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铝合金外壳反挤压工艺及模具设计
1概述铝合金外壳是医疗仪器装置中的防护零件。随着医疗仪表行业的迅速发展,该外壳零件的数量 日益增大,材料为防锈铝合金LF2,形状及尺寸如图1所示。过去,采用铝板多道变薄拉深工艺 进行生产,不仅工序多、生产率低、废品率高,而且零件的尺精度往往达不到装配所需的技术要求 。0.5!40±0.1图1铝合金外壳零件目前,该零件已不能满足医疗仪表装置日益竞争的需 要,随着零件生产率及质量的不断提高,以及改善工人的劳动条件和降低产品成本的要求,必须改 变落后的冲压工艺,采用一种行之有效的工艺方法,即R43反挤压工艺。2反挤压工艺分析在反 挤压生产中,往往由于变形工序设计不妥使挤压件成形时产生各种缺陷,如表面折叠、表面折缝、 表面裂纹等。因此,只有预先了解这些缺陷的原因,才能在设计变形工序时,采取有效的解决办法 ,获得合格的反挤压件。另外,在制订反挤压件时,选择合理的许用变形程度。许用变形程度越大 ,则生产率就越高,工序就越少。但因此单位压力也要增大,这就有可能超出模具所允许的单位压 力,导致模具的损坏。因此,许用变形程度的大小应严格控制。它主要取决于下列因素:(1)反 挤压模具的强度越高,模具许用单位压力就越大,则许用变形程度值也就越大。在当前技术条件下 ,从模具材质、结构、寿命等方面考虑,模具的许用单位挤压力为2000 ̄2500MPa。( 2)被挤压金属材料强度越大,反挤压时其变形抗力也越大,则许用变形程度值就越小。由于有色 金属反挤压时所需的单位挤压力较小,因此,在不超出《模具制造》2006年第1期··模具的 许用单位压力的条件下,所允许的变形程度是较高的。(3)采用不同的冷挤压变形方式,需用的 单位压力不一样,因此,许用变形程度也是不同的。(4)模具工作部分采用不同的结构形式,对 单位挤压力的影响也不同。因此,其对许用变形程度值也有较大的影响。(5)毛坯表面软化及润 滑处理将严重影响到单位挤压力的大小,因此,对许用变形程度值也有较大的影响。综合上述,由 于本零件的材料为防锈铝合金LF2,其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差,且有加工硬化 现象存在,难以进行大变形量的反挤压成形加工。但若对毛坯进行充分地软化退火处理,以降低变 形抗力和提高塑性指标,经分析及研制,采用反挤压成形工艺是完全可行的。3反挤压工艺计算3 .1反挤压件图的制订反挤压件图是根据零件图制订的,它是编制工艺、设计模具、检验反挤压件 形状、尺寸的主要依据,是工厂及车间管理的重要技术文件。反挤压件图的制订应考虑如下一些问 题:(1)根据图1所示零件的形状及所需的类型,确定采用哪种冷挤压方法,分几道工序。对本 零件的形状及尺寸,经计算应选用反挤压单道变形工序。(2)根据冷挤压成形的特点、加工范围 对零件进行简化给出机加工余量和公差。对于不经机加工的部分,不应加放余量,而应直接按零件 图的技术要求给出公差。(3)为了便于金属流动、减少阻力,避免产生金属死区,防止产生废品 以及减少模具出现锐角处的应力集中,在该零件尺寸的过渡处设有足够大的圆角半径。按上述的要 求,本外壳零件将设计成类似图1的反挤压件,其总高度为72mm。3.2毛坯尺寸的计算毛坯 形状和尺寸对反挤压件的充填性和模具寿命影响很大。根据本外壳的形状特点,同时为了便于送料 以及有利于毛坯的定位,故选用圆形毛坯,其直径尺寸为39.9mm。外壳所需的毛坯体积是根 据冷变形前后的体积不变定律来计算。外壳体积按图1分成上、中、下3段计算。上段体积V1= !4(d12-d22)h1=!4(402-392)×70=4341.05mm3中段体积 V2=!4d12·h2-!3h2(R2+r2+R·r)=!4×402×2-!3×2×( 19.52+17.52+19.5×17.5)=360.58mm3下段体积V3=!4d1 2·h3=!4×402×3=3768mm3外壳体壳为V=V1+V2+V3=4341.0 5+360.58+3768=8469.63mm3换算毛坯高度H=!V4·F0=!846 9.634×39.92=6.78mm,取7mm。3.3反挤压力的计算反挤压力是模具设计 的重要依据,可用它来验算模具零件尺寸的强度,同时,也是选择压力机吨位的重要数据。铝合金 外壳反挤压力可按下式计算P=q·N式中P——反挤压力,Nq——单位挤压力,N/mm2。 查资料得q=800N/mm2F——挤压的作用面积,mm2。经计算F=!4×402=12 56mm2将有关数据代入上式得P=800×1256=1004.8kN根据所计算的反挤压 力及模具尺寸,选用J23-125型1250kN开式双柱压力机。3.4毛坯制备处理毛坯在 反挤压变形之前,需要进行如下3种处理:(1)毛坯软化退火处理。防锈铝合金LF2在供应状 态下的硬度为>60HB,材料晶粒粗大不均,塑性较差,变形抗力大,若不经软化退火处理而直 接进行反挤压,则成形困难,模具极易损坏。因此,为降低毛坯变形抗力,提高塑性,在反挤压成 形之前需对材料进·挤压模技术·51行软化退火处理,其退火规范如图2所示。经软化退火处理 后毛坯硬度为28 ̄33HB。(2)毛坯表面处理。外壳的反挤压成形,其金属流动剧烈,变形 量较大,毛坯表面要求良好的净化处理。其处理过程是:清除表面缺陷→清理、去油、清洗→去除 表面氧化层→冷水清洗→中和处理→冷水清洗。图2防锈铝合金LF2软化退火规范(3)毛坯润 滑处理。毛坯经表面处理以后,还要进行适当的润滑处理。经润滑处理的毛坯,在表面形成一层致 密细腻的润滑保护膜,它与毛坯表面紧密结合,就成为毛坯表面和模具工作表面之间的介质,从而 降低了它们之间的摩擦阻力,达到降低单位挤压力,改善反挤压件质量,提高反挤压模具使用寿命 的目的。防锈铝合金LF2毛坯的润滑剂采用100%蓖麻油。将毛坯浸入油中涂敷即可。但涂敷 要均匀,且薄薄的一层,若涂得太厚,在反挤压中多余的油脂无法散出,留在制件上面,将发生小 的皱痕。4模具结构设计外壳反挤压件的好坏与反挤压模具的设计质量有直接的关系,合理的模具 结构型式是制造合格反挤压件的关键技术之一。因此,根据具体的零件形状、尺寸及材料,必须要 正确、合理地设计模具结构。按照如上的工艺分析,采用反挤压模具结构是最佳的设计方案,现介 绍如下:4.1反挤压模具外壳反挤压模具结构如图3所示。该模具由上、下模两部分组成:上模 部分主要有上模板1、上垫板3、模柄4、导套7、上压圈8及凸模9组成;下模部分主要有导柱 10、下模板11、下压圈13、凹模14、弹簧16、卸料板18及卸料螺栓20组成。上模部 分对下模部分的导向是靠导套7和导柱10来保证,采用一级精度滑配合。凸模9与凹模14的同 心度由制造精度来保证,并以销钉2、15固定。凸模9的上端面衬以淬硬的上垫板3,以防上模 板1的压塌。铝合金外壳反挤压的工作过程是:将毛坯放入凹模14内,当压力机滑块向下时,凸 模9对毛坯进行反挤压工序。反挤压变形工艺结束,滑块向上返回时,考虑到挤压件被凸模带上去 的可能性,故采用了由卸料板18、卸料螺栓20及弹簧16组成的卸料装置进行卸料。图3外壳 反挤压模具1.上模板2、15.销钉3.上垫板4.模柄5.止转销6、12.螺钉7.导套8 .上压圈9.凸模10.导柱11.下模板13.下压圈14.凹模16.弹簧17.制件18. 卸料板19.螺帽20.卸料螺栓4.2凸模设计为了保证凸模装卸简便,紧固可靠,凸模的整体 形状一般做成阶梯形,其夹紧部分呈截锥形状,是为了增大支承面积,以增加凸模的抗弯强度和稳 定,并能通过带锥形孔的上压圈将凸模牢固地固定在上模板上。凸模结构形状如图4所示。图4凸模390 ̄400℃3 ̄4随炉冷温度,℃时间,h20191817151614131210119871234562215030°45°0.01C0.01A0.01BCB45°A2!390-0.1!80考虑到凸模的主要作用是传统压力,所以应具有足够强度、刚 度和一定的耐磨性。因此,凸模材料选用高铬合金工具钢Cr12Mo,热处理硬度为58 ̄62 HRC。4.3凹模设计在构成反挤压模具的全部零件中,凹模是和毛坯接触,直接参与变形过程 ,执行成形加工的最重要的关键工作零件。反挤压时,凹模在静态高压、强烈冲击和巨大摩擦作用 下,凹模应力是一个复杂的抗张、抗压和剪切的联合应力,其工作条件十分恶劣。因此,正确合理 设计凹模才能满足外壳零件的技术要求。根据冷挤压变形理论分析可知,作用在冷挤压凹模内壁的 单位压力是非常大,一般高达2000MPa以上。在这样高的单位压力作用下,使得冷变形模具 极易损坏,所以,为了延长模具寿命,满足使用要求,对于反挤压模具结构强度、刚度、精度等方 面的要求皆比冷冲压模具高。为了承受较大的反挤压力及足够的强度,以便于凹模进行切削加工和 热处理工艺,采用了如图5所示的形状。图5凹模由于凹模在极易磨损的条件下工作,故选用高铬 零件是凸模和凹模,其尺寸精度要求较高,因此对这些零件的加工技术就提出更高的要求,如平行 度、垂直度、同轴度等,否则就会产生外壳制件的各种缺陷。如凸模按其形状及尺寸,加工技术要 求查资料可得相应的数据,在图4中所标注。4.5模架技术要求为了保证产品质量,外壳反挤压 模架还应满足如下的技术要求:(1)模架的承压部分应具有良好的刚性和强度,以使模架在工作 时稳定可靠。(2)模具的工作零件应便于安装在模架上,并便于更换。(3)反挤压坯料及制件 应便于取出和放入,并易于实现机械化和自动化。(4)模架的上、下模板的上、下平面平行度允 差应为0.01∶100。(5)模架的易损部位的零件尺寸应有良好的互换性,并便于维修、制 造和检验。5结束语反挤压技术是一项少无切屑的金属塑性成形工艺。生产实践表明,采用反挤压工艺代替多道变薄拉伸工艺生产铝合金外壳,可以明显提高制件的表面质量,节约材料,大大提高生产率
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