冷挤压组合凹模的设计计算方法

预应力组合凹模是冷挤压模具设计的关键问题之一。如果这个问题解决不好，往往在高的单位挤压力作用下，发生凹模的切向开裂。

冷挤压凹模按施加预应力的情况进行分类，可分为整体式凹模、二层组合凹模和三层组合凹模（见图5-1-78）。组合式预应力凹模的主要优点是在相同凹模外形尺寸条件下，其强度比整体式凹模大得多。对一定尺寸的组合凹模进行强度分析后可以得知：两层组合凹模的强度可以达到整体式凹模的1.3倍，三层组合凹模的强度可以达到整体式凹模的1.8倍。

图5-1-78 冷挤压凹模的三种结构型式

a）整体式凹模 b）两层组合凹模 c）三层组合凹模

组合凹模的优点是：

1）提高了凹模强度。

2）使凹模圈的尺寸减小，凹模圈采用高合金工具钢、高速工具钢、硬质合金等制造，而预应力圈可采用中碳钢制造。

3）由于凹模圈尺寸减小，热处理容易，提高了模具热处理质量。

4）当凹模圈损坏后仅需调换其内圈，不必整副凹模报废。

应当指出，预应力组合凹模也存在一定缺点：如层数越多，加工面越多，各层结合面的加工要求较高，加工压合工艺要求高等，为此一般只推荐至三层组合凹模。

在实际使用多层组合凹模时，必须综合解决以下三个具体问题：

1）在具体冷挤压工艺设计的条件下，根据冷挤压单位压力的大小决定采用整体式、二层式或三层式凹模。

2）在已知凹模内腔孔径d₁的条件下，决定各层凹模的直径d₂、d₃和d₄。

3）决定各层凹模径向（双向）过盈U与轴向压合量c（见图5-1-78）。

（一）组合凹模结构型式的确定

图5-1-79表示了三种冷挤压凹模的许用单位冷挤力，图中的横坐标a是凹模的总直径比（对整体凹模而言，a=a₂₁=d₂/d₁；对二层组合凹模而言a=a₃₁=d3/d₁；对三层组合凹模而言a=a₄₁=d₄/d₁），图中的纵坐标p是冷挤压单位挤压力。图中区域Ⅰ是整体式凹模的许用范围，区域Ⅱ是二层组合凹模的许用范围，区域Ⅲ是三层组合凹模的许用范围。

图5-1-79 三种冷挤压凹模的许用单位挤压力

实践与理论分析证明，凹模的总直径比越大，则凹模的强度随之增加，但在a增加到4～6以后，再继续加大直径比a对凹模强度的提高已没有显著的效果。因此，在冷挤压凹模中，总直径比a的合理范围是：a=4～6。

当采用a=4～6范围内设计凹模时，多种型式的组合凹模所许用的单位挤压力：

整体式凹模的许用单位挤压力：

p≤1100MPa

二层组合凹模的许用单位挤压力：

1100MPa≤p≤1400MPa

三层组合凹模的许用单位挤压力：

1400MPa≤p≤2500MPa

应当指出：以上的数据已考虑了足够的安全系数，实际中各种凹模的许用单位挤压力要比上述数值高。

（二）组合凹模的设计

设计组合凹模时，首先须决定各层圈直径，然后再决定多圈的径向过盈量与轴向压合量。

1.两层组合凹模的设计

（1）凹模各圈直径的确定 组合凹模的总直径比a=4～6，对两层组合凹模则：a₃₁=d₃/d₁=4～6，因此d₃=（4～6）d₁。

凹模内腔直径d₁为已知，两层组合凹模的外径即可按上式确定。直径d₂的数值必须合理选择，否则将影响到凹模的强度。

两层组合凹模的中层直径比a₂₁=d₂/d₁，a₂₁的合理值可按图5-1-80查出。d₂的合理值d₂′可按下式计算：

（2）计算径向过盈量（双向）U₂与轴向压合量C₂在决定了各圈直径之后，便可以计算d₂处的双向径向过盈量U₂与轴向压合量C₂（见图5-1-81）。

图5-1-80 两层组合凹模中，合理的中层直径比与总直径比的关系

图5-1-81 两层组合凹模压合情况

图5-1-82 两层组合凹模径向过盈系数β₂与总直径比a₃₁的关系

在图5-1-82中，按a₃₁查出径向过盈系数β₂，在图5-1-83中，按a₃₁查出轴向压合系数δ₂，U₂与C₂的数值可按下式决定：

U₂=β₂d₂

C₂=δ₂d₂

式中 d₂——中圈直径（mm）；

U₂——d₂处的径向过盈量（mm）；(www.xing528.com)

β₂——d₂处的径向过盈系数；

C₂——d₂处的轴向压合量（mm）；

δ₂——d₂处的轴向压合系数。

2.三层组合凹模的设计

图5-1-83 两层组合凹模轴向压合系数δ₂与总直径比a₃₁的关系

（1）凹模各圈直径的确定 组合凹模的总直径比a=4～6，对三层组合凹模则：

a₄₁=d4/d₁=4～6即d₄=（4～6）d₁

三层组合凹模的外径可按上式计算，直径d₂与d₃的数值必须选取合理，否则影响凹模的强度。

d₂与d₃的合理值可按下式计算：

即

即

与的数值可按图5-1-84查得。

图5-1-84 三层组合凹模中，a₃₂及a₂₁合理数值与总直径比a₄₁之间的关系

（2）计算径向过盈量（双向）U₂、U₃与轴向压合量C₂、C₃图5-1-85为三层组合凹模的轴向压合情况，图5-1-86为三层组合凹模的过盈系数β₂与β3。从图5-1-86与图5-1-87分别查出径向过盈系数β与轴向压合系数δ，然后按下式计算出径向过盈量（双向）U₂、U₃与轴向压合量C₂、C₃：

U₂=β₂d₂

式中 U₂——d₂处的径向过盈量（双向）（mm）；

U₃——d₃处的径向过盈量（双向）（mm）；

C₂——d₂处的轴向压合量（mm）；

C₃——d₃处的轴向压合量（mm）；

β₂——d₂处的径向过盈系数；

β₃——d₃处的径向过盈系数；

δ₂——d₂处的轴向压合系数；

δ₃——d₃处的轴向压合系数。

图5-1-85 三层组合凹模

（三）组合凹模的压合工艺

组合凹模的压合方法有两种：一种是冷压合，它是目前冷挤压模具中常采用的方法，前面所述二层套或三层套组合凹模基本上是采取冷压合组装；另一种是热压合，加热预压是先将外圈加热，再套在内圈上，利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后将内圈包紧，施加预应力，此方法即是所谓的“红套”。冷压合是在压力机（一般用液压机）的作用下，使内外圈压合，配合面作成一定的斜角γ。用斜角γ的冷压合法的模具寿命比热压合法的长，不仅可以防止凹模的纵向开裂，在防止凹模的横向开裂方面也能起一定的作用。但热压合法可不必加工多圈的斜角γ，加工工艺比较简单。

冷压合的压合角γ一般采用1°～1°30′。γ不宜超过3°，否则在使用过程中各圈会因不自锁而松脱。配合锥面必须研磨，其相互接触面积应≥70%，否则将造成预应力达不到要求而使内凹模开裂。

图5-1-86 三层组合凹模的径向过盈系数β与总直径比的关系

图5-1-87 三层组合凹模的轴向压合系数与总直径比的关系

图5-1-88 γ角倒装的三层组合预应力凹模

对冷压合而言，按γ角的放置方向有正装法与倒装法之分。正装法与倒装法没有原则上的区别，倒装法只是将γ角倒置。无论是倒装或正装的组合凹模，工作时都应当在内圈受力，不应使A面（见图5-1-88）与组合凹模下的垫板发生脱空现象。压合时，各圈的压合次序是由外向内，就是先将中圈压合在外圈之中，最后压入凹模圈；压出时则次序相反。当然，如果压合量较图5-1-86和图5-1-87所取值小，压合次序可不受此限制。

应当注意各圈压合后，凹模内腔直径有所缩小，收缩量约为内腔直径的0.3%。当挤压件精度要求较高时，压合后应对凹模内腔尺寸进行修正。

中外圈的材料选择：

中层预应力圈：40Cr、35CrMoA，热处理硬度40～42HRC；

外层预应力圈：45、40Cr，热处理硬度36～38HRC。

中圈与外圈在反复使用（内圈压入与压出）的条件下，应进行200℃的低温回火，以去除内应力。

各圈压合时，在压力机外必须装设有机玻璃挡板，以保证人身安全。