7.6 温挤压模具

温挤压模具的设计基本上可参照前面所述冷挤压模具的设计方法，此处不再重述。

7.6.1 模具材料的要求及选用

温挤压模具在材料成形过程中，要经受高压及变形热的作用，最大单位挤压力高达2000～2500MPa，连续生产时模具温度可达300～500℃或更高。因此，对用于温挤压的模具材料要求如下所述。

1）模具在温升后，模具材料的屈服强度应高于挤压时作用在模具上的单位挤压力。

2）模具材料除具有高强度、高硬度、一定的韧性以外，还应具有高的热硬性、高温耐磨性及耐热疲劳性。

3）模具材料的热膨胀率要小，热导率要大，比热容也要大。

4）制造工艺性好，有利于热锻、热处理及切削加工等。

目前完全适合温挤压的模具材料还没有，但可以根据条件在冷挤压模具钢和热锻模具钢中选择，见表7-8。

表7-8 温挤压模具工作部分材料

根据温挤压时的加工温度不同，模具材料的选择如下所述。

1）在200～400℃范围内温挤压时，可采用冷挤压用模具材料，如Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

2）在400～500℃范围内温挤压时，宜采用热锻模具钢，如5CrNiMo、3Cr2W8V等。

3）在500℃以上温挤压时，宜采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo6Cr4V2等。

7.6.2 模具结构

温挤压成形用的模具，要能承受温挤压成形时引起的较大轴向压力和径向压力，要求其强度高，刚度和精度都能适用各种成形工序的要求，尤其是模架，要通用性好，便于安装、调整与更换。但实际上，由于压力机类型、规格和变形方式的不同，模具结构也各种各样，且有所差异。目前较典型的温挤压模具结构如图7-19所示。模具的安装方式和工作部分（凸、凹模）的同轴度，是影响挤压件精度与模具寿命的重要因素。凸模固定圈8通过销钉7和螺钉12固定在上模板6上，凸模垫板9可以分散凸模10在成形时的轴向压力，使凸模垫板的面压控制在凸模成形压力的1/4～1/3，即500～700MPa，据此来决定凸模垫板内外径尺寸与厚度大小。凸模10用锥形紧固圈11靠一定锥面定位与紧固圈13固定在上模板6上。为了保证凸模10与凹模16的同轴度，凸模锥形紧固圈11和固定圈8之间的配合精度以H7/h6为宜。同样凹模下模座23用螺钉24固定在下模板25上，为了保证凸、凹模的同轴度，组合凹模16、17、19通过弯月形板20和调节螺钉18进行调整。凹模上端部用压板2压紧，当凸模尺寸改变时，可通过换装凸模锥形紧固圈将其固定。挤压方式的变化、零件长度的变化，需考虑到凹模厚度、凸模长度和卸件的必要长度等，可适当改换垫块22、垫板26、顶出杆27、顶出器21等。对不同尺寸的挤压件，当挤压后附着在凸模上时，则可利用卸料板5和卸料环14把挤压件从凸模上卸下来。对半封闭挤压和外缘翻边，在凸模内有芯子挤压时，为使挤压件从凸模上卸下，在凸模方面也应安装退料杆，通过压力机滑块上的顶出装置，把挤压件退出，上模板的中心孔就是安装退料杆和加工时定位需要的。尤其是对多工位自动送料装置的连续生产时，如果不安装上退出装置，就有可能使前后两个挤压件碰撞而损坏模具，甚至损坏压力机，这是必须注意的。为了保证上下模工作时具有良好的导向，温挤压模具多采用导柱导套结构形式，导套3压入上模板6，导柱1压入下模板25，压下深度都不小于（1.5～2.0）d。导柱导套配合用H7/h7动配合，导柱根数取2～4根为好。

在生产批量小时，可以采用与冷挤压相同的模具结构。但是在开始温挤压之前应使用喷灯或在模具工作部分放上烧红的钢块进行预热，使模具工作部分具有约150～300℃的温度。

图7-20所示温挤压模具结构中的凹模使用单独加热器预热。预热器除了预热以外，还可保证凹模温度稳定在一定范围以内，与其他方法相比，对生产起到较好的作用。

但是生产批量大时，必须在温挤压模具结构上设计冷却系统。

图7-21所示为带有冷却系统的温挤压模具结构。上模板1与下垫板14通过导柱7和导套8导向连接。为了保证凸模4和凹模10具有较高的同轴度，配置了凸模垫块3和凹模支撑圈11。为使挤压后工件从凹模中顶出，可通过顶料杆13、顶杆15和下顶杆16进行顶出。把停留在凸模上的挤压件卸下，是通过卸料板9和镶块5实现的。温挤压时由于热毛坯的热传导凹模温度会升高，可用冷却水通过凹模支撑圈11和固定外套12之间的空隙流过。凸模的冷却，可用压缩空气通过压紧螺母6中的通道流过来实现。这样可以保证温挤压模具工作部分在较稳定的温度范围内工作。

图7-19 典型的温挤压模具结构

1—导柱 2—压板 3—导套 4—弹簧 5—卸料板 6—上模板 7—销钉 8—固定圈 9—凸模垫板 10—凸模 11—锥形紧固圈 12、24—螺钉 13—紧固圈 14—卸料环 15—卸料螺栓 16—凹模 17—组合凹模中圈 18—调节螺钉 19—组合凹模外圈 20—弯月形板 21—顶出器 22—垫块 23—下模座 25—下模板 26—垫板 27—顶出杆

图7-20 温挤压（正挤压）模具结构

1—凸模紧固圈 2—定位压紧圈 3—导套 4—凸模 5—凹模 6—加热器 7—导柱 8—垫板 9—顶杆 10—下模板

图7-21 带有冷却系统的温挤压模具结构

1—上模板 2—螺钉 3—凸模垫块 4—凸模 5—镶块 6—压紧螺母 7—导柱 8—导套 9—卸料板 10—凹模 11—凹模支撑圈 12—固定外套 13—顶料杆 14—下垫板 15—顶杆 16—下顶杆

图7-22所示为凹模布置在上面的温挤压模具，它常应用于不带下顶出的压力机上。凹模8与上退杆7通过上压圈6固定在上模板3上，凸模9用下压圈15通过锁紧圈14和凸模固定圈18固定在下模板19上。将温挤压后的工件从凹模中推出，可用顶杆5与上退杆7完成。从凸模上卸下工件用卸料板13完成。

7.6.3 凸模与凹模设计

温挤压成形时，正挤压凹模如图7-23所示。考虑到成形时的压力会引起凹模内径弹性变形增大、磨损，温度上升引起膨胀，以及变形后工件的冷却收缩等。设计的正挤压凹模内径D应比挤压件外径稍大。这可根据挤压零件尺寸、变形温度和变形量等加工条件不同而有所不同。一般情况下，凹模内径比挤压件外径大0.6%～1.0%。正挤压凹模锥角部分与工作带部分的圆角半径r，根据温度的高低取r=1～4mm（当挤压温度高时，取较大值）；工作带长度h₁取3～5mm。这些值一般比冷挤压时稍大。D₂比d₁大0.2～0.4mm。

反挤压凸模的设计一般如图7-24所示。其工作带高度s取3～5mm，其值比冷挤压时稍大。直径d比d₀值大0.6～1.2mm，其值也比冷挤压时稍大。为了有利于金属流动，尽量使凸模端面应有一段斜面，其斜度取5°～10°为好。圆角部分R与R′，在满足零件要求的前提下，应尽可能大些。一般不能取1mm以下，例如可取2～3mm。凸模长度与直径的比，在单位挤压力大时，应不大于2.5～3（对于钢），以增加其稳性。

图7-22 凹模布置在上面的温挤压模具结构

1—导柱 2—导套 3—上模板 4—模柄 5—顶杆 6—上压圈 7—上退杆 8—凹模 9—凸模 10—螺钉 11—小导柱 12—小导套 13—卸料板 14—锁紧圈 15—下压圈 16—弹簧 17—垫块 18—凸模固定圈 19—下模板

图7-23 正挤压凹模

图7-24 反挤压凸模

凸凹模工作部分的表面粗糙度值应尽量低些，一般应取Ra=0.1μm以下。转角均应光滑过渡。反挤压凸模的非工作部分表面粗糙度值Ra一般也不应高于0.8μm。

7.6.4 组合凹模

与冷挤压时一样，一般需用组合凹模。组合凹模的设计基本上与冷挤压相同。但在温挤压过程中，由于内层凹模的温度比外层预应力圈的温度高得多，形成较大的温度梯度，使内层凹模产生的热膨胀值大于预应力圈的热膨胀值，使过盈量变大，因此，需予以修正。其修正量Δδ的计算与冷挤压时考虑凹模温度上升时的修正量计算相同。在室温压合时的径向过盈量缩小，温挤压开始时，为了防止预应力不足而引起模具破坏，应将温挤压凹模进行预热。

7.6.5 模具的冷却

温挤压温度在500～600℃以上连续工作时，模具硬度会急剧下降，强度也会显著降低，从而缩短了模具的使用寿命。如能使模具的工作温度保持在200℃左右，就可以进行连续生产而不失去原有的性能。

在小量生产时，可以在每次温挤压以后，用压缩空气冷却凸、凹模等工作部分，并增加每次温挤压工序之间的间隔时间。

在大量生产时，必须采用专门措施来冷却模具。对模具进行冷却的方法如下所述。

图7-25 沿着凸模流放的润滑剂

a）凸模在低温时 b）凸模在高温时

1）在压力机连续生产时，不是每一次行程都进料，而是隔一次行程送一个毛坯，这样就可以有充分的时间使模具冷却。

2）在模具内开孔加强模内冷却。用泵将压力为0.12～0.14MPa的润滑剂打进模具内的孔道进行流放以冷却凸模，而向凹模吹进压力为0.4～0.5MPa的压缩空气以冷却凹模和顶件器。

3）对模具进行喷雾冷却。由于温挤压过程中，凸模温度升高，如仅利用模具内的开孔流放冷却润滑剂，则因水分蒸发很快，润滑剂流不到凸模的下端（见图7-25）。因此，当压力机滑块回到上死点附近时，还要用喷嘴对凸凹模进行喷雾冷却。

上述三种方法通常是联合使用的。