氧气喷头的热挤压工艺及模具设计
氧气喷头的模具设计
模具简介及发展现状
模具，是一种古老的成形工具。利用“型”或“模”的概念，以制造器件，可追溯到陶器、铜器时代。形成“模具”的概念，即作为工业产品生产的成形工具，则是近100—150年之间逐步形成的概念。形成模具工业化生产，大致有以下几个阶段，即：手工制造阶段，主要工具为锯、锉、凿和锤；机械化阶段，此时，车床、刨床已成为模具制造的主要机床。当应用铣床、磨床制造模具时，则模具已进入工业化生产的初级阶段；工业化生产阶段，约于上世纪30年代初，出现了专门为汽车制造冲模的模具厂。此后研发成功多种模具成型件用材料为高速工具钢、Cr12、硬质合金等；同时，还研发成功了电火花加工与成形磨削加工配件工艺；还制订了模具零部件标准，逐步形成了模具标准件专业化生产体系；从1975年开始，由于计算机、现代化工业的发展，逐步形成以模具标准为基础的、模具设计与制造一体化的现代模具生产体制，普及了CAD/CAM/CAE系统。同时在一个国家建起了上万个模具厂或与之相关、相配的材料、标准件、机床等工业企业。从而，在工业国家相续建成了模具工业体系。
我国冲压技术现状：技术落后、经济效益低。
主要原因：①冲压基础理论与成形工艺落后；②模具标准化程度低；③模具设计方法和手段、模具制造工艺及设备落后；④模具专业化水平低。
所以，结果导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与先进工业发达国家的模具相比差距相当大。
冲压技术发展方向：冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。
满足产品开发在 T(Time时间)、Q(Quality质量)、 C(Cost价格)、S(Service服务)、E(Environment环境)的要求。
冲压成形理论及冲压工艺：加强理论研究，开展CAE技术应用。开发和应用冲压新工艺。
模具先进制造工艺及设备：数控化、高速化、复合化加工技术；先进特种加工技术；精密磨削、微细加工技术；先进工艺装备技术；数控测量。效率和质量是制造业的永恒主题。
模具新材料及热、表面处理：提高使用性能，改善加工性能 ，提高寿命。
模具CAD/CAM技术：二、三维相结合的数字化设计技术与数字化制造技术。模具行业是最早应用CAD/CAM技术的行业之一。
快速经济制模技术：加快模具的制造速度，降低模具生产成本。适应小批量试制。
先进生产管理模式：并行工程思想、标准化、专业化生产。
模具工业是国民经济的基础工业，是高技术行业。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一。 模具在日本被誉为“进入富裕社会的原动力”、在德国被称为“金属加工业中的帝王”。
模具设计与制造专业人才，是制造业紧缺人才。
我国模具工业发展十分迅速，1996—2002年间，模具产值年平均增速在14%左右。
由上可见，模具技术是先进制造技术的重要代表，模具工业是高新技术产业的一个重要组成部分，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。
氧气喷头的简介及选材
氧气喷头( 图1) 是炼钢工业中一个非常重要的零件, 生产中通常采用T2紫铜制造。传统工艺中，氧气喷头采用Φ215mm × 320mm 的铜棒材外车削内镗孔制成。由于中空部分较大，材料利用率不到35%， 材料浪费严重； 由于T2 紫铜粘性较大， 车、镗难度较大，致使工时很长，据原加工单位介绍，每周只能加工一件。以上两点极大地提高了生产成本，使厂家效益受到影响。若毛坯采用铸造成形，内部质量难以保证， 易存在气孔、夹杂等缺陷， 后续机加工中易使缺陷暴露， 废品率较高。
T2 紫铜在一定温度下具有良好的塑性， 宜于挤压成形。挤压能改善其内部组织， 提高性能， 制品综合质量高， 能达到节材优质高效的目的。采用挤压工艺与原工艺相比， 经济效益得到了大幅度提高， 具体情况如表1 所示。
图1 氧气喷头零件
表1 氧气喷头新旧工艺技术经济比较：
材料尺寸 mm 棒料Φ215×320 棒料Φ210×120
材料重量 kg 约104 约37
材料费* 元/件 2496 888
机加工费 元/件 600 260
挤压费 元/件 300
单件费用合计 元/件 3096 1448
注: 单价为24 元/kg
三．氧气喷头毛坯热挤压工艺分析及计算
3.1 工艺分析
氧气喷头零件材料是T2紫铜, 常温下变形抗力较大, 根据现有设备能力, 无法进行冷挤压成形加工。如采用热挤压工艺则能有效降低其变形抗力。氧气喷头毛坯在进行热挤压时, 可采用一次挤压成形或两次挤压成形。
( 1) 一次热挤压成形：一次挤压成形, 所需设备较大。
( 2) 两次热挤压成形：一、二序凹模通用, 第一序挤完后, 毛坯底部基本成形, 第二序凸模设计成中空组合式加型芯的形式, 可减少挤压力, 防止金属向一序毛坯空腔内流动, 保证制件质量。
现有设备为YA32- 315 型四柱式万能液压机,公称压力3 150kN, 最大开口高度1 250mm 。若采用一次挤压成形, 经估算, 挤压力P ≈8 475．4kN, 设备公称压力远远不够; 且凸模较长, 同时凹模高度增加, 经估算, 上模高度+ 工件高度+ 下模高度>1 250mm, 不能脱模。若采用两次挤压成形, 现有设备完全能够满足挤压力要求, 并能顺利出模。
3．2 氧气喷头毛坯热反挤压成形工艺过程
下料( 锯切) →加热( 800 ℃ 左右)→ 一序反挤压，加热( 800℃ 左右)→ 二序反挤压。
3.3 坯料计算
据氧气喷头零件图要求, 坯料尺寸的选择应考虑挤压后氧化皮、加工余量及挤压本身特点的影响, 筒壁加2mm 单边余量, 高度方向加5mm 余量,底部加6mm 余量。经适当简化后, 算得坯料体积为:
V≈3.97×106mm3
生产中采用Φ210mm 铜棒下料, 根据体积不变原则, 棒料高度为:
h ≈3.97×106/(3. 14×1052)≈114. 5mm
为了提高安全性, 避免不必要的损失, 生产中取h= 120mm。
3.4 热挤压力估算
挤压力采用如下经验公式进行估算:
P = 0. 785 ×{ 8+ 1/ [ ( D/d) - 1] }×d2×бb[ 2]
式中: P—— 反挤压的挤压力, kN
D——反挤压凹模的工作直径,mm
d ——反挤压凸模的工作直径, mm
бb—— 挤压终了时金属的强度极限,MPa
本公式适合于平底凸模反挤压, 而本工艺中凸模头部带有一定锥度, 能有效降低挤压力, 故应在公式中添加一个修正系数k ( 取0.70) , 则一次成形挤压力估算如下(бb取为36.5MPa ) :
P = 0. 70 × 0. 785 ×{ 8 + 1/ [ ( 213. 5/179) - 1] }× 1792× 36. 5 ×10- 3
≈8 475. 4kN
现有设备为315t 压力机, 公称压力为3150kN, 不合要求, 考虑两次挤成。两序用同一凹模, 设计两套凸模。其中第二序凸模工作部分的直径由挤压制件决定; 第一序凸模工作直径的选取, 应使两序挤压力相差不多, 同时, 第一序挤完后毛坯不应伸出凹模, 否则第二序挤压时, 伸出凹模部分会受力向外膨胀, 使制件质量受损。据此, 凸模工作部分直径分别选为d1= 125mm, d2=179mm。则两序挤压力计算如下:
P1= 0. 70 × 0. 785 ×{ 8+ 1/ [ 213. 5/125) - 1] }×1252 ×
36. 5 ×103
≈2 949. 7kN
第二序挤压时, 与管料挤压类似, 公式应作相应修改:
P 2= 0. 70 ×0. 785× { 8 + 1/ [ D/( d2 - d1 ) - 1] }
× ( d22- d12) ×бb×103
= 0. 70 × 0. 785 × { 8 + 1/[ 213. 5/ ( 179- 125) -1] }
× ( 1792 - 1252 ) × 36. 5× 10- 3
≈2 745. 5kN
现有设备完全能够满足使用要求。
3.5 坯料、毛坯形状及尺寸
坯料、毛坯形状及尺寸如图2 所示。
图2 坯料、毛坯图
a. 坯料 b. 第一序挤压后的毛坯 c. 第二序挤压后的毛坯
四． 氧气喷头毛坯的热挤压模具设计
4．1 模具设计
采用两次挤压成形, 考虑将一、二序凹模通用, 以降低模具制造成本。在模具通用性设计时,按第二序毛坯尺寸及工作要求设计, 两序可通用模架和凹模, 第一序和第二序间只需更换凸模, 方便实用。凹模采用双层预紧结构。由于挤压件较长, 重量较大, 在模具结构设计时要特别注意第二序挤压后的制件能否脱模这一关键性问题。现有设备最大开口高度为1 250mm, 而要保证第二序挤压后制件顺利脱模, 必须使上模高度+ 制件高度+ 下模高度<1 250mm。因此, 凹模高度要受到一定限制。由于第一序毛坯挤成后不能伸出凹模, 第一序凸模的工作直径也受到一定的限制。
挤第二序时, 将凸模设计成中空式, 与型芯配合使用。考虑到第二序挤压完毕后, 由于少量金属向凸模与型芯之间的间隙流动, 使型芯留在凸模中,设计组合式凸模, 两部分间用螺纹联接, 便于取出型芯。模具具体结构如图3 所示( 这里仅给出第二序模具结构简图) 。
图3?? 第二序模具结构简图
1．上模座 2．垫板 3．凸模固定板 4．凹模 5．预紧圈 6．模墩
7．下模座 8．顶杆 9．垫板 10．垫环??11．顶出器??12．型芯??
13．凸模活动部分 14．凸模固定部分
4．2 模具工作过程及其优越性
挤第一序时模具工作过程较为简单, 这里仅说明第二序。顶杆8 及顶出器11 复位后, 把加热后的一序毛坯放入凹模4, 将直径为125mm 的型芯12 放入毛坯孔中。随着上模的下行, 型芯12进入凸模13 孔中进行挤压。上模的行程由行程开关控制。上模回程后, 由顶杆8、顶出器11 顶出制件。制件取出后, 把凸模活动部分13 卸下,用适当的方法取出型芯12。再把凸模活动部分13 装上, 便可进行下一个毛坯的挤压。
这套模具的优越性一个是在于型芯的使用,它成功地限制了第二序挤压时金属的流动方向,使制件顺利成形； 另一个是它能够有效地发挥315t 油压机的设备能力。
4．3 模具选材及挤压时应注意的问题
凹模和一序凸模选用5CrNiMo 钢; 由于二序凸模为空心结构, 截面积小, 单位挤压力大, 且长时间工作在高温状态下, 易变形破坏, 因此采用热强度高的3Cr2W8V 钢；型芯不参与对毛坯的挤压, 采用热模具钢制造即可； 其余选用45# 钢。
由于毛坯所留有加工余量, 所以模具不需要设计导柱导套等定位结构, 在安装模具时进行良好的对模即可。由于挤压件高度较大, 压力机开口高度有限, 不便使用卸料装置, 所以在挤压过程中模具要进行良好的润滑, 否则工件容易抱在凸模上, 使生产效率下降, 延误工时。
五．冲压件质量分析
带底深孔薄壁件挤压生产上, 经常存在着如何保证孔底平直, 孔底转角处壁部均匀,壁厚差小, 弯曲度小, 及如何消除环状波纹等质量问题。
影响正挤压件壁厚差的因素很多, 如空心毛坯有壁厚差；毛坯退火不均；毛坯孔与芯棒的间隙；芯棒的细长比；芯棒、凸模、凹模的不同心度等。
为获得深孔薄壁正挤件良好的底部质量（包括孔底面平直及孔底转角处侧壁内
外表面平直）,可选择下列措施：①挤压毛坯预制成杯—杆形状，使底部具有一定的刚端长度，控制杯形孔底的位置, 尽可能接近底部。②给出一定的芯棒超前量δ。在使用较大δ值时, 应使毛坯锥角小于正挤凹模锥角, 以防拉裂。
在以上措施中究竟选择哪一条或两条兼施, 应视产品具体形状, 尺寸, 质量要求而定。
六．结论
( 1) 本工艺及模具设计具有节材优质高效的特点。
(2) 采用两次挤压成形, 顺利解决了脱模和现有设备压力不足的问题。
(3) 第二序凸模设计成中空组合式, 与型芯配合使用, 成功地限制了金属的流动方向。
( 4) 本工艺和模具设计为在小设备上干大件提供了一种新方法、新思路。
七．心得体会
时光飞逝，一转眼，冲压模具设计与制造这门课也接近尾声。说起这门课程，我认为最重要的就是做好课前的预习，认真的研究老师所讲的内容，其次，老师对课程的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。在这个学期来，也暴露了自己很多问题，第一、不够细心，由于对课本理论的不熟悉导致设计时出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次设计所遇到的问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。 再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。
八．参考文献
[ 1] 王孝培. 冲压手册[ M] . 北京: 机械工业出版社,1995.
[ 2] 贾宪安, 胡九锡. 热挤压工艺与模具设计[M] . 北京:机械工业出版社, 1986.
[ 3] 洪深泽. 挤压工艺及模具设计[M] . 北京: 机械工业出版社, 1996.
[ 4] 王学文, 刘汉贵. 挤压组合凹模的设计[M] . 北京: 国防工业出版社, 1988.
[ 5] 郜建新等. 高压开关压气缸挤压工艺及模具结构特点[ J] . 热加工工艺, 2000, ( 6) : 49~ 50.
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