.4冷挤压毛坯的润滑处理…………………………………………………16
第4章冷挤压力………………………………………………………17
4.1冷挤压变形的三个阶段………………………………………………………17
4.2影响冷挤压力的因素…………………………………………………………18
4.3冷挤压力的计算………………………………………………………………19
4.4冷挤压设备的选择……………………………………………………………20
第5章冷挤压模具的设计……………………………………………22
5.1冷挤压模具的分类与构造……………………………………………………22
5.1.1冷挤压模具设计的基本要求……………………………………………22
5.1.2冷挤压模具的分类………………………………………………………22
5.1.3冷挤压模具的构造………………………………………………………23
5.2冷挤压模具的结构设计………………………………………………………23
5.2.1冷挤压模具结构设计的基本要求………………………………………23
5.2.2模架的基本类型…………………………………………………………23
5.3上模部分的设计………………………………………………………………24
5.3.1凸模的设计………………………………………………………………26
5.3.2模板的设计………………………………………………………………29
5.3.3垫板的设计………………………………………………………………30
5.3.4固定圈的设计……………………………………………………………31
5.3.5衬套的设计………………………………………………………………31
5.4下模部分的设计………………………………………………………………31
5.4.1凹模的设计………………………………………………………………32
5.4.2模座的设计………………………………………………………………35
5.4.3模具其他部分零件设计…………………………………………………36
第6章冷挤压模具材料………………………………………………37
6.1冷挤压工作零件材料的要求…………………………………………………37
6.2材料的选择……………………………………………………………………37
第7章实体的制作……………………………………………………38
7.1上模部分实体…………………………………………………………………38
7.2下模部分实体…………………………………………………………………41
7.3模具总装图…………………………………………………………………45
结论……………………………………………………………………46
致谢……………………………………………………………………47
参考文献………………………………………………………………48
附录
第1章冷挤压的基本概念及其Pro/E的发展
1.1冷挤压基本知识
冷挤压就是把金属毛坯放在冷挤压模腔中,在室温下,通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力,使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。
1.1.1基本类型
1.正挤压:
正挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向一致。
正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。
2.反挤压:
反挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向相反。
反挤压可以获得各种形状的杯形件。
3.复合挤压:
挤压时,毛坯一部分金属流动方向与凸模运动方向相同,而另一个部分金属流动方向与凸模运动方向相反。
复合挤压可制得各种杯一杯、杯一杆、杯一筒零件。
4.径向挤压;挤压时,金属的流动方向与凸模运动方向相垂直。
径向挤压又可分为向心挤压和离心挤压,径向挤压用来制造斜齿轮、花键盘等零件。
5.锻压:
镦压时,金属毛坯径向向外流动。
镦压用于制造带法兰的轴类零件或凸缘的杯形零件。
1.1.2冷挤压技术的特点
1.挤压零件尺寸准确表面光洁:
目前我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达8~9级,陇度一般可达,若采用理想的润滑可达(指纯铝和紫铜零件),仅次于精抛光表面。
因此用冷挤压方法制造的零件,一般不需要再加工,少量的只需精加工(磨削)。
2.节约原材料:
冷挤压件材料利用率通常可以达到80%以上。
如解放牌汽车活塞销动切削加工材料利用率为43.3%,而用冷挤压时材料利用率提高到92%;又如万向节轴承套改用冷挤压后,材料利用率由过去的27.8%提高到64%。
可见,采用冷挤压方法生产机械零件,可以节约大量钢材和有色金属材料。
3.生产率高:
用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的,特别是生产批量大的零件,用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几百倍。
例如,汽车活塞销用冷挤压方法比用切削加工制造提高3.2倍,目前又用冷挤压活塞销自动机,使生产率进一步提高。
一台冷挤压自动机的生产率相当于100台普通车床或10台四轴自动车床的生产率。
4.可加工形状复杂的零件:
如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等,这些零件采用其它加工法难以完成,用冷挤压加工却十分方便。
图6所示的零件,能方便的挤出。
5.冷挤压件强度高、刚性好而重量轻:
由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性,即挤压过程中金属毛坯处于三向压应力状态,变形后材料组织致密、且具有连续的纤维流向,因而制件的强度有较大提高。
这样就可用低强度材料代替高强度材料。
例如过去采用20Cr钢经切削加工制造解放牌活塞销,现改用20号钢经冷挤压制造活塞销,经性能测定各项指标,冷挤压法高于切削加工法制造活塞销。
1.1.3冷挤压技术的发展
冷挤压技术发展的初期是非常缓慢的,长期以来只对几种软金属(铅和锡)进行挤压。
直到19纪末20世纪初,才开始挤压较硬的有色金属(锌、铝、紫铜、黄铜等)至于钢的挤压,由于冷挤压时需要很大的压力,在当时不能解决挤压钢用的模具材料、合适的润滑剂与大吨位的压力机等问题,长时间一直认为挤压钢是十分困难甚至是不可能的。
1906年,英国人科斯利特(T.W.coslett)发现用磷酸盐处理钢件制品是一种较理想的防锈方法,但工序繁多,而经济效益又差,故未被广泛采用。
不过,这种防锈法的出现却极大地激发了人们去研究更简单而有效的新方法的积极性。
到后来,用自动连续装置对钢毛坯进行磷酸锌防锈处理只需要两分钟。
经磷酸锌处理过的毛坯表面附有脂肪润滑剂或钠皂薄膜,且这层薄膜不易脱落,挤压这种毛坯时,压力较小。
这个发现使人们找到了一种理想的钢毛坯表面处理法一磷化皂化法。
磷化皂化处理钢毛坯表面方法的出现使钢的挤压成为可能。
1934年,德国人采用磷化皂化法成功地冷挤出钢管。
二次世界大战期间,德国人需要大量弹壳,当时黄铜又供应不足,于是德国人秘密试验用冷挤压生产钢弹壳、后来,采用合金工具钢作模具材料,用冷挤压成功地挤出大批量钢弹壳类零件。
1.2计算机辅助设计软件在机械设计制造过程中的发展
计算机辅助设计(CAD)是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。
计算机辅助制造(CAM)是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。
计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM),已广泛用于产品设计及机械制造,对设计和制造业产生了革命性的影响,使设计人员不再需要去计算复杂的数学公式。
使用CAD/CAM进行几何图形的设计,对整个生产来讲,可大大节省时间,减少错误发生,降低成本,提高生产效率,从而提高企业的竞争力。
模具CAD/GAM技术发展很快,应用范围日益扩大。
在冲模、锻模、挤压模、注塑模和压铸模等方面都有比较成功的CAD/CAM系统。
采用CAD/CAM技术是模具生产革命化的措施,是模具技术发展的一个显著特点。
第一,CAD/CAM可以提高模具的质量。
第二,CAD/CAM可以节省时间,提高生产率。
第三,CAD/CAM可以较大幅度地降低成本。
第四,CAD/CAM技术将技术人员从繁冗的计算,绘图和NC编程工作中解放出来,使其可以从事更多的创造性劳动。
模具CAD/CAM的优越性还可以列举不少。
所有这些,将使CAD/CAM逐步取代传统的模具设计制造方法,最终将在模具设计制造中居统治地位。
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成:
一体化的CAD/CAM系统(如:
UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等)和相对独立的CAM系统(如:
Mastercam、Surfcam等)。
前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型,而后者主要通过中性文件从其他CAD系统获取产品几何模型。
然而,无论是哪种形式的CAM系统,都由五个模块组成,即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。
CAM系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。
CAM系统以三维几何模型中的点、线、面或实体为驱动对象,生成加工刀具轨迹,并以刀具定位文件的形式经后置处理,以NC代码的形式提供给CNC机床。
第2章设计的总体分析
2.1课题的基本要求及零件的分析
前面已经介绍了冷挤压是一种少无切屑加工工艺。
它是在温室下利用模具的压力使模腔内的金属毛胚产生塑性流动,从而获得所需要的形状、尺寸以及具有一定机械性能的挤压件。
图2-1是转子零件的冷挤压的零件图,即这次毕业设计的课题,根据金属被挤出方向跟凸模运动方向分析工艺为反挤压。
具体情况如下:
零件名称:
转子零件
生产批量:
大批量
材料:
20钢
图2—1
挤压材料及其结构尺寸分析:
1)材料:
该挤压件的材料是20钢,属于低碳钢,其中各元素所占比例为(碳0.17—0.23;锰0.35—0.65;硅0.17—0.37;锘
;还有一些其他成分,具有好的挤压性能。
2)零件结构:
典型的杯状结构,很适合挤压。
3)尺寸精度:
零件上都是工件尺寸,该零件无尺寸精度、表面要求和行为公差要求。
是一个容易达到的加工要求的零件。
考虑到上述原因,我们对尺寸进行自由公差设计、制造和检验。
2.2模具的大体设计
模具总体设计大体是如下
第一步,取得必要的资料。
找到足够多的资料以取长补短,熟悉各个模具的优缺点,找出他们的使用范围。
第二步,确定工艺方案及其模具结构形式。
本次课题是冷挤压模具已经确定,主要的任务是设计工艺。
冷挤压的工艺主要是毛坯的处理及多次成型的零件单次的加工情况。
主要又从以下几个方面着手。
1)根据工件的形状,尺寸精度、表面质量进行工艺分析。
列出冲压的全部工序单一般情况可以从产品零件图样要求直接确定。
2)根据工艺计算,确定工序成型的特点,确定工序数目。
3)根据各工序变形特点,对尺寸精度要求及操作方便性等要求,确定工序排列的先后顺序。
4)根据生产批量,尺寸大小,精度要求以及模具制造水平,设备能力等多种因素,将初步排定工序单。
第三步,进行必要的工艺计算
1)设计材料排样和技术毛坯尺寸。
2)计算冲压力,不要时还需要计算虫牙冲压功和功率。
3)计算模具压力中心
4)计算或者估算模具各主要零件的厚度。
如凹模、凸模固定板、垫板的厚度以及卸料板或者弹簧的自由高度。
5)决定凹、凸模间隙,计算凹、凸模工作部分尺寸。
6)对于拉深工序还要考虑变形量。
第四步,在上述基础上,进行模具的结构的总体设计。
第五步,模具主要零部件的结构设计
1)工作部分零件
2)定位零件
3)卸料动推件装置
4)导向零件
5)支持及夹持零件、紧固零件
第六步,选定冲压设备
第七步,绘制模具总图
第3章冷挤压的原材料及毛坯准备
3.1反挤压的变形分析和验证冷挤压的可行性
对于图1.2a所示的高度大于直径的毛坯进行反挤压时,便会产生图b所示的稳定变形状态。
在凹摸底部和虚线之间的金属无大的变形,两虚线之间是强烈变形区,而在虚线以上与凸模端面之间成为不参与变形的粘滞区(死区)。
在稳定变形中,粘滞区和强烈变形区的大小保持不变。
当底厚减小到一定值时,底部的全部材料都向外侧流动,产生图c所示的非稳定变形状态。
图1.2反挤压的变形网格
a)开始状态b)稳定变形状态c)终了状态
变形金属一旦到达筒壁后,就不再继续变形,仅以刚性平移的形式向上运动。
冷挤压变形程度表示方法有三种:
1)断面缩减率:
式中:
——挤压变形前毛坯的横断面积
——挤压变形后工件的横断面积
用实心坯料反挤压杯形件的断面收缩率为:
2)挤压比:
3)对数变形程度:
我们取第一种求断面收缩率,根据上面的公式可以得到
对照反挤压黑色金属杯形工件的许用变形程度图可以查得20号的许用变形减缩率εF许用=68%—79%。
所以该挤压件的变形程度是允许的。
3.2冷挤压坯料的制备
3.2.1毛坯的体积计算
冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面的形状来确定。
一般旋转体零件可以用圆柱形坯料。
毛胚的直径公差尤其影响挤压件的尺寸精度以及模具的寿命,设备的故障等。
挤压用毛胚要求直径偏差控制在0.1mm内。
毛胚的上下两端面必须平整。
此外,毛胚的软化处理、化学成分亦控制在规定的范围。
挤压前毛胚必须进行良好的表面处理及润滑。
冷挤压用毛坯表面应保持光洁,不能有裂纹、折叠等缺陷。
否则,经挤压后将使上述缺陷进一步扩大而导致挤压件报废。
一般要求毛坯表面粗糙度Ra在6.3μm以下。
由于金属流动的不均匀性,反挤压件的端面不可能是平面,一般许放一定的机加工余量给以切除,因此计算坯料体积时还要加上修边余量。
考虑到气门顶杆的总唱介于20—30之间故可取修边余量为3mm。
表1旋转体冷挤压件高度修边余量值
高度mm
10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
修边余量
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
毛胚尺寸计算
毛胚尺寸,是根据毛胚体积等于挤压件体积的原则计算求得的。
即
式中V0——毛胚体积,[V0]为mm3
V——挤压件体积,由挤压件图求得,[V]为mm3
——修边体积,一般取为挤压件体积的3-5%
根据工件图可得:
毛胚高度h0=4V/πD02(D0——毛胚直径)
冷挤压时,为了能使坯料顺利地放入凹模型腔内,坯料的外径尺寸应满足下式要求:
D毛胚=D凹—(0.01-0.05)mm
取D0=D—0.02=48—0.02=47.98mm
则
mm
3.2.2坯料制备方法
坯料制备方法有截切下料、冲裁下料、切削下料、锯切下料等多种方法。
锯切能切断横段面积较大的坯料,端面平整,尺寸精度高,但剧切口处材料损耗较大。
如采用往复剧切或圆盘剧下料,生产效率低。
如果坯料压力机上用剪切模切断,这样不仅生产率高,也省材料。
因为切剪后的毛坯端面可能不平,直接挤压容易损坏模具,所以在挤压前应该将期镦压、平整端面再进行挤压。
表2毛坯备料方法比较
加工方法
材料利用率
生产率
高度/直径
质量
备注
A
棒料车切
70-90
低
>1/4
端面质量不好
去毛刺,根据具体情况倒脚
B
棒料剪切
95-100
高
>1/2
端面不平整
剪断后镦压、退火
C
板料落料
40-60
高
>3/4
断面质量差
根据具体情况去刺
3.2.3冷挤压毛坯的软化处理
为了改善冷挤压坯料的挤压性能和提高模具的寿命,大部分材料在挤压前和多道挤压工序之间必须进行软化处理,以降低材料的硬度,提高材料的塑性,得到良好的显微组织,消除内应力。
对于钢来说,材料显微组织中的珠光体形态对挤压性能影响较大。
从挤压性能上看,球化退火组织为最佳。
球化退火组织不仅硬度、强度低,而且塑性较高,特别是随着钢材中的含碳量增加,期影响作用也越来越大。
20钢软化处理规范图
a)b)
图1.3
处理后硬度值(HBS):
121—131
备注:
a)用于10,15,S10A,S15A
B)用于20,S20A密封光。
亮退火
坯料的表面处理与润滑:
冷挤压时,金属材料产生剧烈的塑性变形,单位挤压力很大,特别是钢的冷挤压,最大的单位可以达到2500Mpa。
在这么大的单位压力下,如果没有良好的润滑,就会导致模具表面严重的刮伤,使得挤压力急剧增加,模具寿命大大降低。
此外,润滑还能改善挤压时的不均匀流动,避免因为金属材料与模壁之间产生剧烈的摩擦而形成较大的附加拉应力。
1,去除表面缺陷。
一般采用软轴砂轮或者抛光轮进行机械处理。
2,清洁,去脂和濯洗。
必须将毛坯上的所有油,砂锈斑彻底去掉,使全部的金属表面都能够与磷酸盐处理液相接触。
3,去除表面氧化层,可以用酸洗处理
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