挤压销设计/制造的标准化研究与应用

严成武

摘 要：挤压销设计作为汽车轻量化的重要成形工艺，发挥着重要的推动作用。挤压销设计是使液态金属在高压作用下，高速喷射充填型腔，随后在压力下凝固成形的一种铸造工艺，具有生产率高、精密性强等一系列优点，用挤压销设计工艺生产结构件不但可以缩短生产周期，还可达到精密近净成形，省去大量的机加工序，节约成本，广泛应用于汽车发动机的缸体、缸盖、油底壳、前盖、凸轮轴盖、出水管、节温器、支架等零件。本文以挤压销设计中气门顶杆为例介绍了挤压模的制作和成形工艺，通过对毛坯尺寸、挤压件的变形程度的计算，详细讨论了挤压模结构及设计要点，最后阐述了采用挤压模制作各类零部件的好处。

关键词：气门顶杆；挤压模；结构

中图分类号： TG3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-176-2

0 引言

挤压属于立体压制中的一种比较先进的加工方法，它只需要一副就可以加工底和壁厚不同、高度和直径之比很大的圆形件或其他各种形状的不同零件。这种加工方式的优点在于其尺寸精度较高、表面粗糙度值比较小、力学性能较好。以具体的研究成果为基本材料，进行科学化的分析，从而找到一些具体的方法才是关键所在，通常情况下，主要依据的方法来源于在实践中不断的进行总结，从而形成一种较高的思维模式，这对于我国的经济发展来讲前景非常广阔，同时研究其成果也是值得我们借鉴和认真学习的。因此采用挤压的加工工艺生产出来的零件就能比较好的符合各种要求。经过分析该零件的挤压工艺具体流程是：先制作简单的形状，之后再进行科学化的分析，找到一些具体的实施办法，从而加快挤压销设计/制造的标准化研究的进程。

1 气门顶杆挤压模的工艺设计

1.1 具体大小尺寸的确定

因为在实际制作过程中有可能会有挤压件顶端不平齐的现象，所以在工件的顶端要留出修边余量，就是气门顶杆挤压件。挤压的寿命及其纤维方向的改善都与毛坯的形状和尺寸有着密切联系。通过对气门顶杆的形状特点以及毛坯的定位和成形便利程度的分析，发现使用圆柱形毛坯比较合适。

挤压件毛坯体积的计算是根据制件体积与毛坯体积相等的规则来进行的。通过计算具体的形状大小以及结构情况，我们可以从中感受到在进行科学化的设计过程中所采用的技术是相当严格的，并且还需要不断地扩大其研究范围，才能够满足当前发展的需要。通常凹模型腔尺寸要比毛坯的外径要大，相对于反挤压件来说，凹模型腔尺寸要比毛坯尺寸大0.5mm左右。

1.2 关于挤压件的变形程度分析

挤压件的变形程度指的就是材料在挤压时其塑性变形量的大小。挤压件的变形抗力是和其挤压时的变形程度成正比的，但是当挤压压力大于其承受的压力时，就会形成一种压力过大而出现损坏的现象，为此，要结合其承受压力的大小关系来进行科学化的分析，从而保障其不受压力损害。而实际的生产生活中大多采用断面缩减率来表示。

1.3 关于受力状况分析

要采取一些具体的办法来处理遇到的受力情况，我们通常主要借鉴一些在实践过程中形成的一种惯性思维来考虑问题，从而最大化的解决所出现的挤压过猛而造成的一系列损害。通常在具体的实施过程中一定要根据其方便的特点来处理。在实际的生产中还应该考虑挤压力还会受到各种因素的影响，从而会造成一些损害的发生，为了避免这些危害的发生，我们主要结合因素来分析其具体解决的办法。

1.4 关于深化设计的要求分析

对于具体的毛坯而言，主要在于其具体的设计过程严格程度，且技术是关键。如果出现了一些由于压力过大而造成一系列的损害发生时，我们就要紧紧抓好损害发生的原因开始，逐步建立健全一些管理的制度来规范化操作，从而减少问题的发生。这样以来对于挤压销设计/制造的标准化研究与应用而言就显得非常重要，这是值得我们关注的重点问题。

①柔软性分析。当我们在进行具体的操作过程时，一定要采取一些科学化的办法来处理，从而达到设计的科学化、合理化。可是对于如何进行材料的柔性软化，这主要采取的办法还在于将一些材料可塑性、降低变形抗力以及消除内应力，一般采用的方式为软化退火处理。经过软化退火处理后的毛坯其硬度一般都在110-120HB。

②表层结构分析。经过我们认真的分析后，目前，主要在于表层结构不合理，从而造成难以解决压力承受问题。通常情况下，我们主要依据一些具体的实践经验来作为指导，将一些不能够进行的设计给予科学化的处理。从而达到预期效果。对于表层处理，还在于进行磷化处理。

③润滑处理。为了使得毛坯与间的摩擦力降低到最小值，变形抗力和变形功也得到最大限度的减少，并提高使用寿命，就必须对经过表面处理后的毛坯进行润滑处理。一般采用皂化处理的方式进行毛坯的润滑处理。

1.5 挤压销制造的标准化

设计要求是多样化的，我们在进行具体的设计研究过程中，一定要采取一些行之有效的方法来进行操作，从而形成既可满足当前发展的需要，也可及时调节发生的不协调问题，所以，要加大对挤压销制造标准的研究，改变一些原来错误的做法才是关键，具体而言，就应该加大其制造标准的研究力度，从具体的实践过程中，不断地总结经验教训，从而为挤压销制造提供新的技术借鉴。对于如何让模架上应有吊环螺钉，便于模架的吊运和装配，我们就得依靠现代化的技术设备来完成，因为在实际的操作过程中，一定要结合实际的办法来进行科学化操作，以避免由于操作不当而发生问题。其实，更应该注重压铸机尺寸设计外形及大小，防止干涉。

根据我司的实际生产情况，模架至少需要满足两种以上机型的安装和生产，设计的装配图上需画出所安装的压铸机大杠的尺寸及位置，开模、顶出位置；动、定模套板使用50#钢或P20，热处理硬度为HRC28～30；铭牌必须安装在操作者侧经加工出的凹槽中，其上必须注明尺寸（长×宽×高）、重量、适合机型、压射中心位置、生产厂家、产品名称、产品编号、编号；模架出吊环孔时，要上下对称出4个吊环孔，动模套板或定模套板上的吊环孔位置必须在单边的重心上设置，以保证单边吊模时平行。（即动模套板上的吊环孔位置，能保证吊起整个动模时平行，不倾斜；所有必须开设动模底板，不允许使用支撑柱直接与压铸机板接触；跨距大于150mm时都应考虑加支撑柱。支撑柱直径（或宽）不小于75mm，尽可能靠近压射中心容易变形的部位；设计完成时必须进行强度校核。

2 挤压销设计重点

材料为20Cr，断面收缩率（ψ/%）≥40。

①活塞销内孔（Φ18.6mm）是自由公差，所以其精度要求可以由冷挤压工艺来满足，因此不必留出切削余量。而外圆表面粗糙度值Ra要求为0.1mm，尺寸精度要求是0.01mm，冷挤压很难满足要求，所以外圆要留出磨削余量0.5mm（双边），再冷挤压工序以后用磨削方法将外圆磨出。

②对于器件的断面收缩率εA=（18.6/29.1）2×100%=40.85%。对于20Cr是可行的。从挤压凸模的稳定性来考虑，我们要结合实际的模型进行科学化分析，找到一些能够解决压力过大所造成的损害方法，从而加快挤压销设计的进程。对于这种结构的比值（长径比）不应该超过3.0。所以L/d=（92/2）/18.6=2.47<3.0，所以可行。

③连皮的位置保持在中间，实际过程中并不容易，要从具体的实践过程来考虑这些问题的解决办法。通常情况下，我们依据其在实践过程中总结的经验教训来处理问题，可是一些具体的实践经验不能够满足当前发展的需要，所以要加快对其受力结构的技术的研究，从而能够很快的形成一种良性发展的趋势，这是我国进行研究的重要内容。同时，更应该关注其实际的压力的大小，从具体的挤压力进行分析，找到能够解决问题的方法，这才是最关键的研究内容。对于上凸模前端锥角α1为162°下凸模锥角为150°。这样就使金属向下流动比向上流动容易些，从而抵消了前述流动的差异，使连皮位于中间位置。

3 挤压工作零件常用材料及选择

3.1 碳素工具钢

碳素工具钢是冷挤压模具钢中价格最低廉的钢种。T10A是常用的碳素工具钢牌号。其优点是加工及热处理方便，具有良好的切削和耐磨性能，但缺点是淬透性、强韧性及耐热性能差、热处理变形大、使用寿命低。因此只能用于尺寸较小、形状简单、负载不大的模具零件，如压力垫板、顶料杆，纯铝、紫铜等软材料挤压凹模。

3.2 高合金工具钢

含铬量为12%的高合金工具钢是冷挤压模具材料中普遍采用的高碳高铬钢种。Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV是经常使用的牌号。该类钢热处理变形小，淬透性好，耐磨性较高，韧性优良，适宜制作冷挤压凸模和凹模。不过这类钢的碳化物偏析较为严重，尤其是大尺寸的材料，在制造模具之前要进行改锻，使碳化物分布均匀（1～3级），否则在使用中严重影响模具使用寿命，因此它比较适宜于作为有预应力圈的内凹模材料。

3.3 高速工具钢

常用高速工具钢的牌号有：W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等。该类钢种具有很高的强度、良好的耐磨性和韧性，尤其是高温硬度高、热硬性极好，抗软化变形能力强，是制造凸模的优良材料。但是高速工具钢的碳化物分布不均匀，这种不均匀性随着钢材截面尺寸的增大而提高，使其力学性能下降。在模具结构允许的前提下，应尽量选用小尺寸的高速工具钢原始棒料来制造模具零件。

3.4 硬质合金

一般用于冷挤压模具工作零件的硬质合金为钨钴系硬质合金，常有牌号有YG15、YG20、YG25，其中数字表示含钴量的百分比。如YG15表示含钴量15%，其余为钛化钨。硬质合金具有极高的硬度、良好的红硬性、较小的膨胀系数、足够的强度，并且耐磨、耐高温，是优良的模具材料。但是硬质合金抗弯、抗拉强度低，所以常用作凹模或凹模镶块材料。

3.5 合金碳素工具钢

在碳素工具钢的基础上加入合金元素，性能与碳素钢类似。

3.6 挤压销设计标准化

挤压销工艺技术就是在挤压销中进行特殊设计，铝液在高速、高压充填型腔后，还处于半凝固状态时，通过油缸推动挤压销挤压半凝固状态铝液，使得由于残留气体及凝固收缩产生的孔洞被压实、充填，从而获得局部致密的铸件。

在国内挤压销技术还处于前期的摸索和研究、试验阶段，目前还未有使用自主创新、自行研发专利技术的详细报道，也没有形成相关标准和技术资料可以参考。

4 结束语

本课题主要是在GHT积累的挤压销工艺经验数据基

础上进行数据分析和总结。通过对FS汽车零件的挤压销设计设计和制造工艺的研究，分析工艺的设计关键和制造要点，实现风神项目的设计和制造标准化，降低产品的废品率、故障率、制造周期、产品的制造成本，增加公司的经济效益。

FS汽车发动机零件的典型特点是结构复杂，壁厚变化大，加工精度高，制造困难。特别是高压油道设计集成在零

件中，局部壁厚较大，导致缩孔、缩松，即使X光检查没有

发现缺陷也会产生产品泄漏。针对以上情况，本项目需要在设计和制造方面实现：挤压销设计制造标准化。挤压销设计结构复杂，由许多零件装配而成，零件的制造准确性、可靠性严重影响着寿命和产品制造成本，需要分类进行研究和规范。

参 考 文 献

[1] 卢宏远，卢敏，宋青，王禹彭.汽车结构件的压铸[J].特种铸造及有色合金，2012，32（3）.

[2] 陈金诚.中国挤压销业发展的回顾与展望[J].铸造，2012（5）.

[3] 潘宪曾主编.挤压销设计设计手册[M].2002.