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重慶理工大學畢業(yè)論文 JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具設(shè)計
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
1.緒論…………………………………………………………………………………… 1
1.1概述………………………………………………………………………………1
1.2冷擠壓技術(shù)的分類及簡介………………………………………………………1
1.3冷擠壓技術(shù)的特點………………………………………………………………2
1.3.1冷擠壓的優(yōu)點………………………………………………………………2
1.3.1冷擠壓的缺點………………………………………………………………3
1.4冷擠壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向……………………………………………………4
1.5本課題要求………………………………………………………………………5
1.6預(yù)期目標及效果…………………………………………………………………5
2.冷擠壓零件……………………………………………………………………………6
2.1零件基本尺寸及三維模型………………………………………………………6
2.2毛坯零件的選擇及其性能指標…………………………………………………7
2.3零件加工前準備…………………………………………………………………8
2.4毛坯變形程度……………………………………………………………………9
3.冷擠壓模具設(shè)計………………………………………………………………………11
3.1冷擠壓模架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………11
3.2 模具主要零部件的設(shè)計…………………………………………………………13
3.2.1上模板的設(shè)計………………………………………………………………13
3.2.2上模座的設(shè)計………………………………………………………………14
3.2.3墊板的設(shè)計…………………………………………………………………15
3.2.4下模座的設(shè)計………………………………………………………………15
3.2.5下模預(yù)應(yīng)力圈的設(shè)計………………………………………………………16
3.2.6下模板的設(shè)計…………………………………………………………17
3.2.7模圈導向套的設(shè)計……………………………………………………18
4.組合凹模設(shè)計……………………………………………………………………19
4.1組合凹模結(jié)構(gòu)形式的確定…………………………………………………20
4.2組合凹模各圈直徑的確定…………………………………………………20
4.3組合凹模徑向過盈量及軸向壓合量的確定………………………………21
5.模具及其零部件的三維建?！?3
5.1冷鐓模具裝配體三維模型…………………………………………………23
5.2非標準零部件三維模型……………………………………………………24
6.總結(jié)………………………………………………………………………………30
7.致謝………………………………………………………………………………31
參考文獻……………………………………………………………………………32
重慶理工大學畢業(yè)論文 JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具設(shè)計
摘要
本文主要針對JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具的設(shè)計。本課題研究的核心問題是冷擠壓組合凹模的設(shè)計。通過被加工零件的尺寸以及變形程度確定冷擠壓的單位擠壓力，從而確定冷擠壓組合凹模的結(jié)構(gòu)形式以及各圈直徑，最后確定組合凹模的徑向過盈量以及軸向壓合量。再通過組合凹模的尺寸、形狀確定冷鐓模架其它零部件的形狀及尺寸，從而最終確定整個模架結(jié)構(gòu)、尺寸以及組合形式等要素。通過查閱設(shè)計手冊確定各個模架零部件的材料。本模具采用?？趯虻男问奖ＷC在上、下模合模過程中的同軸度。本文還對整個冷擠壓模具進行了三維建模，以便直觀的表達冷擠壓模具零部件的外形以及零件之間裝配關(guān)系，方便讀者對整個模具的工作原理及過程有一個清晰的了解。
關(guān)鍵詞：冷擠壓、主軸坯、組合凹模、三維建模
Abstract
This paper mainly aims at the design of JH70 motorcycle spindle billet upsetting die. The core problem of this research is the design of cold extrusion combination die. Parts were processed through the size and degree of deformation to determine the cold extrusion unit extrusion pressure, so as to determine the structure of cold extrusion combination die and the ring diameter, finally determine the radial combination concave die interference and axial compression amount. Then the shape and the size of cold heading die and other components are determined by the combined die size, shape, and ultimately determine the whole mold structure, size and form of the combination of elements. The mold parts of the material through the design manual. The use of the mold die guide form to ensure concentricity in, die in the process of. This paper also for 3D modeling of the cold extrusion die, assembly relationship to a visual expression of cold extrusion die parts design and components, working principle and working process of the mould is convenient to the readers have a clear understanding .
Keywords：cold extrusion，Main shaft blank，Combined die，Combined die
31
1.緒論
1.1概述
冷擠壓成型是指所成型的零件達到或接近成品零件的形狀和尺寸，它是在傳統(tǒng)的金屬塑性加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。近幾年來，冷擠壓技術(shù)是各行各業(yè)得到迅速發(fā)展的新工藝之一，也是產(chǎn)品零件加工中的重要手段，與其它制造工藝（如切削加工、鑄造、鍛造）相比，它具有“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本”的優(yōu)點。目前，在汽車、電子通信、輕工、建筑、航空航天、軍工、日用五金等制造業(yè)中都起著極為重要的作用。尤其是21世紀的零件制造業(yè)中，我國加入WTO后，產(chǎn)品價格的市場競爭日益劇烈，冷擠壓技術(shù)已成為各企業(yè)繼續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標之一。普遍認為，一個國家的冷成形（冷擠壓、冷鍛、冷鐓及沖壓等）加工技術(shù)水平，是這個國家汽車工業(yè)水平、工業(yè)化水平乃至現(xiàn)代化水平的一種重要標志和反映。
1.2冷擠壓技術(shù)的分類及簡介
冷擠壓就是把金屬毛坯放在冷擠壓模腔中，在室溫下，通過壓力機上固定的凸模向毛坯施加壓力，使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形而制得零件的加工方法。目前，我國已能對鉛、錫，鋁、銅、鋅及其合金、低碳鋼、中碳鋼、工具鋼、低合金鋼與不銹鋼等金屬進行冷擠壓，甚至對軸承鋼、高碳高鋁合金工具鋼、高速鋼等也可以進行一定變形量的冷擠壓。在擠壓設(shè)備方面，我國已具備設(shè)計和制造各級噸位擠壓壓力機的能力。除采用通用機械壓力機、液壓機、冷擠壓力機外，還成功地采用摩擦壓力機與高速高能設(shè)備進行冷擠壓生產(chǎn)。冷加壓按金屬流動方向可分為以下幾類：
正擠壓 正擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向一致。正擠壓可以制造各種形狀的實心件和空心件，如螺釘、芯軸、頂桿、支架、管子、套管、彈殼及襯套等。
反擠壓 反擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相反。反擠壓可以獲得各種形狀的杯形空心工件，如罩殼、外殼、套筒、套管、屏蔽罩及燈座等。
復(fù)合擠壓 擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模運動方向相同，而另一個部分金屬流動方向與凸模運動方向相反。這是正擠壓和反擠壓組合在一起的一種擠壓方法。復(fù)合擠壓方法可以制造雙杯類零件，如汽車活塞銷；也可以制造杯桿類零件，如縫紉機梭芯。
徑向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向與凸模運動方向相垂直。徑向擠壓又可分為向心擠壓和離心擠壓，徑向擠壓用來制造斜齒輪、花鍵盤等零件。
減徑擠壓 它是變形程度較小的一種變態(tài)正擠壓法，毛坯截面僅作輕度的縮減。減徑擠壓主要用于制造直徑差不大的階梯軸類零件以及作為深孔杯形件的修整工序。
斜向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向傾斜或彎曲于凸模的運動方向。斜向擠壓主要用于制造具有傾斜或彎曲枝芽的各種復(fù)雜形狀零件。
鐓擠法 變形時，金屬的流動具有擠壓和鐓粗的特點，即一部分金屬沿凸模軸向流動，另一部分金屬則沿徑向流動。它是冷鐓與冷擠壓相結(jié)合的一種成形方法，稱為鐓擠法。鐓擠法主要用于制造大頭類零件及階梯軸類零件。
正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓與減徑擠壓是冷擠壓方法中應(yīng)用最廣的四種成形方法。這四種方法的金屬流動方向都與凸模的軸線平行，因此又統(tǒng)稱為軸向冷擠壓。
1.3冷擠壓技術(shù)特點
1.3.1冷擠壓的優(yōu)點
擠壓零件尺寸準確表面光潔。目前我國研制的冷擠壓件一般尺寸精度可達8～9級，隴度一般可達，若采用理想的潤滑可達(指純鋁和紫銅零件)，僅次于精拋光表面。因此用冷擠壓方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工(磨削)。
節(jié)約原材料。冷擠壓件材料利用率通?？梢赃_到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動切削加工材料利用率為43.3%，而用冷擠壓時材料利用率提高到92%；又如萬向節(jié)軸承套改用冷擠壓后，材料利用率由過去的27.8%提高到64%。可見，采用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件，可以節(jié)約大量鋼材和有色金屬材料。
生產(chǎn)率高。用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件的效率是非常高的，特別是生產(chǎn)批量大的零件，用冷擠壓方法生產(chǎn)可比切削加工提高幾倍、幾十倍、甚至幾百倍。例如，汽車活塞銷用冷擠壓方法比用切削加工制造提高3.2倍，目前又用冷擠壓活塞銷自動機，使生產(chǎn)率進一步提高。一臺冷擠壓自動機的生產(chǎn)率相當于100臺普通車床或10臺四軸自動車床的生產(chǎn)率。
可加工形狀復(fù)雜的零件。如異形截面、內(nèi)齒、異形孔及盲孔等，這些零件采用其它加工法難以完成，用冷擠壓加工卻十分方便。所示的零件，能方便的擠出。
冷擠壓件強度高、剛性好而重量輕。由于冷擠壓采用金屬材料冷變形的冷作強化特性，即擠壓過程中金屬毛坯處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形后材料組織致密、且具有連續(xù)的纖維流向，因而制件的強度有較大提高。這樣就可用低強度材料代替高強度材料。例如過去采用20Cr鋼經(jīng)切削加工制造解放牌活塞銷，現(xiàn)改用20號鋼經(jīng)冷擠壓制造活塞銷，經(jīng)性能測定各項指標，冷擠壓法高于切削加工法制造活塞銷。
從以上特點，可以看出，冷擠壓技術(shù)與目前各種加工方法比較，具有突出的優(yōu)越性。這就為冷擠壓代替切削加工、鍛造、鑄造和拉深工藝來制造機器零件，開辟了一條廣闊的道路。
1.3.2冷擠壓的缺點
變形抗力高 冷擠壓時，被擠壓材料的變形抗力較高，其中最有實用意義的是鋼的冷擠壓，其變形抗力高達2000MPa以上。這樣的超高壓力，對模具材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及加工制造等提出了更高的要求。
模具壽命短 由于冷擠壓模具承受著很大的單位壓力作用，最高可達3000MPa，模具易磨損、易破壞；雖然在模具材料和模具結(jié)構(gòu)等方面采用了很多有效的措施，但與沖壓模具相比，其使用壽命還是不高的。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，正擠壓用的鋼制凸模平均壽命為2萬件左右，凹模為3萬件左右；而沖裁或拉深的模具壽命一般高達10萬件以上。
對毛坯的要求較高 冷擠壓加工時對毛坯的要求比其他金屬塑性成形加工工藝都高，否則，會是模具受到損壞。對與冷擠壓毛坯，除了要求毛坯具有準確的幾何形狀和較高的尺寸精度外，還要求再冷擠壓變形之前對毛坯進行一定的軟化退火處理及表面潤滑處理。
對冷擠壓設(shè)備要求較高 當實施冷擠壓工藝過程時，除了要求冷擠壓設(shè)備應(yīng)有較大的強度以外，還要求有較好的剛度。此外，還要求設(shè)備具有良好的精度并具有可靠的保險裝置。
1.4冷擠壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向
冷擠壓技術(shù)發(fā)展的初期是非常緩慢的，長期以來只對幾種軟金屬（鉛和錫）進行擠壓。直到19紀末20世紀初，才開始擠壓較硬的有色金屬（鋅、鋁、紫銅、黃銅等）至于鋼的擠壓，由于冷擠壓時需要很大的壓力，在當時不能解決擠壓鋼用的模具材料、合適的潤滑劑與大噸位的壓力機等問題，長時間一直認為擠壓鋼是十分困難甚至是不可能的。
1906年，英國人科斯利特（T.W.coslett）發(fā)現(xiàn)用磷酸鹽處理鋼件制品是一種較理想的防銹方法，但工序繁多，而經(jīng)濟效益又差，故未被廣泛采用。不過，這種防銹法的出現(xiàn)卻極大地激發(fā)了人們?nèi)パ芯扛唵味行У男路椒ǖ姆e極性。到后來，用自動連續(xù)裝置對鋼毛坯進行磷酸鋅防銹處理只需要兩分鐘。經(jīng)磷酸鋅處理過的毛坯表面附有脂肪潤滑劑或鈉皂薄膜，且這層薄膜不易脫落，擠壓這種毛坯時，壓力較小。這個發(fā)現(xiàn)使人們找到了一種理想的鋼毛坯表面處理法一磷化皂化法。
磷化皂化處理鋼毛坯表面方法的出現(xiàn)使鋼的擠壓成為可能。1934年，德國人采用磷化皂化法成功地冷擠出鋼管。二次世界大戰(zhàn)期間，德國人需要大量彈殼，當時黃銅又供應(yīng)不足，于是德國人秘密試驗用冷擠壓生產(chǎn)鋼彈殼、后來，采用合金工具鋼作模具材料，用冷擠壓成功地擠出大批量鋼彈殼類零件。
第二次世界大戰(zhàn)以后，美國人竊取了德國人關(guān)于鋼的冷擠壓的全部資料，開始在美國用冷擠壓秘密生產(chǎn)軍火，開辦了很多生產(chǎn)鋼彈殼和彈體的軍工廠。鋼的冷擠壓于1947年才正式用于民用工業(yè)。美國于1949年發(fā)表了各種鋼材冷擠壓后機械性能的實驗數(shù)據(jù)。德國于1950年、1953年先后公布了鋼的冷擠壓的基本技術(shù)數(shù)據(jù)及冷擠壓力和擠壓功的實驗結(jié)果。
1957年，日本引進了專用冷擠壓機，開始在精密儀器和儀表中采用冷擠壓技術(shù)。日本見這種新技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，很快把這種技術(shù)用于制造汽車和電氣制件?，F(xiàn)已成為遍及各個工業(yè)部門的重要加工手段。
隨著能源危機的日趨嚴重，人們對環(huán)境質(zhì)量將更加關(guān)注，加之市場競爭日益加劇，促使鍛件生產(chǎn)向高效、高質(zhì)、精化、節(jié)能節(jié)材方向發(fā)展。因此用擠壓成形等工藝手段所生產(chǎn)的精化鍛件的產(chǎn)量，在市場競爭中將得到較大的發(fā)展。
汽車向輕型化、高速度、平穩(wěn)性方向發(fā)展，對鍛件的尺寸精度、重量精度及力學性能等都提出了較高的要求。如轎車發(fā)動機用連桿鍛件除對大小頭之間的誤差有要求外，對每件的重量誤差也要求不大于八克。新產(chǎn)品的高要求，將促進精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展。
專業(yè)化、規(guī)?；慕M織生產(chǎn)仍是冷擠壓生產(chǎn)的發(fā)展方向和趨勢。在法國，以擠壓成形工藝生產(chǎn)鍛件的專業(yè)廠家1991－1994年全員勞動生產(chǎn)率，即每人生產(chǎn)擠壓件的產(chǎn)量及產(chǎn)值，均高于一般生產(chǎn)模鍛件或者自由鍛件的廠家。以1994年為例，專業(yè)廠家擠壓件人均產(chǎn)量為 51024KG，創(chuàng)產(chǎn)值775688法郎。而同期一般性生產(chǎn)模鍛件的廠家，其人均產(chǎn)量僅為39344KG，產(chǎn)值592384法郎，僅相當于擠壓件專業(yè)生產(chǎn)廠家的77.1%和76.37%。自由鍛件生產(chǎn)廠與之相比則更低。
擠壓專機將成為一種發(fā)展趨勢。隨著中小型鍛件的精化生產(chǎn)發(fā)展及冷擠壓、溫擠壓工藝的推廣應(yīng)用，多工位冷擠壓壓力機、精壓機及針對某種鍛件而設(shè)計制造的專機會得到大力發(fā)展。新昌軸承套圈的冷擠大面積應(yīng)用是在邵銀標工程主導下發(fā)展起來，目前國內(nèi)軸承套圈的冷擠壓成型占了較大份額。
1.5本課題要求
1、完成JH70摩托車主軸坯冷鐓工藝方案制定 。
2、完成冷鐓專用模架設(shè)計。
3、完成組合凹模設(shè)計。
4、完成冷鐓專用模架的三維建模。
1.6預(yù)期目標及效果
1、掌握冷鐓專用模架的設(shè)計方法。
2、掌握組合凹模的設(shè)計方法。
3、熟練應(yīng)用三維軟件對冷擠壓模具進行三維建模。
2. 冷擠壓零件
2.1零件基本尺寸及三維模型
冷鐓零件如下圖所示：
圖1
由二維零件圖建立三維模型如下：
圖2
2.2毛坯材料的選擇及其性能指標
毛坯零件圖如下圖所示：
圖3
毛坯材料選取20CrMo鋼，材料的基本情況如下：
牌號：20CrMo
標準：GB/T 3077-1988
對應(yīng)標準：JIS G4053：2003
ASTM A29M：2005
ISO 683-18：1996
統(tǒng)一數(shù)字代號：A30202
20CrMo鋼的淬透性較高，無回火脆性，焊接性相當好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應(yīng)變塑性良好。一般在調(diào)質(zhì)或滲碳淬火狀態(tài)下使用，用于制造在非腐蝕性介質(zhì)及工作溫度低于 250℃、含有氮氫混合物的介質(zhì)中工作的高壓管及各種緊固件、較高級的滲碳零件，如齒輪、軸等。
化學成份：
碳 C ：0.17～0.24 硅 Si：0.17～0.37 錳 Mn：0.40～0.70
硫 S ：允許殘余含量≤0.035 磷 P ：允許殘余含量≤0.035
鉻 Cr：0.80～1.10 鎳 Ni：允許殘余含量≤0.030
銅 Cu：允許殘余含量≤0.030 鉬 Mo：0.15～0.25
力學性能：
抗拉強度 σb (MPa)：≥885(90) 屈服強度 σs (MPa)：≥685(70)
伸長率 δ5 (%)：≥12 斷面收縮率 ψ (%)：≥50
沖擊功 Akv (J)：≥78 沖擊韌性值 αkv (J/cm2)：≥98(10)
硬度 ：≤197HB 試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為15mm
2.3零件加工前準備
毛坯軟化處理
為了改善材料的冷擠壓性能，提高塑性降低硬度和變形抗力，消除內(nèi)應(yīng)力和得到良好的金相組織，以降低單位擠壓力和提高模具使用壽命，在冷擠壓加工之前或多道冷擠壓工序之間，必須對毛坯進行軟化處理。
20CrMo鋼采用球化退火作為其軟化熱處理工藝，使珠光體中的滲碳體及二次滲碳體球化而進行的一種退火。20CrMo鋼的退火規(guī)范如下圖所示：
圖3 20CrMo鋼的球化退火規(guī)范
毛坯表面處理與潤滑
為了降低冷擠壓件與冷擠壓模工作部分的摩擦，降低冷擠壓的單位擠壓力，提高冷擠壓件的表面質(zhì)量，減少模具的磨損，對冷擠壓毛坯進行潤滑與表面處理。
對該冷擠壓零件潤滑于表面處理主要包括以下內(nèi)容：
（1）去除表面缺陷。
（2） 清潔、去脂、濯洗。
（3）去除表面氧化層（用酸洗或機械處理）
（4）在毛坯表面形成特殊的潤滑支撐層——磷酸鹽處理。
（5）潤滑處理。
其中（1）~（3）項處理的目的是改善表面質(zhì)量，并為以后的磷酸鹽處理和潤滑處理做好準備。
具體操作如下：采用軟軸砂輪或拋光輪進行機械的清理以實現(xiàn)去除表面缺陷。在清潔、去脂和濯洗工序，采用以下配方作為清洗劑：
氫氧化鈉 60~100g/L 碳酸鈉（大蘇打） 60~80g/L
磷酸鈉 25~80g/L 水玻璃 10~15g/L
處理溫度為85℃，處理時間控制在15~25分鐘。在進行去油處理后要對效果進行檢查，用水直接淋在零件上，如果已徹底去油，則誰能浸潤所有表面。在化學去油后，要在熱水中對毛坯進行沖洗，在80℃的熱水中進過4~6次吊動。在去除表面氧化層工藝中，采用酸洗處理。將毛坯浸入硫酸、鹽酸或其混合液中，使銹層逐漸剝落或溶解。酸洗溶液成分及處理工藝如下：
硫酸 ：120~180g/L，鹽：8~10g/L，處理溫度為65~75℃，處理時間控制在5~15分鐘。
2.4毛坯變形程度
冷鐓時，毛坯高度減小，直徑增大，變形程度用下式表示：
，式中，
——冷鐓時變形程度（%）；——毛坯鐓粗前的高度（mm）；H——毛坯鐓粗后的高度（mm）。
根據(jù)上式計算出本次冷鐓的毛坯變形程度為=16.15%
3.冷擠壓模具設(shè)計
冷擠壓的最大特點之一是單位擠壓力很大，可能達到材料抗拉極限的4到6倍甚至更高，遠超一般塑性加工過程的單位擠壓力。冷擠壓模具連續(xù)工作時溫度可達200-300℃，有時還可能更高?？梢?，冷擠壓模具的工作環(huán)境是相當惡劣的。這就對模具的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等方面提出了比較高的要求，以使其具有耐高壓、耐沖擊和耐摩擦等特點，從而在惡劣的工作條件下能過正常工作，同時保證一定的使用壽命。所以，所設(shè)計的冷擠壓模具應(yīng)具有以下特點：
（1） 模具應(yīng)具有足夠的剛度及強度，在冷熱溫度及交變應(yīng)力環(huán)境下，模具所選用材料應(yīng)保證不被破壞或變形而失效。所以如上、下模板等模具零件應(yīng)保證有足夠的厚度，直接工作的零件應(yīng)選用較好的材料。
（2） 模具的工作部分要有足夠的韌性及耐磨性，如采用專用模具鋼作為上、下凹模的材料。
（3） 易損零件應(yīng)保證拆卸及安裝快捷，便于更換，在大量生產(chǎn)過程中，要保證易損件具有較好的互換性。
（4） 凸、凹模應(yīng)具有合理的幾何形狀，以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，有利于金屬在擠壓過程中的塑性流動，降低單位及壓力，提高模具的承載能力。
（5） 模具應(yīng)具有比較精確的導向裝置，以使模具從開始擠壓到擠壓結(jié)束的整個過程中都能有比較良好的對中性和同軸度，如此才能保證制造出符合要求的擠壓件。尤其是當壓力機導向精度較低，而產(chǎn)品要求精度要求又較高時，一個合適模具導向裝置則顯得更為重要。
（6） 必須保證操作人員在使用模具生產(chǎn)過程中的安全，盡量使安裝、拆卸模具的過程簡化，易于操作。
（7） 在保證使用要求和一定使用壽命的前提下，盡量降低模具的生產(chǎn)成本。如在模具材料，制造工藝，加工精度的選擇上嚴格控制成本。
綜合以上設(shè)計要求，并結(jié)合具體模具的實際情況，JH70摩托車主軸坯冷鐓模具模架及主要零部件設(shè)計如下：
3.1冷擠壓模架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
JH70摩托車主軸坯冷鐓模具整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，模具采用?？趯虻睦溏吥＜?。由于上、下凹模所承受單位及壓力很高，一般使用壽命較低，需要經(jīng)常更換，故將上、下凹模設(shè)計成錐形固定，以方便裝卸。同時，這樣設(shè)計也使模具的承壓面積增大，使壓力不至過于集中。同時，在上模及上模座之間設(shè)計有淬硬墊板，以防止過大的壓力將上模座壓潰，整個上模用一個特型緊固螺母包裹住。為了便于將擠壓完成的工件從模具中取出，設(shè)計了頂出裝置——下模座中的頂桿。工件擠壓完成后，頂桿通過向上頂頂料桿，頂料桿再最終將工件從模具中頂出。在設(shè)計頂料桿的過程中著重考慮了它的長度，使頂料桿的大頭接觸到模座墊板之前能保證將工件完全從模具中頂出。由于冷擠壓力過程中下模部分的的壓力幾乎完全由頂料桿承擔，故在頂料桿下方與下模座之間設(shè)計有墊塊及墊圈，從而將壓力均勻分散到下模座上，增大了傳力面積，同時放置于下模座中的墊圈還起到支撐頂桿的作用。此模架采用較為簡便的?？趯?，這種通過模具自身實行導向的設(shè)計使上、下模對正簡單，導向精度高且簡單方便，是冷鐓模具較理想的導向方式。在上、下模合模的過程中模圈導向套先與下模固定套接觸并配合導向，導向一段距離之后上凹模再與工件接觸，此后的整個擠壓過程中模圈導向套始終與下模固定套配合導向，從而保證了擠壓過程中上、下模的同軸度。
此模具具有導向良好簡便，易于拆裝換模，模具零件制造簡單等優(yōu)點，基本上滿足了設(shè)計要求。下圖即為模具裝配圖：
圖4
1-上模板 2-上模座 3-上模座 4-模圈導向套 5-六角頭螺釘 6-下模預(yù)應(yīng)力圈 7-頂料桿 8-下模座 9-墊圈 10-內(nèi)六角圓柱頭螺釘 11下模板 12-內(nèi)六角圓柱頭螺釘 13-墊板 14-桿芯 15-上凹模 16-上模預(yù)應(yīng)力圈 17-下凹模 18-墊板 19-墊塊 20-頂桿
3.2模具主要零部件的設(shè)計
3.2.1上模板的設(shè)計
材料基本尺寸的確定
通過查閱手冊，確定上模板的材料為45鋼。根據(jù)上模尺寸確定上模板長寬尺寸為580×455，確定厚度為70mm，保證了上模板的強度，使其在很高的擠壓力作用下不會失效。
螺釘孔及定位凹槽的設(shè)計
根據(jù)上模座的尺寸確定螺釘連接的位置，從而確定出上模板上螺釘孔的位置。根據(jù)擠壓力的大小，為保證上模板與上模座之間足夠的連接強度，也考慮到二者連接后必須保證上模板是一個平面以便上模板能順利地與壓力機連接，故確定采用M12內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接。為保證上模座與上模板連接位置的正確，避免在連接過程中二者出現(xiàn)滑移，在上模板上設(shè)計了用于固定上模座的的凹槽，從而確保了上、下模具的同軸度。
U形槽的位置及尺寸的確定
U形槽用于上模板與壓力機的連接，其距離是根據(jù)壓力機上T形槽之間的距離確定的，此模具采用的是200T油壓機，T形槽之間的最小距離是200mm，再綜合上模板的尺寸，最終確定了兩個U形槽的距離為200mm。再根據(jù)模板的尺寸確定U形槽寬度為30mm，長度為40mm。
起吊孔的設(shè)計
為了便于模板的移動、起吊，在板的側(cè)面設(shè)計了兩個M20的起吊孔，也可用于上模板角度、位置的調(diào)整。這里確定起吊孔的深度為20mm。上模板零件圖如下圖所示：
圖5
3.2.2上模座的設(shè)計
上模座在整個模具中起著十分重要的作用。不僅固定著整個上模，使上模固定在上模板上，而且保證了上、下模的同軸度，起到了至關(guān)重要定位作用。為了使上模座準確固定在上模板上，在模座上方設(shè)計了與上模板凹槽配合的凸臺，凸臺不僅起到了固定及定位的作用，還滿足了制造工藝的要求。由于上模座外緣有于上模緊固螺母嚙合的螺紋，螺紋應(yīng)避免一直延伸到模座根部，故凸臺的設(shè)計實現(xiàn)了這一要求。上模座如下圖所示：
圖6
3.2.3墊板的設(shè)計
為了將擠壓力均勻分散到上、下模座上，避免被集中的壓力壓潰，在上、下與上、下模座之間分別設(shè)計了淬硬墊板，其中位于下模與下模座之間的墊板通過6顆M10的六角頭螺釘將上模固定套一起固定到下模座上。兩塊墊板的厚度為20mm，使其具有了足夠的強度。同樣，墊板上也設(shè)計了起吊孔，以便于墊板的起吊和移動。墊板零件圖如下圖所示：
圖7
3.2.4下模座的設(shè)計
與上模座一樣，下模座在整個模具結(jié)構(gòu)中同樣起著至關(guān)重要的作用。除了承載下模，連接下模與下模板之外，與上模板類似的，下模板也擔負著定位的任務(wù)，保證了下模與上模的同軸度。下模中心位置設(shè)計有凹槽，用于承載和定位下模。凹槽底部開有螺紋孔，用于連接固定墊板和下模預(yù)應(yīng)力圈。根據(jù)下模預(yù)應(yīng)力圈的尺寸確定了螺紋孔的位置，進而確定了下模座凹槽內(nèi)螺紋孔的位置。下模固定套尺寸查手冊決定采用M10六角頭螺釘作為連接緊固件。同時，下模座的底部也設(shè)計有6個均布螺紋孔，用于模座與下模板的連接固定。同樣，根據(jù)模座尺寸確定了螺紋孔的位置，此處采用M16內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接。凹槽中心開有通孔，用于容納頂料桿及其墊塊，通孔直徑取決于頂料桿大頭部分的直徑，由于通孔和頂料桿大頭之間應(yīng)留有間隙，故通孔直徑應(yīng)略大于頂料桿大頭直徑。下模座如下圖所示：
圖8
3.2.5下模預(yù)應(yīng)力圈的設(shè)計
下模預(yù)應(yīng)力圈用于承載、固定下模。同時，在上、下模合模的過程中還通過與模圈導向套的配合起到導向的作用。預(yù)應(yīng)力圈內(nèi)孔尺寸根據(jù)下凹模外圓尺寸確定。為了增大傳力面積，防止過大的集中力將固定套壓潰，將下模固定套內(nèi)圈設(shè)計成錐面形狀。其外全尺寸與模圈導向套尺寸相符，以保證精確導向。根據(jù)固定套的尺寸確定出螺釘通孔的位置，通過M10六角頭螺釘將其固定在下模座上。內(nèi)圈具體尺寸等設(shè)計詳見下章。下模固定套如下圖所示：
圖9
3.2.6下模板的設(shè)計
下模板在擠壓過程中起到支撐整個模具的作用，其設(shè)計過程與上模板類似。簡述如下：
材料及基本尺寸的的確定
通過查閱手冊，確定下模板材料為45鋼。長寬尺寸為700×550，厚度定為100mm，較上模板增加了厚度。
定位凹槽及螺紋孔的設(shè)計
下模板上表面設(shè)計有定位凹槽，用于定位和固定下模座，直徑由下模座外圓直徑確定。定位凹槽底部開有6個均布螺紋孔，用于與下模座的連接緊固，螺釘采用M16內(nèi)六角圓柱頭螺釘。
起吊孔的設(shè)計
和上模板一樣，下模板側(cè)面也開有起吊孔，所不同的是下模板起吊孔設(shè)計有4個，這是由于下模板體積、重量較上模板大，故起吊孔的數(shù)量有所增加。起吊孔采用M20螺紋孔，深度為20mm。下模板如下圖所示：
圖10
3.2.7模圈導向套的設(shè)計
模圈導向套是整個模具導向裝置的核心，起著保證上、下模同軸度的的關(guān)鍵作用。?？趯蛲ㄟ^模具自身零件實現(xiàn)導向，導向簡便、實用、可靠，導向效果優(yōu)于導柱導向，是冷鐓模具常采用的導向方式。?？趯虻年P(guān)鍵是，在冷鐓之前要保證讓下模進入上模的模口導向套先導向一段距離，所以，要計算?？趯蛱讓虿糠值母叨取＞唧w計算過程如下：下凹模腔高度為100mm，毛坯高度為130mm，當把毛坯裝入下模腔中后，毛坯高出下凹模上表面的距離為30mm，擠壓之前又要先導向一段距離。所以，確定模圈導向套導向部分的高度為65mm。模圈導向套與下凹模預(yù)應(yīng)力圈采用基孔制間隙配合H7/h6。模圈導向套如下圖所示：
圖11
4. 組合凹模設(shè)計
如前所述，作用在冷擠壓凹模內(nèi)壁的單位擠壓力是非常大的，如果冷擠壓凹模采用整體式結(jié)構(gòu)就有可能產(chǎn)生縱向開裂。實踐和理論分析都證明，采用單純增大壁厚的辦法打不到提高凹模強度的目的，而采用組合式結(jié)構(gòu)是一種解決凹?？v向開裂行之有效的辦法。因此，組合凹模在冷擠壓技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。本模具就采用了雙層組合凹模的設(shè)計，設(shè)計過程如下：
4.1組合凹模結(jié)構(gòu)形式的確定
冷鐓單位壓力的確定：根據(jù)公式式中：P——自由鐓粗的單位壓力（MPa）；σ——變形終了時變形抗力（MPa）,由值查圖；f——摩擦因數(shù)，一般取f=0.1；——鐓粗變形后的直徑（mm）；——鐓粗變形后的高度（mm）。
查圖并計算得單位擠壓力為p=1235MPa，查《實用冷擠壓技術(shù)》知，兩層組合凹模的許用單位擠壓力為1400MPa≤p≤2500MPa，故采用兩層組合凹模。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖12 兩層組合凹模結(jié)構(gòu)
4.2組合凹模各圈直徑的確定
查閱《冷擠壓實用技術(shù)》得如下公式：
根據(jù)所加工零件的尺寸確定兩層組合凹模各圈直徑的大小。為保證凹模強度要求，各直徑盡量取較大值。即上組合凹模：=17.5mm，=5=87.5mm，=2=175mm；考慮到此模具?？趯虻脑O(shè)計，下模圈直徑應(yīng)小于上模圈，故下模組合凹模各圈直徑為=17.5mm，=4=70mm，=2=140mm。
4.3組合凹模徑向過盈量與軸向壓合量的確定
以上組合凹模為例計算過程如下：在確定了各圈直徑之后，便可確定處的徑向過盈量與軸向壓合量先從兩層組合凹模徑向過盈系數(shù)與直徑比的關(guān)系查出徑向過盈系數(shù)=0.0095，又按兩層組合凹模軸向壓合系數(shù)與直徑比的關(guān)系查出軸向壓合系數(shù)=0.18.則，
==0.83mm，==15.75mm
采用基孔制過盈配合取H7/s6，
孔=，軸=
由此可得出徑向過盈量的范圍為：。
本組合凹模采用室溫壓合，壓合斜度取1.5°，由此可計算出軸向壓合范圍為：mm。
同理，查圖得下組合凹模徑向過盈系數(shù)=0.0091，軸向壓合系數(shù)=0.17，所以徑向過盈量==0.637mm，軸向壓合量==11.9mm。同樣采用基孔制過盈配合取H7/s6，孔，軸。由此算出徑向過盈量的范圍為：mm。同樣采用室溫壓合，壓合斜度取1.5°，由此算出軸向壓合范圍為：mm。
查表知，選用Cr12MoV作為凹模材料，選用35CrMoA作為凹模預(yù)應(yīng)力圈材料。組合凹模見下圖：
圖13 上組合凹模
圖14 下組合凹模
5.模具及其零部件的三維建模
此模具使用了Solidworks2012軟件對其進行三維建模。Solidworks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。Solidworks 功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學易用。Solidworks系統(tǒng)自帶的標準件庫，其包含螺栓，螺母，螺釘，螺柱，鍵，銷，墊圈，擋圈，密封圈，彈簧，型材，法蘭等常用零部件，模型數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用。
5.1冷鐓模具裝配體三維模型
5.2非標準零部件三維模型
墊板
頂桿 頂料桿
模圈導向套
上凹模
上模板
上模緊固螺母
上模座
下凹模
下凹模預(yù)應(yīng)力圈
下模座
上組合凹模預(yù)應(yīng)力
桿芯
6. 總結(jié)
本文是對JH70摩托車主軸坯冷鐓模具的設(shè)計。針對JH70摩托車主軸坯的制造，采用冷擠壓加工方法相較傳統(tǒng)的加工手段（如銑）有很大的技術(shù)優(yōu)勢。采用冷擠壓技術(shù)，大大簡化了工序，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工難度和生產(chǎn)制造成本。
在設(shè)計中首先對擠壓件進行了外形和力學性能的分析，進而對模架整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和確定，分析了模具各個零部件的設(shè)計目的，確定了各個零部件尺寸材料等要素，最后對一些模具設(shè)計過程中的細節(jié)問題進行了解決。為了更加充分的表達模具外形和工作原理，在完成模具設(shè)計之后又對其進行了三維建模。
通過本次畢業(yè)設(shè)計，對冷擠壓模具的結(jié)構(gòu)和工作原理有了比較深刻的認識。通過指導老師的講解和對查閱相關(guān)書籍，對冷擠壓模具設(shè)計的重點問題和注意事項有了較為全面的了解。在模具的設(shè)計過程中，應(yīng)用了大學所學的相關(guān)專業(yè)課程如理論力學、材料力學、機械制圖、互換性與技術(shù)測量、機械設(shè)計、機械原理、機械工程材料等內(nèi)容，在用的過程中又實現(xiàn)了對舊知識的復(fù)習和更深入地理解。在三維建模的過程中，又對相關(guān)軟件的操作進行了熟悉。總之，畢業(yè)設(shè)計是對大學所學知識的一次系統(tǒng)應(yīng)用，使我們做到將知識融會貫通并應(yīng)用于應(yīng)用到了實踐中，真正做到格物致知，知行合一。在畢業(yè)設(shè)計過程中積累的設(shè)計思想、方法、過程等寶貴經(jīng)驗將在后的學習工作過程中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。
7. 致謝
本研究及論文是在我的導師馮文杰老師的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。馮老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向*老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！
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