的增大，单位挤压力反而减小。国内外资料及有关试验指出，要制成直齿齿面的精密形状，必须采用较高的变形速度才能挤压成形[5]。
5）模具几何形状
挤压模的凸模和凹模形状，对单位挤压力有很大的影响。模具几何形状设计得合理，易使毛坯在型腔中流动，可以改善摩擦情况，减少金属流动阻力，不仅能显著地提高模具的使用寿命，还能减少单位挤压力。
对于正挤压凹模，在成形零件结构允许的情况下，正挤压凹模的出口一般做成锥形，如图3-1所示。锥形凹模对单位挤压力影响最大的是凹模锥角α的大小，当α=60o左右时，单位挤压力最小；当α＜60o或α＞60o时，单位挤压力皆较大。
图3-1凹模的形状 Fig.3-1 the shape of female die
单位挤压力为最小时的合理锥角α，是随变形程度的增加而增大的。当凹模锥角大于60o时，挤压力随α增大而增加，这是由于α增大时，被挤毛坯在锥面处不易流动，因此形成了较大的流动阻力，导致挤压力增大。当α=180o时，会形成较大的金属流动死区，此时挤压力最大。但另一方面，考虑到α较小时，挤压余料增加，这就会增加后续机加工工序的工时、加大材料的消耗。因此，综合考虑多方面因素，取凹模锥角α=90o~120o为宜，其中α=120o最为常用。本设计中也选择其角度为120o[9]。
6）毛坯高度
毛坯高度的变化，影响到毛坯与凹模真实接触面积率的改变，进而影响到摩擦阻力的变化，因此，毛坯的高度对单位挤压力也有一定的影响。
7）润滑状态
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润滑状态对降低单位挤压力影响较大，良好的润滑状态，可使真实接触面积率大大减小，摩擦阻力也大大减小，因此，单位挤压力较低。正挤压实心件时，润滑状态对单位挤压力的影响如表3-1。
表3-1 正挤压钢实心件时，润滑状态对单位挤压力的影响[1]
Table.3-1 when extruding the steel solid parts, the influence that came from lubricating state on per pressure
全损耗
润滑
无润滑
状态
油
单位挤
1
压力
0.95
0.75
0.63
0.56
0.55
0.50
系统用
镀锌
镀铜
磷化
石灰水
皂化
磷化加
磷化加
3.2 冷挤压力的估算及压力机选择
针对前面一节提到的影响因素，利用简易计算法对挤压力进行估算。其公式为：
P=pF[1] （3-1）
其中：F——挤压的作用面积（mm2），形状复杂的工件按投影面积进行计算； p——单位挤压力（MPa），查取35钢p≈2400MPa[1]。
P=pF =2400×
?×252 4=1177.5 KN
根据挤压力和挤压所需行程以及考虑加工中的冲击载荷和各种不确定因素，以及装模高度选取压力机。
选取压力机为：J87—160型偏心式下传动冷挤压机。 其主要参数：公称压力：1600KN 滑块行程：230mm 工作行程：25mm 行程次数：34次/min 最大封闭高度：385mm 主电机功率：35KW
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4 模具结构设计
4.1 凹模设计
用工具钢制的整体凹模只适用于简单形状的纯铝、紫铜等零件的挤压。这种凹模是不经济的，并且用来挤压低碳钢时，强度不够，极易开裂。为了提高凹模的承载能力，组合凹模得到广泛采用，至于组合凹模的压套数目，则以确保挤压模具应有的承载能力为原则。压套危险点的合成应力应小于压套材料的许用应力。实际设计中，压套数目一般根据单位压力近似选取：单位挤压力小于100kg/ mm2，时，可以采用整体凹模；大于100kg/ mm2而小于160kg/ mm2时，采用一个压套的双层组合凹模；大于160kg/ mm2小于250kg/ mm2时，选用两个压套的三层组合凹模[2]。
对于一定尺寸的组合凹模进行强度分析后得知：三层组合凹模的强度是整体凹模强度的1.8倍；两层组合凹模的强度是整体式凹模的1.3倍。组合式预应力凹模的主要优点是在同样凹模外形尺寸的条件下，它的强度要比整体式凹模大得多。主要优点有以下几点：
提高了凹模的强度；凹模圈的尺寸减小，使耗用的高级合金钢的材料也相应减少。原先整个凹模都用高级合金工具钢制成，现在仅其中内圈用高级合金工具钢材料，中圈和外圈可以改用一般的金属材料；由于内圈尺寸减小，热处理容易，提高了模具热处理的质量；当凹模损坏后仅需更换其内圈，不必使整个凹模报废。
应当指出，多层套组合凹模也存在加工面多、加工压合工艺要求高等缺点。
由第三章查表得知本文研究的35钢齿轮轴的单位挤压力为240kg/ mm2，故采用两个压套的三层组合凹模。采用硬质合金做镶块，此时D3=(4~8)D1，D2=(4~4.5) D1[2]，本设计采用D3=7 D1，D2=4.5D1。
试验表明，硬质合金镶块经济合理的最小壁厚应该是r'= (2.2~2.3) r[2]，本设计采用r' =2.2r。
其中：D1 、D2、 D3分别为凹模镶块内径及两层压套的外径；r' 、r分别为镶块半径、凹模内腔半径。
直接承受变形金属压力作用的工作模腔，最好也不用整体的，要尽可能采用分体组合。分割的形式可以根据载荷分布选择，分割的目的是均布载荷以防止应力集中而导致开裂，并且便于制造和更换。常见的分割方式有纵向分割和横向分割。正挤压凹模进行分割的原则是：将磨损快的部位，尽量做成镶块结构；在结构转折及断面变化的地方进行分割；挤压杆形的部分过长、形状较为复杂时，应从加工方便的角度考虑，分割成数段，如盛料部
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分、成型部分及校正部分。
4.1.1 凹模的结构形状设计
本设计将凹模型腔分为三段，如图4-1所示。
图4-1 凹模型腔剖视图 Fig.4-1 the cutaway view of female die
图4-1所示的凹模为横向分割式凹模，加工时应严格保证上半块凹模和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，一般取1~3mm为宜[1]，在拼合面处将其中一块加工成大于1o锥角，以防止相碰，拼合面要进行抛光加工，加工得越光越好，并采用强有力的紧固方式，以增大环行面上的接触压力。
4.1.2 凹模各部分尺寸的设计计算
模腔的尺寸基本上取决于挤压件尺寸。为了得到最大的模具磨损留量，尺寸一般按挤压件的负公差设计，并且模具的公差一般不得超过挤压件公差的10%。设计时还要考虑挤压引起的凹模弹性变形和温度上升引起的膨胀，以及零件冷却后的收缩等。因此模腔的内径要做得比零件小些，采用硬质合金时，这一数值在0.005~0.015mm之间。除此之外，模腔尺寸还必须考虑毛坯与挤压模具间的配合间隙，这个间隙一般在0.02~0.10mm[2]。正挤压模具取上限，在保证毛坯能够自由放入模腔的情况下，这个数值越小越好。
模腔的深度必须大于坯料的高度，大出的数值不少于3~5mm，也就是凸模与零件接触前，至少已经进入模腔3~5mm。为便于装料与引导凸模，模口应做成圆角或倒角。凹模锥角的合理尺寸是90o＜θ＜130o。θ＞130o时，会形成金属死区，并给润滑带来困难。当接
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近180o时，成形压力急剧增大，模具转角处应力集中，极易开裂[2]。用锥角较小的凹模，挤压件的变形比较均匀，单位挤压力也低，但是过小的锥角会使成形部位的变形区域长度增加，摩擦加大，同时润滑条件变坏，成形压力反倒变大，并有金属粘连凹模的趋势。
根据以上设计原则，进行尺寸计算。 凹模镶块尺寸确定： 1）镶块φ25mm段
内腔尺寸：模腔尺寸还必须考虑毛坯与挤压模具间的配合间隙。这个间隙一般在0.02~0.10mm。正挤压模具取上限，在保证毛坯能够自由放入模腔的情况下，这个数值越
0.15小越好。最终确定内腔尺寸为φ25??0.07mm。
高度：由于模腔深度要大于坯料高度，大出的数值不得少于3~5mm，本设计中采用5mm。同时坯料中有10mm不参与变形，同时考虑分割位置，最后确定其高度为37.2mm。其剖视图如4-2所示。
图4-2 镶块一剖视图
Fig.4-2 the cutaway view of female dieⅠ
其中外径尺寸r' =2.2r=2.2×25=55mm，为了便于装配，外径面为1.5o锥面。 2）镶块φ18mm段
0.05内腔尺寸：工作带直径等于挤压件外径。确定内腔尺寸为φ18??0.05mm。
高度：考虑分割位置确定高度为37.7mm。
锥面与型腔直壁交接处R：一般选择为3~5mm，本设计选择3mm。 锥面与工作带交接处的r：一般选择0.5~2.0mm，本设计选择1.5mm。
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