中华人民共和国机械行业标准

冷挤压预应力组合凹模

设计计算图

JB/T 5112一91

1 主题内容与适用范围

本标准规定了冷挤压预应力组合凹模设计计算图。

本标准适用于设计冷挤压预应力组合模

2 结构和设计

凹模内圈是挤压模具的工作部分，它接纳毛坯件并成形工件的外部形状。根据实际提出的各种要

求，凹模内圈可以做成不同形式。图1表示凹模内圈4种构成。

a 实心件正挤压

b 杯形件反挤压

图1 凹模构成

1-凹模内圈，2一凹模内圈，上部分，3一凹模内圈，下部分;4--凹模垫块;5-预应力圈; 6一凹模内圈内径

7一凹模内圈人口圆角半径;8--凹模内圈人口锥面泪一密封锥面;1。一凹模底部人口口角半径，

11一凹模锥角;12一凹模底部出口圆角半径;13一凹模成形工作带;14-出日直径:

15一非磨削圆角半径，16-非磨削部分;17一非磨削锥面

2.1 凹模内圈和预应力圈的设计

中华人民共和国机械电子工业部1991一07一15批准 1992一07一01实施

111

JB/T 5们 2- - 91

2.1.1 变形力

变形力主要取决于工件材料的流动应力、上件变形程度、加工时温度、变形速度、变形方法的类型、

凹模内圈的几何形状、坯件的几何形状、润滑和外摩擦

2.1.2 凹模内圈的结构和预应力圈

挤压凹模一般要承受很高的负载。所以挤压凹模常常做成凹模内圈通过 个或两个预应力圈来预

紧的组合形式

2.1.3 材料的选择

凹模内圈和预应力圈材料的选抒。除应考虑强度和磨损性能等问题外、经济观点也很重要。

2.2 挤压凹模典型结构

挤压凹模典型结构列于表认

表t 挤压凹模典型结构

类 型

横向分割型

反挤压凹模

纵向分割型

反挤帐I'9模

横向 纵向分割

型反挤压凹模

gv V} }1，一丰一一 f#1 5 * bE}1} kA, I }dh 卜fa用上‘压需用挤压力F,14的fH,R}CJFfLI&A的薄’"纂-丫 =)C1 5TCe:T}s51c3>TRAXT11.4fRWAAM协之铁书赚丈\,}} }当挤压好的土件留在凹模内m时·能用凹模垫块“’把

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正挤压凹模

主要用于单位挤压刀不特别高时。如常用冷挤压钢相对

断面减缩率￡F蕊弓6叮时

凹换底部入u圆角半径尽,}f能人

凹模钳角Za应右:90,- 1 sv“之问

凹模底部出口圆角平径应很小，常以出口直径来选择

根据出目直径，凹模土_作带高度应为2一qnlm，非磨削部

分应大于出口百径及其允i}的磨损量之和

纵向分割型

正挤压凹模

用 r常用冷挤压钢相对断面减缩率 拜二66%时或因挤

压件的形状要求有较大的凹模锥角‘如。>生5。)时

I"I模内圈镶块(k)通过其白径的 。2 一0. 4%的热压

配合量来预紧

112

JB/T 5112一91

续表 1

特

一

与

~

用

一

应

一

类 型

横向分割型

正挤压凹模

常用于相对断面减缩率高、变形力很高或工件材料的真

实应力较高的情况 下

2.3 预应力圈的应力和尺寸计算

2.3.1 一般要求

挤压凹模必须承受在成形时形成的应力。首先是承受作用在内壁 卜的高的内压力。然而，在内孔高

度范围内，内压力并非常数 确切地说，内压力集中在工件所处的内孔区域内。因此，在成形过程中，无

论是内压力还是压力空间高度都要发生变化。

为了计算应力，必须把假设简化为:

静负荷:

在整个内孔上分布均匀的内压力;

在装配之前无内应力。

若把凹模视为厚壁空心圆筒，根据这些假设就可以进行计算。在不考虑轴向应力的情况下，对承受

内压力作用的单层厚壁空心圆筒，可得到切向应力a,和径向应力a,，如图2所小

-9. 5

图2 在内压力作用下，厚壁空心圆筒中的理论应力曲线

其最大的主应力差a,= ;a,{十(a, I，因为a,和。有不同的符号，故在孔壁上它的数值达到最大。若

按Tresca剪应力假说)屈服条件，为了避免塑性变形，则其等效应力。、就不得大于模具钢的屈服极限。

在单层厚壁空心圆筒的内壁上，应力叮，和。几乎是同样大的，并看作是内压力值。如果圆筒为无限

厚的，则内压力不得大干模具钢的屈服极限的一半。亦即，当钢的屈服极限as为2 000 N/mm 时，内压

力P不得超过1 000 N/mm'. 为了挤压凹模能在较高的内压力下工作，就必须考虑不受力的状态下其内壁上能有切向预压应力，

使得在内压应力作用下产生少于无预压应力时的切向拉应力。这样的预应力是通过 一个或多个预应力

圈由过盈配合得到的口

2.3.2 挤压时内压力的大小

为了计算应力，必须采用的内压力大小，取决于成形时的挤压力，即凸模单位压力P.

当相对断面减缩率e,>30%，在杯形件反挤压时，挤压凹模内壁上的径向压力大约与凹模垫块的压

力相等。依图3中所示的符号可得出:

113

Js/T 5112--91

p ---Pu=Er.p (1)

凸模

凹!dF

1.1模塾块

图早 模具卜的压力

户 凸模单位压力;、一工('f底邻压力;j.一内压力

该前提也适用于实心件和空心件的挤压，其内压力很容易从变形力亦即凸模力凡.、除以原毛坯横

截面面积几。得到，即

I' ,.,

p.一瓦···⋯⋯ (2)

2.3.3 设计参考值

片d,d. 1 1 」 .d门

龚羹\\

_鑫Il裴龚图沈 加双层预应力圈的四模

图n中列出的有关名称的参考数值列于表2中，可用做粗略的估计

表2 预应力圈设计参考值

内压力户

N1- 2 一卢整哩“臀要求的直径比

乃了d

F 合肖径

d .d

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>t 60(卜 z6000010土_:过盈尺寸(压缩量)d或d的0. 2'<一。

2. 3.4 单层和双层预应力圈计算

依照2，31所述的假设前提.就能找到应用预应力圈的最佳尺·j。‘·最佳”尺寸应该是能承受一定压

力所具有的最小尺寸。亦即，让每一个圈在它所受的压户，下达到它的极限负荷

这时，必须区别过盈配合的两种形式。一种形式允许在凹模内壁 卜出现切向拉应力，另一种则不允

许在凹模内圈内壁上出现切向拉应力。

对十钢质的凹模内圈计算如下:

已知参数:

p} 内压力 N lmma

Qsr 凹模内圈的属服极限 N /mm'

6.? 第一个预应力圈的屈服极限 N"rrtma

Q.a 第三个预应力圈的屈服极限 Nmm

d 凹模内圈的内径 mm

E 弹性模量(假设所有过盈配合件都相同) kNmm=

P. 相对内压应力 p,-' p,!a.i

JB/T 5112一91

m

即

功

m

m

m

K�K= 屈服极限比 K,-a.,/Qaz

Kz=oa/asa

所求参数:

d, 第一个结合面直径

d, 第二个结合面直径

D 最外部直径

Z, 第一个结合面的过盈尺寸

2。 第一个结合面的过盈尺寸

2.3-4.1 允许a模内圈承受切向拉应力

预应力圈的直径和理论过盈量可用式(3)确定:

a. 单层预应力圈

d, =d /QI

(5)

(6)

2,=

D=d/Q⋯⋯

d,-,} ，1 _、‘台二(- -创宝) 乙 」、1

:::

式中: Ql=捞 (1+K )一ps ...Q:一Q，,1K, Q一QQ，”’

b. 双层预应力圈

d,---d/Q:

dz=di/Qz

D=d/Q

:;: (9)

(10)

(11)

。 成a., , 2p+牙一1,乙.一 一六二-\一-丁--，二二芯芍丁-少

乙 1 -以,以i(12)

d氏，.1 _、=一几;‘仁于，一以扫 ⋯ ’

乃 J、2又13)

式中: Ql一，{粤(1十咨十去一2p 丫 J ，、. 」、,

(14)

(15)

Q=QIQ，Q:·························⋯⋯ :{:: 用上述公式计算的单层预应力圈的结果以图形示于图5中。屈服极限比K,=1. 2的双层预应力圈

的结果示于图6，依法可以作出K,为其他数值的相应图形

对于双层预应力圈必须验算，凹模内圈以过盈配合安装在一起时，是否预压应力过大。如果P，值为

0.95-1时，必须检验P是否小于1-Q，否则，由于凹模内圈不允许有高的预应力，就必须用较大的

K,或K:的值进行计算

应用举例:

已知值: 。=2 000 N/mm' a,2=1 400 N/mm'

p,=1 400 N/mm' d=25 mm E=210 kN/mm'

计算得:P,=0.7 K一1.43

以P,与K，作为自变量和变化参数，在图中查得对应的直径比及过盈量导值并计算之。

115

Js/'r 5112一91

即可得:

d,一

D一

21=

.6X25=65 mm

.7义25=142. 5 mm

6.8X25X2000X10-二340 km

以下诸图用法相同。

42 不允许凹模内圈承受切向拉应力

直径和理论过盈量可用下面的公式来确定

a. 单层预应力圈

d, =dlQ

D=d lQ ::::21一d,?-,p,}11Q、

乙 1 -62,,(20)

tit, =N, 2 ( K, p,卜1 (21)

Q二Q,甲K,p

Q-QQ, ::::b. 双层预应力圈

d, =dlQl

d2=d/Q:

D =dlQ

(24)

(25)

(26)

21=d,a�p,( 11qE (I -Q-"Q)d,-�( 1F (K,一p,Q")

(27)

Z2- (28)

象

中

中

2

式

式

Q，一"} 3 (K,p,+K]p,一‘ (29)

Q，一Q:VK,p···································，·····⋯⋯ (30)

Q3二Q:N K_p.·，········································⋯⋯ (31)

Q=QQ:Q:············································⋯⋯ (32)

用上述公式计算的单层预应力圈的结果以图形示于图7中，屈服极限比K,=1.2的双层顶应力圈

的结果示十图8，同样可作出K:为其他数值的相应图形。

这里也必须检验应力是否过大。要不出现超负荷，若p=值为。.89-1，则:

p,G<1一Q,)/(14-0，)·······，····························⋯⋯ (33)

2.3. 5 加工精度对过盈量的影响

理论上的过盈量，在实际加I-中是不能够准确地得到的。因此，在一般的制造精度中要求凹模装配

中的实际过盈量与计算过盈量之差小于计算过盈量的10 。如果实际过盈量小于计算量，则预应力圈

能承受较少的内应力，由于凹模内圈没有过高的预应力，致使提前出现流动变形。另一方面，当实际过盈

量比计算量大时，预应力圈上就可能提前达到屈服极限，所以，加工的公差带应尽可能的窄 推荐直径公

差为IT6级

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3 材料的选择

3门 凹模内圈用钢

一般说来，韧性和强度应尽可能高 对所有淬透的模具钢中，包括高速钢在内，在室温时的加压屈服

极限主要是与硬度和显微组织有关。此外必须了解凹模内圈用的钢对温度升高有何反应。工作时，局部

温度能达到200℃或者更高，特别是大批量多工位挤压生产。若热处理没有选择足够高的回火温度，则

会导致硬度值下降

在大多数情况下，凹模内圈推荐使用的钢种有W6M必Cr4VZ和Cr12MoV。

硬质合金也可以用做凹模内圈。但选用时必须认真地考虑其优缺点，简要的说，其优点:耐磨强度很

高，抗压极限和刚性很高;缺点 韧性低，抗拉强度低，应力集中敏感性高，价格高。

因此，只有在大批量生产，制件公差很窄时 才使用硬质合金模具

若选用硬质合金模具，就要选择最合适的品种，在大多数情况下，推荐含钻25%一30%的最软硬质

合金(950一750HV)口

如果要求较高的耐磨强度，可选用含钻19肠~24%的较硬的品种(1o5。一95oHV)但只有在应力比

较低的凹模内圈中才能轴向或纵向分割。冷挤压模具几乎不使用低于含钻19%的较硬的品种。

3.2 预应力圈用钢

32.1 预应力圈用钢的选择与所希望的圈的强度、形状、材料和热处理等有关。同样淬透性也很重要，

因为要求的机械性能必须在预应力圈的整个截面上是均匀的。

用于一般要求的推荐钢种以及选择预应力圈的主要参数见表3

表3 用于预应力圈的钢种

要求的强度

口。艺

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直径”

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一硬 度

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206

206

204

1)对于方形和矩形截面可用等效直径。

3.22 等效截面为正方形或矩形的钢材横截面转换成在油中淬火具有同样淬透性的等效圆截面的直

径，如图9所示

在个别情况下，需要选用的其他钢种，本标准中不作为推荐钢种口

121

JB/'e 5112--91

等效直径

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图9 正方形和矩形钢材横截面转换成在油中淬火

具有同样淬透性的圆截面积的等效直径

附加说明:

本标准由机械电子工业部北京机电研究所提出并归口。

本标准由机械电子工业部北京机电研究所负责起草

本标准起草人武榕、刘蓓令、张蕾