5.4 模具工作部分的设计

5.4.1 反挤压凸模设计

反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成，如图5-21a所示；当依靠模口导向时，则应由夹紧、导向和成形三部分构成，如图5-21b所示。

图5-21 反挤压凸模的典型结构

1.设计时应注意的问题

反挤压凸模的工作条件最为恶劣，应根据挤压件形状、尺寸、精度要求以及生产批量等因素确定设计方针。一般应注意如下一些问题。

1）为了保证凸模装卸简便、紧固可靠，凸模的夹紧部分一般做成阶梯形或锥形。

2）当凸模带有导向部分时，导向部分长度按刚开始挤压时伸入凹模的长度不小于5mm的原则来设计。

3）为了防止应力集中而造成模具的早期失效，所有过渡部分皆应设有足够大的圆角半径或倒角。

4）为了防止凸模产生纵向弯曲，凸模成形部分长度l应尽量短一些。l与工作带的直径d₁之比值：纯铝反挤压时，l/d₁≤10；纯铜反挤压时，l/d₁≤6；黄铜反挤压时，l/d₁≤5；低碳钢反挤压时，l/d₁≤3。

5）凸模与上压力板接触表面应紧密配合，不允许留有间隙。

6）为了提高凸模的强度，当凸模承受的单位挤压力较大或反挤压多阶梯内孔时，应尽量做成组合式结构，如图5-22所示。各部分的弹性变形量不能相互干涉，应做出正好抵消弹性变形量的退让槽。

2.反挤压凸模的形状

（1）钢铁材料反挤压凸模 钢铁材料反挤压凸模的形状主要有如图5-23所示的三种。

1）平底凸模主要用于挤压件结构要求平底或单位挤压力要求较小的情况下。

2）尖顶锥凸模可以减小单位挤压力，但易造成壁厚不均，因此，实际生产中应用不多。

3）带平底的锥形凸模兼有前两者的优点，它既可以减小单位挤压力，又可以保证均匀的壁厚，因此，实际生产中应用最多。

（2）有色金属反挤压凸模 有色金属反挤压凸模成形部分的形状主要有如图5-24所示的四种，其中应用最多的也是带平底的锥形凸模。有色金属反挤压一般没有顶件机构。因此，凸模的锥顶角不宜过大，否则挤压件不易被凸模带出。

图5-22 组合式凸模

图5-23 钢铁材料反挤压凸模的形状

a）带平底的锥形凸模 b）尖顶锥凸模 c）平底凸模

3.带平底的锥形凸模成形部分的设计

带平底的锥形凸模成形部分尺寸代号如图5-25所示，各部分尺寸在设计计算时，可按表5-5确定。

图5-24 有色金属反挤压凸模的形状

图5-25 带平底的锥形凸模成形部分尺寸代号

表5-5 反挤压凸模成形部分尺寸的设计计算表 （单位：mm）

4.防止凸模失稳的措施

当凸模的实际长度l与直径d₁之比较大时，凸模会失去稳定而产生纵向弯曲。因此，应采用预防失稳的措施。

对于反挤压纯铝来说，当l/d₁＞3时，为了增加纵向稳定性，凸模的工作端面一般不要研磨，保持表面粗糙度Ra为0.8μm即可。为了加大端表面的摩擦阻力，也可在凸模工作端面上加工出如图5-26所示的工艺凹槽。凸模借助于工艺凹槽在刚开始挤压的瞬间就将毛坯咬住，使凸模的稳定性得到改善。工艺凹槽必须对称于凸模中心，其目的是使凸模在工作过程中保持良好的同轴度，否则会在挤压时发生偏移而使凸模折断。工艺凹槽的槽宽一般取0.3～0.8mm，深度取0.3～0.6mm；工艺凹槽尖顶处应用圆弧相连。

钢铁材料反挤压由于单位挤压力很大，工作端面不允许开出工艺凹槽，否则就会在凹槽处因应力集中而开裂。当反挤压钢铁材料的凸模长径比l/d₁＞2时，可将凸模工作部分以上的直径加大，并铣出三条凹槽，如图5-27所示。这样一来，卸件板便在这三点上将套在凸模上的挤压件卸下。这种结构既增加了凸模的有效长度，降低凸模总长度，增加纵向稳定性，又保证了卸件板有足够的厚度。

图5-26 反挤压凸模工作端面的工艺凹槽

图5-27 在凸模上铣出三条凹槽

5.4.2 反挤压凹模设计

反挤压凹模一般由成形和顶出两部分构成。当有导向装置时，应由导向、成形和顶出三部分构成，如图5-28所示。

1.设计时应注意的问题

1）反挤压凹模工作时内壁承受着较大的单位压力，特别是反挤压钢铁材料时工作内压高达2000MPa。因此，为了提高凹模的强度，一般皆应采用组合式凹模。

2）工作内压力主要作用在凹模的成形部分。因此，加强圈的设计应特别注意加强成形部分。

3）加强圈与内层凹模下底面不应在同一平面上，而应略低于内层凹模。即在模具装配时，应保证组合凹模中的内层凹模下底面与下底板接触面紧密配合，不留间隙；而加强圈与下底板应留出一定的间隙，间隙值一般不小于0.1mm。

4）组合凹模外径与内径之比一般取4～6，超过10以上已无显著加强效果。

5）过渡圆角处应设计足够大的圆角半径，以防止应力集中而开裂，对于应力集中特大的尖角处，应采用分割式凹模。

图5-28 反挤压凹模的典型形式

A—导向部分 B—成形部分 C—顶出部分

2.反挤压凹模的形状

反挤压凹模的形状除了图5-28所示的以外，还有如图5-29所示的六种。

图5-29 反挤压凹模的结构形状

图5-29a、b、c、d所示四种凹模主要用于不需要顶件的反挤压，常用于反挤压有色金属薄壁杯形件。其中，图5-29a、b所示凹模为整体式凹模。图5-29a所示凹模的特点是结构简单，制造方便，但在转角半径R处易开裂下沉，模具使用寿命较短，适宜于批量不大的有色金属反挤压。图5-29b所示凹模的特点是转角处采用25°斜角过渡，有利于金属流动，其寿命比图5-29a所示凹模长。图5-29c、d所示凹模为分割式凹模，寿命比整体式凹模长，因此应用较广。图5-29c所示凹模为纵向分割式反挤压凹模，采用过盈量较大的配合，可以不产生毛刺；图5-29d所示凹模为横向分割式凹模，为了避免被挤金属材料流入上下分块的拼合面处，拼合面宽度应尽量取小一些，一般不宜超过3mm，拼合面应仔细研磨，表面粗糙度Ra不大于0.1μm，其余部分留出大于0.2mm的空隙。此外，上下分块要求较高的制造精度，其同轴度不应大于该处公差的1/4～1/3。图5-29e、f及图5-28皆带有顶出装置，适用于钢铁材料的反挤压。其中图5-29e适用于挤压件底部外形呈尖角的反挤压。图5-29f适用于挤压件底部呈大圆角的反挤压。它的顶杆高出的部分正好抵消工作时的弹性变形量。图5-28适用于薄底杯形件的反挤压。这种零件挤压到最后阶段时，单位挤压力会急剧升高，顶杆的弹性变形较大。为了使顶杆受压缩后，正好与凹模下底面位于同一平面上，顶杆与凹模接触面无缝隙，以防产生纵向毛刺，顶杆应略高于凹模型腔底面一微小高度δ=R（R为凹模型腔转角处圆角半径）。

图5-30 反挤压凹模各部分尺寸代号

注：D—凹模型腔内径，等于挤压件外径；D₂—顶件部分内腔直径；D₂=d₁，d₁为顶出杆直径（见图5-31）；D₁—凹模外径。

3.反挤压凹模各部分尺寸的设计计算

反挤压凹模各部分尺寸代号如图5-30所示。

凹模型腔高度为

H₂=h₀+h+r+（2～4）mm

式中 h₀——毛坯的高度；

r——凹模入口处圆角半径，一般取2～3mm；

h——凸模工作带高度。

顶件部分高度H₁：当D=2D₂时，H₁=2D₂；D=1.5D₂时，H₁=D₂。

总高度为：H=H₁+H₂≥2.5H₂。

过渡处圆角半径R取0.5～2.0mm。

5.4.3 顶出杆设计

顶出杆的标准形状及尺寸代号如图5-31所示。

顶出杆和凸模、凹模一样，承受着较大的单位压力。因此，设计时应注意如下问题。

图5-31 反挤压模具的顶出杆

1）顶出杆直径d₁与凹模工作带的直径为基孔制间隙配合或。

2）顶出杆端表面承受高压时，中心处单位压力最大。为了抵消单位压力造成的弹性变形量和保证挤压件底面得到平整的端表面，顶出杆端表面不能做成平面，而应做成圆锥面，中心处高度Δ取0.03～0.1mm。

3）为了防止顶出杆因弹性变形而产生的横向加粗与凹模内孔表面相碰，顶出杆在与凹模工作带配合的配合面以下部分应设有一定的退让量；双边取0.5～1.0mm，即d₂=d₁-（0.5～1.0）mm；顶出杆与凹模工作带配合部分的高度h′取5～10mm。

5.4.4 底面向上空心件的正挤压模具设计

底面向上空心件正挤压任意瞬间工作情况，如图5-32所示。在挤压过程中，空心件顶部不能与顶出套相碰，否则会损坏模具、设备，甚至发生人身事故。

1.凸模的设计计算

底面向上空心件正挤压凸模如图5-33所示。设计时应注意的问题与反挤压凸模相同。

图5-32 底面向上空心件正挤压任意瞬间工作情况

1—凸模 2—凹模 3—挤压件 4—反向凸模 5—顶出套 6—底板

图5-33 底面向上空心件正挤压凸模

1—压力板 2—凸模 3—凸模固定圈

凸模工作部分直径d的名义尺寸等于凹模内径D，见图5-34，相互配合关系为基孔制间隙配合或。

图5-3 4底面向上空心件正挤压凹模

A—容料部分 B—成形部分 C—矫直部分

为了使挤压件底面得到平整的端表面，凸模端面应做成中心略高的锥形，锥高Δ=0.5～1mm。

为防止凸模因弹性变形而卡死，工作部分高度以上应做出一定的退让量，其值双边为（0.04～0.08）d，即d₁=［1-（0.04～0.08）］d。

倒斜度：β=3°～5°。

所有过渡处圆角半径：R≥0.2mm。

2.凹模的设计计算

底面向上空心件正挤压凹模的典型形状如图5-34所示，一般由容料、成形、矫直等三部分组成。设计时应注意的问题与反挤压凹模相同。各部分尺寸的具体设计计算分述于下。

凹模型腔的内径D₀一般取等于毛坯的直径d₀。

凹模锥角α的选取应综合考虑单位挤压力及机加工余量等因素，以取α=90°～150°为宜，α=120°最常用。

工作带直径：D=空心件外径d₁。

工作带高度h不宜过大，以防材料粘模。对于挤压件材料为钢铁材料时，h=2～3mm；对于挤压件材料为有色金属时，h=1.0～2.0mm。工作带以下应留有退让量，其值双边为0.2～0.4mm，即D₂=D+（0.2～0.4）mm。斜度：β=3°～5°。

凹模内腔直壁向锥面过渡处的圆角半径：R=3～5mm。

锥面向工作带过渡处的圆角半径：r₂=0.5～2mm。

容料部分高度为H₁=h₀+r₁+（5～10）mm

式中 h₀——毛坯高度；

r₁——凹模入口处圆角半径，一般取2～4mm。

成形部分高度：H₂=（1.0～1.2）D。

矫直部分高度：H₃=（1.0～1.5）D，直径D₁=D。

总高度：H=H₁+H₂+H₃。

3.反向凸模的设计计算

反向凸模的典型结构如图5-35所示。由图5-32可知，底面向上空心件的正挤压实质上是一种倒置的反挤压，反向凸模的作用与反挤压凸模相同。因此，设计时应考虑的问题、成形部分的设计计算完全与反挤压凸模相同。

4.筒式顶件套的设计

筒式顶件套的装配图如图5-36所示，筒式顶件套的内径等于反向凸模工作带的直径，其配合关系为基孔制间隙配合或。筒式顶件套的外径应略小于凹模工作带的直径，装配后应留有0.20mm以上的间隙。顶件套底面与轴心线的垂直度误差不得超过0.1mm。

图5-35 反向凸模

图5-36 筒式顶件套

5.4.5 实心件或口部向上空心件的正挤压模具设计

正挤压实心件和口部向上空心件（简称正挤空心件）是应用最广的正挤压法。

1.凸模的设计计算

（1）凸模的形状 正挤压实心件和空心件的凸模形状主要有如图5-37所示的五种。图5-37a所示凸模用于正挤压实心件，结构简单，制造方便。图5-37b、c、d、e所示凸模用于正挤压空心件。其中，图5-37b所示凸模为整体式结构，芯棒与凸模做成一体，结构简单，便于制造，但在冷挤压过程中，由于向下流动的金属紧贴芯棒，企图拉着芯棒一起向下运动，该运动受到芯棒上端肩部的限制，从而使芯棒受一个很大的拉力，极易将芯棒拉断；而且在凸模回程时，金属紧抱芯棒，挤压件很难从芯棒上脱下。因此这种凸模结构仅适用于相对孔径较大的杯形件。图5-37c、d、e所示凸模为组合式凸模。其中，图5-37c所示凸模的芯棒与凸模内孔之间采用基孔制过渡配合，无相对滑动。此时，芯棒易被拉断。因此，这种结构仅适用于相对孔径较大，被挤压材料硬度较低和摩擦因数较小的情况下。图5-37d所示组合式凸模的凸模内孔与芯棒采用基孔制间隙配合。在挤压过程中，芯棒可随变形金属向下移动一段距离，从而改善了芯棒的受拉情况，使芯棒不易被拉断。这种结构主要用于钢铁材料空心件正挤压。图5-37e所示组合式凸模是在芯棒上部放置一弹簧，这就可以克服更大的拉力，但由于在凸模固定端需要留出放置弹簧的位置，势必减小凸模的承压面积。因此，这种结构仅在被挤材料硬度和摩擦力都比较大的情况下才采用。

图5-37 正挤压凸模的基本形式

（2）凸模各部分尺寸的设计计算 现以图5-37e所示组合式凸模为例，其他凸模可参照进行。

d₂等于挤压件内孔直径；有时为了降低内孔表面粗糙度和提高材料的塑性，可比挤压件内孔直径略大一点，其值一般为φ0.01～φ0.05mm。

d₀等于挤压件头部直径，一般也等于挤压凹模腔内径D₀；与凹模内腔的配合关系为基孔制间隙配合或。

h₁=0.7d₂；d=（1.8～2.0）d₀；d₃=（1.2～1.3）d₀；d₁=d₂+5mm；l₁=毛坯高度+凹模工作带高度，如果挤压通孔毛坯，则l₁应大于空心毛坯高度；l₂=挤压工作行程+卸件板厚度+10mm；R₁=（0.1～0.2）d₀，其他处R≥0.2mm。

为了减小芯棒在挤压过程中的拉应力及便于卸件，芯棒工作端可加工成10′～30′的斜度，如结构允许，最大可增至5°。

2.凹模的设计计算

（1）凹模的结构形状 正挤压凹模的结构形状主要有如图5-38所示的五种。图5-38a所示凹模为整体式凹模，应用较广，但往往由于强度不够，易产生开裂。图5-38b、c、d、e所示凹模为分割式凹模。其中，图5-38b、c所示凹模为纵向分割式凹模，最内层小凹模与挤压筒之间采用过盈配合，过盈量一般应大于0.02mm。图5-38c所示凹模的挤压筒末端10mm处加工成5°锥度，目的在于使小凹模易于压入挤压筒内。图5-38d、e所示凹模为横向分割式凹模，加工时应严格保证上半块凹模与下半块凹模的同轴度，否则会影响挤压件质量及模具寿命。为防止在挤压过程中，金属材料流入接缝，拼合面的宽度不宜超过3mm，一般以等于1～3mm为宜，在拼合面处将其中一块加工成大于1°的锥角，以防相碰，拼合面要进行抛光加工，加工得越光越好。

图5-38 正挤压凹模的基本形式

正挤压细长零件时，为了矫直挤压件，在凹模下面最好再加导向套，如图5-39所示。

图5-39 导向套

a）用于钢铁材料挤压件 b）用于铝制挤压件

（2）凹模各部分尺寸的设计计算 正挤压实心件或正挤压空心件凹模各部分尺寸的设计计算如表5-6所示，表中代号见图5-39。

表5-6 正挤压凹模各部分尺寸的设计计算表

注：d₀—毛坯直径；h₀—毛坯高度。

5.4.6 制造尺寸及公差计算

凸模与凹模的结构尺寸计算出来以后，还必须确定凸模与凹模的制造尺寸与公差，以便于标注在图样上，供加工制造与检验使用。

关于冷挤压凸、凹模的制造尺寸及公差，可参照表5-7确定。

表5-7 冷挤压凸、凹模制造尺寸及公差计算式

注：D、d—零件公称直径；D_d—凹模直径；d_P—凸模直径；Δ—零件公差；t—零件壁部厚度；δ_d—凹模制造公差；δ_p—凸模制造公差。