基于Pro_E的冷挤压模具设计
基于Pro/E的冷挤压模具设计
盛冬平， 朱如鹏
（ 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）
1 引 言
挤压技术作为一种高效、优质、低消耗的少无切削加
工工艺，是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和
一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所
需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，挤
压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转
移来成形零件的。
冷挤压是挤压技术中应用最广泛的一种，与此同时，
冷挤压模具发展也日益成熟。鉴于其工作条件的恶劣性，
冷挤压模的设计需要考虑的因素很多，其难度也很大。组
合分割式模具结构为冷挤压的模具设计提供了一条崭新
的思路。
Pro/E 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化
系统。工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功
能去生成模型。其特点是可以随意勾画草图，轻易改变模
型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有
过的简易与灵活。同时 Pro/E 是一个功能定义系统，即造
型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：
筋、槽、倒角和抽空等。采用这种手段来建立形体，对于工
程来说更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式。
基于 Pro/E 的组合分割式模具结构为冷挤压的模具设计
提供了一条崭新的思路。
2 冷挤压及模具设计简介
2.1 冷挤压的种类及所选挤压方法
冷挤压常用的方法有如下几种：
（ 1）正挤压：金属的流动方向与凸模的运动方向相一致。
（ 2）反挤压：金属的流动方向与凸模的运动方向相反。
（ 3）复合挤压：毛坯一部分金属的流动方向与凸模的
运动方向相同，而另一部分金属的流动方向则与凸模的
运动方向相反。
2.2 冷挤压所用材料及软化处理
冷挤压用原材料应具有良好的塑性，较低的变形能
力和冷作硬化敏感性。冷挤压材料的选择，是挤压生产中
重要问题之一。它不仅关系到产品的质量和性能，也直接
影响着模具的寿命，在某种程度上决定着挤压加工的难
易程度。
为了提高挤压材料的塑性，降低其硬度和变形抗力，
冷挤压原材料和中间工序的半成品，在挤压之前需要进
行软化处理。软化处理时，一般要把材料处理到其延伸性
达到最高，硬度最低，即充分软化的程度，使金属的冷挤
压成型容易在较小的压力下进行。中间工序的软化处理
是为了消除冷作硬化和应力，用以恢复材料的塑性。一般
认为，挤压件若有一个表面的硬度超过 HB130 时，工件
在下一道挤压之前必须进行软化处理。软化处理方法，根
据加热温度和冷却速度的不同，主要有以下四种：（ 1）完
全退火；（ 2）不完全退火；（ 3）球化退火；（ 4）等温退火。
2.3 挤压材料的润滑处理
挤压之前或者在工序之间对材料进行润滑。使材料
在挤压过程中，获得适合于塑性变形条件，提供有足够的
韧性，能经受重压而不致损坏的润滑层，以降低工具载
荷、减小摩擦、延长模具使用寿命。
3 球头杆的工艺分析及模具设计分析
3.1 产品图形尺寸及分析
产品 3D 图见图 1，平面图见图 2。
球头杆由 3 个台阶、球头、六方、底部螺纹组成，其中
螺纹直接搓丝就可以形成，球头、六方部分的成型尤以球
头部分最为关键，由于台阶、六方的成型模具设计都容易
实现，故本文主要讨论球头部分的成型模具设计- 镦粗挤
压成型的模具设计。
3.2 液压机的选择计算
镦粗挤压成型工序是在模腔中进行镦粗（ 也称为闭
式镦粗），由于在镦粗挤压中变形量较大，故挤压力也非
常大。根据公式：
P=FC! 均
摘 要：冷挤压中的镦挤模具设计是模具设计过程中的难点，其受力强度大，且工况复杂。基于 Pro/E 的组合分割式模
具结构为长零件的冷挤压的模具设计提供了一条崭新的思路。
关键词：Pro/E；冷挤压；模具
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1002- 2333（ 2007）01- 0060- 02
M 制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIONALIZATION
60 机械工程师 2007 年第 1 期
其中，P- 最大镦粗力；F- 终了受压面积（ 此处为半球面面
积）；C- 镦粗系数取 C=2（ 一般是 2～5）；! 均- 平均变形抗
力，! 均= !1+!2
2 ，其中，!1 由 Φ1（ 挤压前的变形量）决定，
镦粗 Φ1=0，查表可知 !1；!2 由 Φ2（ 挤压前的变形量）决定：
Φ2=ln H0
H1
H0- 镦粗前的高度；H1- 镦粗后的高度。
查表可知 !2，从而可知 ! 均= !1+!2
2 ，故可得最大镦
粗力，根据其选择设备。
3.3 模具设计分析
上模的确定，主要取决于模板结构和凸模结构的紧
固方法。在中型压力机上，一般利用 T 型螺栓将模板固定
在压力机滑块上，此时，上模板可以不带柄部，呈平坦形
状，采用导柱导向时，要适当加大模板结构面积。若采用
模口方式导向，可在模板上固定一个导向套。
在上模的设计分析中，有两个关键的考虑因素：
第一，凸模尺寸一般根据凸模受力情况和结构需要
而确定。凸模的长度尺寸直接取决于模具的结构，可由下
面的经验公式求得：L=H1+H2+H3+H
式中：L- 凸模长度；H1- 凸模固定套厚度；H2- 凸模进入模
腔深度；H- 考虑到磨损，调整和安全因素附加的数值，一
般取 10~15mm。
第二，材料的选择。凸模
的结构设计中，由于受到大应
力作用，同时考虑到节约材料
成本，故采用多层结构，且采
用不同的材料。凸模的结构设
计构思如图 3 所示。
在下模的设计分析中，
取决于模座结构和凹模的紧
固方法。如果是仿照冲压模
具结构设计的下部分的结构形式，它利用螺栓将凹模、
支撑垫板同模座直接固紧在一起，这时需要在凹模体或
外套上钻孔，对模具寿命极为不利。这种形式常用在挤
压力不大的有色金属的挤压模具中。为了避免在凹模体
上钻孔，可采取利用中间衬套的紧固方法，或采用压板
进行固紧，采用压板固紧凹模，其紧固牢靠，且更换凹模
方便，故在挤压模具中获得广泛应用。
由凸模来的挤压力首先通过垫圈传给模座，再传给
模板，最后才传到垫板和压力机的工作台面上。压力经过
多级传递之后，模座上的震动、变形和接触压力都会明显
减少，因此，使用多层组合结构模座对于缓冲压力作用十
分有利。在下模的结构设计过程中，凹模的设计有重要的
作用，需要对其进行应力计算。
3.4 凹模强度计算
冷挤压凹模可视为内部均匀压力作用的厚壁圆筒，
凹模截面内任意半径 r 处的切应力 !t 和径向应力 !r，可
用厚壁桶理论公式表示：
!t= r2
1 p1
r2
2 - r2
1
1+ r2
2
r2! "
!r= r2
1 p1
r2
2 - r2
1
1- r2
2
r2! "
!v=|!t|+|!r|
式中：P1- 凹模的内壁径向工作压力；r1- 凹模的内半径；
r2- 凹模的外半径；r- 凹模的内任意点半径。
根据畸变能量强度理论，其 ! 相当应力为
! 相当= P1
1+Q2
1- Q2! "2+（ - P1）2- P1
1+Q2
1- Q2（ - P1）# =P1
3+!4#
1- !2
设凹模材料的许用应力为［ !］，其强度条件为
! 相当=P1
3+Q4#
1- Q2 ≤［ !］
圆筒所能承受的最大内压力则为
P1= 1- Q2
3+Q4#
［ !］≤ 1- Q2
3+Q4#
!s
此时 P1 即为最大的允许内压，!s 为单向应力状态的
屈服极限，在上式中，如果无限增大凹模的外部半径 r2
时，则 Q→0，所以，
Pmax= 1
3#
!s=0.557!s
根据切应力理论，其相当应力为
! 相当=!t- !r=P1
1+Q2
1- Q2 -（ - P1）=P1
2
1- Q2 ≤!s，
所以 p1= 1
2（ 1- Q2）!s
同时当 r2→无限大，则 Q→0，上式变为 pmax= 1
2 !s，只
有在应力强度条件满足后才能使用。
4 结 语
在对镦粗冷挤压的成型设计模具中，由于其复杂性，
需要考虑的因素很多，如断裂、变形、单位挤压力较大、模
具使用寿命较短。同时模具各主要工作部分的部件都需
要严格的理论计算和实验保证，而组合分割式模具结构
为冷挤压的模具设计提供了一条崭新的思路。在设计的
过程中，Pro/E 的设计功能体现了极大的优越性。
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［ 7］ 模具设计与制造技术编委会.模具结构设计［ M］.北京:机械工业
出版社，2004. （ 编辑 毕 胜）
作者简介：盛冬平（ 1981-），男，硕士研究生，研究方向为机械 CAD 及
自动化。
收稿日期：2006-08-30
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