冷镦工艺讲解

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,冷镦（挤压）成型工艺,主讲人：程从志,紧固件成型工艺中，冷镦（挤）技术是一种主要加工工艺。冷镦（挤）属于金属压力加工范畴。在生产中，在常温状态下，对金属施加外力，使金属在预定的模具内成形，这种方法通常叫冷镦。实际上，任何紧固件的成形，不单是冷镦一种变形方式能实现的，它在冷镦过程中，除了镦粗变形外，还伴随有正、反挤压、复合挤压、冲切、辗压等多种变形方式。因此，生产中对冷镦的叫法，只是一种习惯性叫法，更确切地说，应该叫做冷镦（挤）。冷镦（挤）的优点很多，它适用于紧固件的大批量生产。它的主要优点概括为以下几个方面：,a,钢材利用率高。冷镦（挤）是一种少、无切削加工方法，如加工杆类的六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉，采用切削加工方法，钢材利用率仅在,25%,35%,，而用冷镦（挤）方法，它的利用率可高达,85%,95%,，仅是料头、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。,b,生产率高。与通用的切削加工相比，冷镦（挤）成型效率要高出几十倍以上。,c,机械性能好。冷镦（挤）方法加工的零件，由于金属纤维未被切断，因此强度要比切削加工的优越得多。,d,适于自动化生产。适宜冷镦（挤）方法生产的紧固件（也含一部分异形件），基本属于对称性零件，适合采用高速自动冷镦机生产，也是大批量生产的主要方法。,总之，冷镦（挤）方法加工紧固件、异形件是一种综合经济效益相当高的加工方法，是紧固件行业中普遍采用的加工方法，也是一种在国内、外广为利用、很有发展的先进加工方法。因此，如何充分利用、提高金属的塑性、掌握金属塑性变形的机理、研制出科学合理的紧固件冷镦（挤）加工工艺，是本章的目的和宗旨所在。,1,金属变形的基本概念,1.1,变形,变形是指金属受力（外力、内力）时，在保持自己完整性的条件下，组成本身的细小微粒的相对位移的总和。,1.1.1,变形的种类,a.,弹性变形,金属受外力作用发生了变形，当外力去掉后，恢复原来形状和尺寸的能力，这种变形称为弹性变形。,弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。,b.,塑性变形,金属在外力作用下，产生永久变形（指去掉外力后不能恢复原状的变形），但金属本身的完整性又不会被破坏的变形，称为塑性变形。,塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。,1.1.2,塑性的评定方法,为了评定金属塑性的好坏，常用一种数值上的指标，称为塑性指标。塑性指标是以钢材试样开始破坏瞬间的塑性变形量来表示，生产实际中，通常用以下几种方法：,(1),拉伸试验,拉伸试验用伸长率,和断面收缩率,来表示。表示钢材试样在单向拉伸时的塑性变形能力，是金属材料标准中常用的塑性指标。,和,的数值由以下公式确定：,（公式,36-1,）,（公式,36-2,）,式中：,L0,、,Lk,拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。,F0,、,Fk,拉伸试样原始、破断处的截面积。,(2),镦粗试验 又称压扁试验,它是将试样制成高度,Ho,为试样原始直径,Do,的,1.5,倍的圆柱形，然后在压力机上进行压扁，直到试样表面出现第,1,条肉眼可观察到的裂纹为止，这时的压缩程度,c,为塑性指标。其数值按下式可计算出：,（公式,36-3,）,式中,Ho,圆柱形试样的原始高度。,Hk,试样在压扁中，在侧表面出现第,1,条肉眼可见裂纹时的试样高度。,(3),扭转试验,扭转试验是以试样在扭断机上扭断时的扭转角或扭转圈数来表示的。生产中最常用的是拉伸试验和镦粗试验。不管哪种试验方法，都是相对于某种特定的受力状态和变形条件的。由此所得出的塑性指标，只是相对比较而言，仅说明某种金属在什么样的变形条件下塑性的好坏。,1.1.3,影响金属塑性及变形抗力的主要因素,金属的塑性及变形抗力的概念：金属的塑性可理解为在外力作用下，金属能稳定地改变自己的形状而质点间的联系又不被破坏的能力。并将金属在变形时反作用于施加外力的工模具的力称为变形抗力。,影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面：,a,金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响,金属组织决定于组成金属的化学成分，其主要元素的晶格类别，杂质的性质、数量及分布情况。组成元素越少，塑性越好。例如纯铁具有很高的塑性。碳在铁中呈固熔体也具有很好的塑性，而呈化合物，则塑性就降低。如化合物,Fe3C,实际上是很脆的。一般在钢中其他元素成分的增加也会降低钢的塑性。,钢中随含碳量的增加，则钢的抗力指标（,b,、,p,、,s,等）均增高，而塑性指标（,、,等）均降低。在冷变形时，钢中含碳量每增加,0.1%,，其强度极限,s,大约增加,6,8 kg/mm2,。,硫在钢中以硫化铁、硫化锰存在。硫化铁具有脆性，硫化锰在压力加工过程中变成丝状得到拉长，因而使在与纤维垂直的横向上的机械指数降低。所以硫在钢中是有害的杂质，含量愈少愈好。,磷在钢中使变形抗力提高，塑性降低。含磷高于,0.1%,0.2%,的钢具有冷脆性。一般钢的含磷量控制在百分之零点零几。,其他如低熔点杂质在金属基体的分布状态对塑性有很大影响。,总之，钢中的化学成分愈复杂，含量愈多，则对钢的抗力及塑性的影响也就愈大。这正说明某些高合金钢难于进行冷镦（压）加工的原因。,b,变形速度对塑性及变形抗力的影响,变形速度是单位时间内的相对位移体积：,（公式,36-4,）,不应将变形速度与变形工具的运动速度混为一谈，也应将变形速度与变形体中质点的移动速度在概念上区别开来。,一般说来，随着变形速度增加，变形抗力增加，塑性降低。冷变形时，变形速度的影响不如热变形时显著，这是由于无硬化消除的过程。但当变形速度特别大时，塑性变形产生的热（即热效应）不得失散本身温度升高会提高塑性、减少变形抗力。,c,应力状态对塑性及变形抗力的影响,在外力作用下，金属内部产生内力，其单位面积之强度称之为应力。受力金属处于应力状态下。,从变形体内分离出一个微小基元正方体，在所取的正方体上，作用有未知大小但已知方向的应力，把这种表示点上主应力个数及其符号的简图叫主应力图。,表示金属受力状态的主应力图共有九种，其中四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，两个为单向主应力图，如图,36-1,所示。,主应力由拉应力引起的为正号，主应力由压应力引起的为负号。,在金属压力加工中，最常遇到的是同号及异号的三向主应力图。在异号三向主应力图中，又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图为最普遍。,同号的三向压应力图中，各方向的压应力均相等时（,1,=,2,=,3,），并且，金属内部没有疏松及其它缺陷的条件下，理论上是不可产生塑性变形的，只有弹性变形产生。,不等的三向压应力图包括的变形工艺有：体积模锻、镦粗、闭式冲孔、正反挤压、板材及型材轧制等。,在生产实际中很少迂到三向拉伸应力图，仅在拉伸试验中，当产生缩颈时，在缩颈处的应力线，是三向拉伸的主应力图，如图,36-2,所示,在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图,36-3,所示。,总之，受力金属的应力状态中，压应力有利于塑性的增加，拉应力将降低金属的塑性。,d,冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响,金属经过冷塑性变形，引起金属的机械性能、物理性能及化学性能的改变。随着变形程度的增加，所有的强度指标（弹性极限、比例极限、流动极限及强度极限）都有所提高，硬度亦有所提高；塑性指标（伸长率、断面收缩率及冲击韧性）则有所降低；电阻增加；抗腐蚀性及导热性能降低，并改变了金属的磁性等等，在塑性变形中，金属的这些性质变化的总和称作冷变形硬化，简称硬化。,e,附加应力及残余应力的影响,在变形金属中应力分布是不均匀的，在应力分布较多的地方希望获得较大的变形，在应力分布较少的地方希望获得较小的变形。由于承受变形金属本身的完整性，就在其内部产生相互平衡的内力，即所谓附加应力。当变形终止后，这些彼此平衡的应力便存在变形体内部，构成残余应力，影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。,1.1.4,提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施,针对影响金属塑性及变形抗力的主要因素，结合生产实际，采取有效的工艺措施，是完全可以提高金属塑性及降低其变形抗力的，生产中，常采取的工艺措施有：,a,坯料状况,冷镦用原材料，除了要求化学成份、组织均匀，不要有金属夹杂等以外，一般要对原材料进行软化退火处理，目的在于消除金属轧制时残留在金属内部的残余应力，使组织均匀，降低硬度，要求冷镦前金属的硬度,HRB80,。对中碳钢，合金钢一般采取球化退火，目的是除消除应力、使组织均匀外，还可改善金属的冷变形塑性。,b,提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件,这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力，尽可能降低变形中由于摩擦而产生的拉应力。,c,选择合适的变形规范,在冷镦（挤）工艺中，一次就镦击成形的产品很少，一般都要经过两次及两次以上的镦击。因此必须做到每次变形量的合理分配，这不仅有利于充分利用金属的冷变形塑性，也有利于金属的成形。如生产中采用冷镦、冷挤复合成形、螺栓的两次缩径、螺母的大料小变形等。,1.2,金属塑性变形的基本规律,1.2.1,最小阻力定律,金属在变形中，变形体的质点有向各方向移动的可能，变形体质点的移动是沿其最小阻力方向移动，称为最小阻力定律。,在六角头螺栓多工位冷镦中，第二工位精镦时，金属向上、下模开口处流动并形成飞边是最小阻力定律起作用的体现。图,36-4,表明坯件在模具中镦锻时，它在充满上、下模腔的同时还向上、下模构成的间隙向四周流，只有当往飞边流动的阻力大于在模腔其它部分的阻力时，金属充满模腔才有可能。在上模向下运动中，飞边上金属流动阻力随飞边厚度的减小而增加，这时才能保证最后充满上、下模腔。,1.2.2,体积不变定律,金属塑性变形中，其密度改变极为微小，可以忽略。塑性变形的物体之体积保持不变，金属坯件在塑性变形以前的体积等于变形后的体积。,体积不变定律是根据产品形状尺寸、计算出体积，据此再确定所需坯件的具体尺寸。,最小阻力定律则是金属变形次数如何确定，每次变形量如何分配、工模具结构形状确定的设计最主要的依据。,1.2.3,变形中影响金属流动的主要因素,a,摩擦的影响,在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在，由于摩擦力的作用，改变了金属流动的特征。如图,36-5,所示，在平板间镦粗矩形坏料时，由于摩擦力的作用，使各向阻力不同，变形中，断面不能继续保持矩形。按最小阻力定律，它会逐渐趋于圆形。若无摩擦力作用，则坯件处于理想的均匀变形状态，变形前后在几何形状上仍然相似。,图,36-6,为环形坯件的镦粗示意图。当无摩擦时，环形件在高度上被压缩，根据体积不变条件，不论是外层还是内层，金属的直径都有所增加，即所有金属都沿径向辐射状向外流动。由于有摩擦的存在，流动受到阻碍。越接近内层金属向外流动的阻力越大，比向内流动时还要大，因而改变了流动的方向，如图所示，在环形件中出现了流动的分界面（,dN,）。,b,工模具形状的影响,由于工模具形状不同，所施加给坯件的作用力，以及模具与坯件接触的摩擦力也不一样，引致金属在各方向流动阻力的差异，从而金属在各方向流动体积的分配也有所差异。,c,金属本身性质不均的影响,金属本身的性质不均，反映出金属成份的不均、组织不均、以及在变形中内部温度的不均等。这些性质的不均匀性，在金属内部出现互相平衡的附加应力，由于内力的存在，使金属在各自流动的阻力有所差异，变形首先发生在阻力最小的部分。,2,金属冷镦（挤）工艺,2.1,冷镦（挤）工艺基本概念,2.1.1,冷镦、冷压,在室温状态下，将坯料置于自动冷镦机或压力机的模具中，对模具施加压力，利用上、下模的相对运动，使坯件在模腔里变形，高度缩小，横截面增加，这样的压力加工方法，对自动冷镦机而言叫冷镦，对压力机而言叫冷压。,实际生产中，紧固件冷成型工艺，在冷镦的过程中，常常伴随有挤压的方式。因此，单就紧固件产品的冷镦工艺，实际是既有冷镦，也有挤压的一种复合工艺的加工方法。,2.1.2,冷镦（挤）的变形方式,a,冲裁使坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的冲孔、六角头螺栓的头部切边等。,b,镦粗使坯件高度缩短、横截面增加的加工方法，如螺母的镦球、螺栓头部成型的预镦、精镦等。,c,正挤压坯件在冷镦压中，坯件在下模中变形时，金属的流动方向与上模的运动方向一致。冷镦螺栓、圆柱头内六角螺钉中的粗杆缩径就是一种正挤压。,d,反挤压坯件在变形中，金属的流动方向与上模的运动方向相反。圆柱头内六角螺钉头部成形就属反挤压。,e,复合挤压,坯件在变形中金属的流动方向一部分与上模的运动方向相同，一部分又相反。即变形中既存在正挤压，也存在反挤压。如圆柱头内六角螺钉在同一工位变形中既有杆部缩径（正挤压）又有头部成型（反挤压）。,2.1.3,冷镦（挤）变形程度,a,变形程度,是指坯料被镦锻部分长度在镦锻终了的压缩量与原始高度的比值，或者坯料截面积在镦锻终了截面积的增加量与原始横截面的比值。,b,变形程度的表示方法,第一种方法用镦锻比,(S),如图,36-7,所示。,即： （公式,36-5,）,式中：,h,0,被镦锻部分的原始高度,d,0,被镦锻部分的原始直径,镦锻比可以确定镦锻的难易，镦锻比,愈小，变形量愈小，变形更容易。镦,锻比愈大，变形愈难，金属纤维流动,不规则，有的纤维被折曲，形成纵向,弯曲现象。如图,36-8,所示。,第二种方法用镦锻率（,）,即：,（公式,36-6,） （公式,36-7,）,式中,ho,、,Fo,镦锻前头部材料的原始高度、横截面积,h,、,F,镦锻后工件的高度、横截面积,c,许用变形程度,当冷镦变形程度超过金属本身的变形限度时，变形的工件侧面会出现裂纹，而造成不良品，其模具使用强度也会受到影响，降低使用寿命，严重时可使模具开裂而损坏。,金属的许用变形程度与金属本身的塑性有关,塑性好的金属,许用变形程度要高于塑性较差的金属。碳钢含碳量愈高，它的塑性愈低，许用变形程度也会愈小。,在生产中，对于塑性较差的金属，如中碳钢、合金钢的冷镦常采取对钢材进行退火软化处理、增加模具的强韧性、金属表面润滑等，目的就在于使金属的许用变形程度得到提高。,表,36-1,列出了部分钢材的许用变形程度。,%,钢 材 牌 号,%,钢 材 牌 号,30,T10,、,T12,70,75,15Cr,、,Y12,35,50,50,、,60Mn,、,40CrNiMo,75,80,30,、,35,、,40Cr,55,60,40,、,45,、,30MnSi,、,GCr15,80,90,10,（,0.03%Si,）、,10F,、,15,65,70,20,（,0.17,0.37%Si,）,2.1.4,镦锻次数的确定,产品在冷镦中，通常都要经过两次以上的镦锻才能成型。镦锻次数确定合理，将充分利用金属的许用变形程度，提高模具的使用寿命，保证产品的质量。确定镦锻次数，考虑下列因素：,a,镦锻比,即坯料需要变形部分的长度与直径的比，比值过大，一次镦锻就会出现纵弯现象，压扁后，会出现夹层，如图,36-9,所示。要避免镦锻中出现这些缺陷，必须增加镦锻次数。即首先将坯料预镦成锥形，之后再精镦，直至达到需要形状。,一般按下列数据来决定镦锻次数：,当 ,2.5,时，可一次镦锻；,当,2.5 4.5,时，镦锻两次；,当,4.5 6.5,时，镦锻三次。,b,考虑工件头部直径,D,与高度,H,的比值。,如图,36-10,所示，是头部直径较大、高度较小的大直径薄扁头细杆零件，所需坯料,h,0,/d,0,在,2,以上大头细杆零件，若采用一次镦锻成形，就会在头部边缘处产生裂纹。类似的工件，只有增加镦锻次数，采用逐步成形的方法。,c,考虑工件的表面粗糙度要求及外部几何形状的复杂程度,如半圆头、圆柱头等形状的机螺钉，虽然头部所需坯料的,h,o,/d,o,值一般都小于,2.5,，但为了头部在变形中能充满，达到标准要求，一般都采用两次镦击。预镦锥形头部为精镦头部成形创造良好的金属流动条件。又如用大直径小变形的线材镦制螺母，采用线材直径为,0.9s,（,s,为六角螺母对边尺寸），一般产品的变形程度为,25%,左右，但由于六角螺母形状比较复杂，镦制中变形方式较多，它既有冷镦又有复合挤压和冲孔，为了有利于变形中金属流动，因此选用,3,4,次镦击成形。,值得强调的，不是对所有形状比较复杂的产品都靠增加镦锻次数来解决。往往有的产品，镦锻次数增加了，在第一次、第二次镦锻中很容易成型，但由于冷作硬化的原因，使产品在以后的镦锻中难以进行。表现在工件在镦锻中出现开裂或者损坏模具。解决这类问题的关键在于减少变形量，增加钢材的塑性，采取更加有效的润滑。螺栓、螺钉在冷镦工艺中选用大直径线材、小变形工艺。一般线材直径与螺钉螺纹直径,D,相接近，用一次或两次杆部缩径达到螺坯尺寸。对中碳钢、合金钢而言，在材料改制中用球化退火来改善钢材的冷镦塑性，用磷化、皂化处理来保证钢材的表面润滑，使之变形中尽可能减少摩擦。另外在模具上增加强韧性，使它承受复杂的变形中有刚性，又有足够的韧性和耐磨性。,2.1.5,冷镦工艺中力的计算方法,2.1.5.1,冷镦力,冷镦力是确定工艺参数、设计模具、设计冷镦机和专用设备选型的主要依据。,决定冷镦力大小的因素较多，主要有以下几个方面：,a,金属的机械性能,冷镦力随材料强度、硬度的增加而增加。,b,工件形状、变形程度,冷镦力随工件变形量的增加而增加。,c,摩擦,由于模具和工件间的接触面有摩擦力，不同程度地改变了作用力的方向和大小，从而产生对冷镦力的影响。,d,工模具形状,工模具形状的不同，造成金属在各方向流动阻力的差异，从而影响冷镦力。,2.1.5.2,冷镦力的计算方法,常用的冷镦力的计算公式有：,a,经验公式,P=,K,t,F,（公斤） （公式,36-8,）,式中,F,工件镦锻终止时的投影面积（,mm,2,）,K,头部形状复杂系数，按图,36-11,选择。对六角头螺栓， 一般选,K=2.0,2.4,t,考虑冷作硬化后的变形阻力，可由下式计算：,t,（,kg/mm2,）,(,公式,36-9),式中,b,钢材抗拉强度极限（,kg/mm,2,）,Fo,镦锻前坯料断面积（,mm,2,）,b,近似理论推导的计算公式,在考虑影响冷镦力大小的主要因素的基础上，并根据经验进行修正，得出如下的冷镦力计算公式：,（公式,36-10,）,式中,d,镦锻后工件头部最大直径（,mm,）,h,镦锻后工件头部高度（,mm,）,F,工件头部投影面积（,mm,2,）,Z,变形系数,n,工具形状系数,工件变形部分形状系数,摩擦系数,Z,、,n,、,、,可按表,36-2,选取,表,36-2,冷镦力计算系数,b,(N/mm,2,),Z,变形系数,n,工具形状系数,冷镦部分形状系数,摩擦系数,牌号,数值,工序,形状,系数,凹陷,棱角,系数,条件,系数,面,润滑,系数,10,340,预,简单,1.0,2,无,无,1.0,圆柱形,1.3,研磨,石墨,0.05,0.10,20,420,精,简单,1.2,1.5,有,无,1.75,2.0,正方形,六角形,2.0,研磨,无,0.1,0.15,25,460,精,复杂,1.5,1.8,有,有,2.5,矩形,2.5,精加工,0.15,0.2,30,500,非对称形,复杂形,2.5,3.0,粗加工,0.20,0.30,就计算的精确度而言，第二个公式比第一个公式计算结果要精确一些，但计算不如经验公式简单，一般常采用经验公式计算，最后预以修正。,2.1.5.3,辅助工艺力的计算方法,1,剪切力的计算,冷镦过程中，坯料的切断、头部切边、螺母冲孔等，都是使一部分材料从基体中冲、切开来。影响剪切力大小的主要因素有钢材机械性能、剪切面面积。其它如上、下切刀板的间隙、切刀刃口的锋利程度等对剪切也发生影响，但计算中忽略不计。实际生产中，由于刀板刃口的磨损、刀板间间隙大小，都会引致剪切力增加。,a,毛坯切断力的计算,P,剪,=,F,（,N,） （公式,36-11,）,式中,F,坯料剪切面面积（,mm2,）,钢材抗剪强度,表,36-3,列出了常用钢材的抗剪强度。,表,36-3,常用材料剪切加工一般所采用的间隙和,值,材料,间隙（,%,）,抗剪强度,（,N/mm,2,）材料,材料,间隙（,%,）,抗剪强度,软钢,6,9t,320,400,黄铜,软,6,10t,220,300,硬钢,8,12t,550,900,硬,350,400,硅钢,7,11t,450,560,铝,软,5,8t,70,110,不锈钢,420,560,硬,6,10t,130,180,铜,软,6,10t,180,220,铝合金,软,6,10t,220,硬,250,300,硬,380,注：,t,坯料截面（剪切面）厚度,mm,b,切边力的计算公式,P,切,=,LH,（,N,） （公式,36-12,）,式中,L,切边周长（,mm,）,H,切边高度（,mm,）,c,螺母冲孔力的计算公式,式中：,d,冲孔直径（,mm,）,h,冲孔连皮厚度（,mm,）,（注：冲孔连皮是指螺母坯料冲孔时，需要冲出的铁豆厚度，它小于螺母的高度。）,2,缩径力的计算,冷镦螺栓一般都采用粗径线材缩径工艺，即将大于螺纹外径的线材，经过一次或两次缩径，达到搓制螺纹坯料的尺寸。就缩径而言，实际是一个正挤压，可应用正挤压实心件的计算公式：,P=,p,F,（,N,） （公式,36-14,）,式中：,P,单位挤压力（,N/mm,2,）,F,缩径前杆部截面积（,mm,2,）,P,可根据含碳量不同，变形程度,不超过,30%,时，可取,P,=600,900N/mm,2,。,2.1.5.4,顶料力,螺栓在冷镦成形中的预镦、精镦、缩径、切边，螺母在镦球、压型等过程中，都需要将所镦锻的坯件从凹模中推出，需要一定的顶料力。影响顶料力大小的主要因素有：钢材种类、工件轮廓形状、尺寸大小、模腔接触表面的粗糙度、润滑等。在正常情况下，一般顶料力不大，当工件与凹模接触面产生“粘滞”，摩擦力将大大增加，还有螺母球在凹模中产生重料（两个螺母球坯），顶料力就会成倍增加，严重时还会损坏模具，影响机器运转。所以自动冷镦机的顶料机构一般都有与主机联锁的保险装置，一旦顶料出现故障，能自动停车。,顶料力的计算主要用于校核顶料机械中顶料杆、顶料凸轮的强度。,a,凹模顶料力,PT=,t,F,（,N,） （公式,36-15,）,式中,t,单位面积上的顶料力。经验数据,t,=500,600N/mm,2,F,冷镦工件杆部断面积,mm,2,，冷镦螺母取相应的坯件的投影 面积,mm,2,b,切边顶料力,P,T,=,PK,t,（,N,） （公式,36-16,）,式中,P,切边力（,N,）,K,t,系数,头部高度,5,，,Kt=0.1,0.12,头部高度,5,，,Kt=0.12,0.15,2.2,冷镦工艺中工序、工位变形形状的分析,紧固件产品的冷镦（压），由压力机、自动冷镦机来完成。分序冷压、单工位、多工位冷镦中，上序或上工位镦（压）的半成品形状，直接影响着下序或下一工位的成形。因此,在合理分配变形比的基础上如何确定正确的变形形状，对以后的变形以及产品质量都有着直接关系。,2.2.1,杆状紧固件的冷镦（压）工艺,杆状紧固件冷镦（压）加工，应考虑各工序（工位）的有关参数。主要参数有镦锻比，,L,o,、,d,o,分别为毛坯镦锻部分的原始长度和原始直径,;D,、,H,分别表示镦锻后工件的直径和高度，参见图,36-7,。,L,o,/d,o,是衡量毛坯镦粗变形的纵向稳定性，即毛坯镦粗部分在镦粗时的抗纵向弯曲能力。,L,o,/d,o,的值越小，越有利于头部的镦锻成形；,L,o,/d,o,的值过大时，毛坯镦锻部分产生纵向弯曲。影响坯件镦粗变形的纵向稳定性除,L,o,/d,o,的值以外，还有其他因素。无论是自动冷镦机，还是切料机，无论是刀板切料，还是套筒刀切料，坯件的切断面都不能与其轴心线垂直，应有一个,1,5,角的倾斜。这样在冷镦（压）时，初冲对坯件的着力点不在中心，而会出现偏心，使坯件受力不均，从而产生变形不均，导致头部成形时因纵向弯曲而出现折迭。对于切断面倾斜角小的，变形中产生的纵向弯曲不明显，不至于达到影响头部质量的程度。在冷镦（压）工艺中，在切断以后，安排一个坯件整形，其主要目的就在于此。,此外，初冲型腔的底端是对坯件施加镦锻力的传递面，如果中心偏移，合力的作用中心势必产生偏移，同样道理，也是影响产生纵向弯曲的因素。在初冲中采取带弹簧的顶杆（参见图,36-13,），就可缓解这种影响。其它如机床的运行精度、操作者对工装安装调整水平也对初冲成形有影响。,为了使初冲变形中，改变坯件的稳定性，尤其对于低碳钢这类切断性较差的钢种，为了增加坯件在变形中的稳定性，在初冲小端工作型腔中除了锥形外，还要有高为,1.5,2mm,的圆柱形型腔,如图,36-12,所示。,据经验，当,L,o,/d,o,2.3,时，只需要一次镦锻就可成形，不会出现纵向弯曲，当,L,o,/d,o,4.5,时，要经过两次镦锻完成头部成形；当,L,o,/d,o,8,时，则要通过三次镦锻完成头部成形。总之，,L,o,/d,o,的值愈大，需要镦锻的次数愈多。对于中碳钢、合金钢而言，由于镦锻带给的冷作硬化，使以后的变形工序难以进行，这时需要将连续冷镦（压）改成分序冷压，在工序间的半成品经过软化退火处理，使半序品硬度降低，并去除工序变形中产生的内应力。,D/H,的比值愈大，镦锻成形难度就愈大。实际上，可将表示,D,、,H,的产品变形终了尺寸算成体积，再算出所需毛坯的长度,L,o,和直径,d,o,，用,L,o,/d,o,的值来确定镦锻次数。,(1),六角头螺栓头部初镦形状的确定,初镦的形状确定合理，将有利于金属在型腔里的流动，使金属纤维流动不紊乱，有利于下一工位的变形。,初镦的形状为锥形，初镦锥形模腔有两种形式，一为不带弹簧顶杆（针），一为带弹簧顶杆（针）,见图,36-13,。,不带弹簧顶杆的锥形冲模用于长杆工件的镦制；带弹簧顶杆的冲模用于杆部较短的工件。不带弹簧顶杆初冲的锥形型腔锥角适当大一些，使工件容易脱离初镦模，一般,取,8,16,，初镦冲头的内腔形状,见图,36-14,。,在三击镦锻时，需要镦两次锥形，第一次锥形，锥角特别小，,为,2,3,，基本起着整形作用，使它在第二次初镦变形中，有一个良好的对中性和稳固性。锥形冲模工作型腔的尺寸，可根据要镦制头形的体积、线材直径、冲模与凹模之间的距离来计算出来。由图,36-15,可见，整个锥形头部的体积由体积,V1,和,V2,两部分组成，即,V,锥,=V1+V2,，而,V,锥等于产品头部精镦后的体积即,V,。,V,可由产品尺寸计算出，则,V1=V-V2,。,从图,36-15,可看出，,V,2,的制约因素较多，如冲模与凹模的间隙距离、凹模工作凹穴的深度，以及金属在里面的充填形状、形成,V,2,的桶形直径等，所以一般都采用经验公式：,V,1,=KV,（,mm,3,） （公式,36-17,）,式中,V,形成产品头部的体积,K,产品形状系数,对于六角头螺栓及六角头导颈螺栓，,K=0.75,0.85,；,对于半圆头螺钉，,K=0.7,0.8,；,对于沉头螺钉，,K=0.5,0.6,。,锥形体的小端直径,d,M,等于原材料的最小尺寸或略小于最小尺寸，锥形体的大端直径,D,K,取,1.2,1.3d,M,。,当,DK=1.2dM,时，锥形体的体积,V1,为：,（公式,36-18,）,则 （公式,36-19,）,如取,DK=1.3dM,时 （公式,36-20,）,模腔锥角,（公式,36-21,）,(2),机器螺钉初镦形状的确定,机器螺钉种类很多，主要区别于头部的几何形状。总的说，机器螺钉头部成形的镦锻比（,S=Lo/do,和,D/h,），值比较小，比较容易镦锻。对于简单头形的机器螺钉，单击冷镦生产的工件,如图,36-16,，可采用一次镦锻。但是，不少品种的机器螺钉，头部槽型比较复杂。为十字槽型等，头部成形则需要两次及以上的镦制。要按标准镦制符合槽型要求的产品，初冲的造型起着决定性的作用。,在精镦头部成形时，同时对槽型产生镦挤，这时产品头部的变形，除了金属因镦粗而流动充满头部大端以外，还会伴随槽型的挤压而有一个反受力方向流动的趋势，从而影响大端边缘金属的充满。尤其在槽型方向有明显“缺肉”的现象。为了解决这个局部不充满的缺陷，将初,冲的顶端做成圆弧形，对于平圆头十字槽螺钉的初冲做成圆锥形的顶端,并带一个,120,150,的锥角体,见图,36-17,。其目的是为了减少变形中金属的反向流动，有利于头部大端的充满。,(3),内六角圆柱头螺钉初镦形状的确定,冷镦内六角圆柱头螺钉,(,头部镦锻比小于,1.5),，由,于头部带较深的内六方孔，几何形状复杂，产品,性能要求高，为,8.8,、,10.9,、,12.9,级，使用的钢材,为中碳钢、合金钢、冷成形性能差，头部变形复,杂，镦粗、正挤压、反挤压都有。因此，这类产,品初冲成形，一般应经过初镦和第二次预镦。图,36-18,列出了几种生产中常用的初镦形状。在二,序预镦中，头部镦出内六角预成形凹穴，是为下,一工位精制内六方孔时，减少变形量，金属在反,挤压变形中流动阻力小一些，使六角冲头承受的,载荷尽可能减小，并且使金属流动比较均匀地充,满头部上、下端的边缘。,(4),杆状紧固件的精镦,杆状紧固件的精镦是将预镦成形的坯件头部在上、下模间的工作型腔里进行镦制，获得产品头部的最终形状和尺寸。,头部的变形因产品头部几何尺寸不同而不一样，大体有以下几种形式：,a,六角头、四方头的螺栓,图,36-19,所示成形区有三个区域，头部高度的,1/3,在上模型腔成型，,1/3,2/5,在下模型腔成形，其余,在上、下模间的间隙形成飞边，最,后由切边工艺完成六角头、四方头,的切边。,b,半圆头、平圆头类型的机器,螺钉，头部完全在上模（光冲）型,腔成形。,c,内六角圆柱头螺钉、凹穴六角,头螺栓类产品，头部在下模型腔里,成形。因为是精镦，上、下模的工,作型腔皆要满足产品头部尺寸的要求。,(5),杆状紧固件的缩径工艺,六角头螺栓是应用很普遍的紧固件，它的强度级别范围大，从,3.6,12.9,级都有生产。对于中、低强度级别的六角头螺栓，一般采用两种工艺生产，一为细杆工艺，一为粗杆缩径工艺。所谓细杆，是用相当于螺纹坯径尺寸的线材进行冷镦，线材尺寸变化很小，杆部可以直接搓制螺纹；粗杆是用大于螺纹外径尺寸的线材，冷镦工艺中安排一,次、二次或二次以上的缩径，使螺纹长度部分的杆部达到螺坯尺寸。,内六角圆柱头螺钉按国家标准规定是,8.8,级及其以上级别的高强度产品，尽管头部变形程度不大，但使用线材强度较高，塑性相应要小，因此普遍采用粗杆缩径工艺，冷镦中经过一次及以上次数的缩径，使螺纹长度的杆部直径达到螺坯尺寸。,六角头螺栓采用细杆工艺，冷镦时头部变形程度相对于粗杆来说有所增加，它适用于短规格全螺纹产品的生产。,细杆工艺生产螺栓，常存在以下问题：,a.,头部变形程度大，容易产生裂口，有时,切六方边裂口也不能完全去除。,b.,头部在镦粗中，常因变形程度大而产生,纵向弯曲，在距支承面,1/3,处出现折迭,见图,36-20,，并导致螺栓掉头。,c.,头部与杆部结合强度较差，成为细杆螺,栓掉头的隐患。采用粗杆缩径工艺，避免了,以上问题。但是，由于需要缩径，它不仅增,加了缩径力，使模具结构也相应复杂了。,它必须有缩径模，一般用硬质合金加工，增加了模具成本。,此外，对线材的表面润滑、材料硬度也有特殊要求。生产中采用的线材大部分都经过磷化、皂化处理。线材经过球化退火,硬度应为,75,85 HRB,。,总的说来，粗杆缩径工艺虽然对线材、模具要求高，增加了生产成本，但是就产品质量而言，它可减少由于材料塑性不好而产生的产品开裂。提高了材料利用率，保证了产品的强度要求，综合经济效率还是好的。,图,36-21,螺栓两次缩径工艺图示例,图,36-22,是圆柱头内六角螺钉工艺图示例,(6),螺栓头部切边,六角头螺栓有头部带凹穴的及头部平顶的两种型式。从生产和使用角度看，头部平顶的六角头螺栓，要占总量的,90%,以上。头部带凹穴的螺栓，由于头部直接冷镦（压）成形，对线材塑性要求高，六角棱边充满差，常呈秃角，在扳拧使用中容易打滑，这点在设备自动装配线上反映更敏感，客观上限制了这种头型螺栓的生产。,头部平顶的螺栓，六方是由切边形成的，切边可安排在多工位自动冷镦机按多工位生产工艺完成，也可由专用的切边机上来完成。,2.2.2,螺母冷镦（压）工艺,1,常用螺母冷镦工艺分类,六角螺母也是一种使用面很广的紧固件，它的生产方法较多，,M24,以下规格的螺母普遍采用冷镦（压）方法生产。常用的螺母冷镦工艺有以下几种：,a.,用较小直径的线材冷镦生产螺母,这是一种冷镦生产螺母中用得最多的生产方法。使用线材直径,do=0.60s,0.70s,，,s,螺母对方尺寸。采用切料、整形、镦球、压六方、冲孔的工位（工序），见图,36-23,。在三工位、四工位自动冷镦机生产，也可在压力机上分序生产。在三工位冷镦机上生产可省去整形，但大于,M12,以上规格的螺母，不经整形，端面质量及秃角的均匀性都不好控制。,b.,用较大直径的线材冷镦生产螺母,这种工艺使用线材直径,do0.9s,，经切断、整形、初镦、预成形、精成形、冲孔而成，一般在五工位自动冷镦机上生产，夹钳带翻转机构,见,图,36-24,。,c.,六方钢成形工艺,这种工艺方法用的较少，一般用于,M20,以上大规格螺母的生产，在压力机上用分序冷压的方法完成。工艺流程按切料、初压、精压、冲孔进行生产。,2,螺母冷镦（压）工艺分析及工艺参数,a.,切断,在自动冷镦机多工位生产或压力机上分序生产，切断都是第一道工序，也是较关键的工序。因为切料断口的平整性、切刀板压下所形成的马蹄印大小,(,见图,36-25),，都对下序的整形、镦球有直接的影响。由公式,36-22,可计算出切料长度。,（公式,36-22,）,式中,L,o,切料长度,mm V,型,螺母冲孔前坯料体积（,mm,3,）,F,o,线材截面积,mm,2,这仅是一个计算值，实际生产中还要通过调整档料柱来修正切断长度。有时还用称重法来衡量切料是否准确，即坯料重相当于切断的料柱重。切断模的孔径应比料的最大直径大,0.05,0.1mm,，刀板与切断模之间的间隙为,0.1mm,左右。,b.,整形,如图,36-26,所示，整形是把料柱的端面镦平，在下端镦（压）出,1,245,的倒角，目的是将切料的缺陷进行修整，保证下一压球工序的质量。,整形的尺寸,d=d,o,+(0.1,0.25)(mm),式中,d,o,线材直径,mm,。,c.,镦球,镦球是将整形后的料柱镦（压）成鼓形球状,见图,36-27,，它的质量影响螺母的端面、秃角、棱边的清晰和质量。在确定鼓形球几何尺寸时，按经验，在倒角,40,确定的情况下，,d,M,、,h,尺寸应尽可能小。这样，在压六方时，相应部位的摩擦力要小，金属在压型力的作用下，金属流动性好，容易充满六方。如果,d,M,、,h,偏大，则在压六方时，不易充满六角。如果为了使六方充满而增加压型力，则螺母端面就会产生飞边。,鼓形球尺寸按经验数据如下：,d,M,=(0.7,0.8)d,径,D,max,S,min,式中,d,径,螺母公称直径,mm,D,max,鼓形球最大直径,mm,s,min,螺母,s,方最小尺寸,mm,根据,d,M,、,D,的尺寸和螺母坯料体积，,鼓形球的其它尺寸可通过计算得出：,（公式,36-23,）,H=h+(D-d,M,)tg40 (,公式,36-24),d.,压型,压型,即镦压成型螺母的六方，使之满足六方螺母外形尺寸的要求。变形尺寸是否合理，直接影响产品的质量和模具的寿命。,压六方的尺寸要考虑的主要因素有：六方坯在六方凹模里的脱模及下序冲孔的胀方。因此，要求螺母侧面要有一个倾斜角,（见图,36-28,），其大小随规格的增加而偏大，如,M10,以上的螺母，,一般取,0.30,1,，如,角过大，六方凹模上、下端口尺寸相差较多，会使六方下冲（又称压型下模）在套模内定位不稳，容易造成镦压螺母坯料偏心，使螺母的垂直度（,）超差，同时经冲孔胀方后,s,尺寸也达不到标准要求。,取,0.30,1,实际是由生产实际经验摸索而定的。,压型除这个尺寸以外，还有很多尺寸与 螺母的外形尺寸及产品的外观等有直接,关系（见图,36-29,）,表示出了螺母压型坯 件的尺寸。其中，两端凹穴的几何形状 尺寸很重要。,d1,是一个关键尺寸，偏 小，冲孔容易产生毛刺,;,偏大，冲孔容易 出现喇叭口，影响内螺纹的完整。经验 数据为：,M8,：,d1=d,小,max+(0.02,0.04)mm,M8,M14,：,d1=d,小,max,+(0.05,0.10)mm,M14,M18,：,d1=d,小,max,+(010,0.15)mm,M18,M24,：,d1=d,小,max,+(0.15,0.30)mm,式中：,d,小,max,螺母内螺纹小径最大尺寸（,mm,）,d=(1.05,1.1)d,径,式中,d,径,螺母公称直径（,mm,）,d,尺寸过小，不利于螺母镦压成型，不利于金属流动，六棱角不清晰；,d,尺寸过大，螺母支承面减小，影响外观及紧固强度。,d1,和,d,尺寸确定后，按标准螺母内倒角,120,，一般取为,106,，其原因是内倒角取小一点，按公式计算，,h,尺寸就可大一些，这样既可节省钢材，螺母压型时变形有利，又可缩小冲孔连皮（即冲孔冲出的铁豆）厚度，有利于冲孔。,h=(d-d1)tg37,（公式,36-25,）,凹穴中另一重要尺寸为,h1,和,角，它们对螺母镦压成型后，从六角凹模顶出的六方下冲有影响。,h1,不宜过高，过高将影响螺母六方型坯及时从六方下模冲脱开，接着下一个型坯又进入凹模，从而引起重帽，而产生故障。经验数据为：,M6,：,h,1,0.30mm,M8,M10,：,h,1,=,（,0.4,0.5,）,mm,M10,M16,：,h,1,=,（,0.6,1.0,）,mm,M18,M24,：,h,1,=,（,1.2,1.6,）,mm,对,M20,以上螺母，压型上模的,h,1,可比下模高（,0.30,0.50,）,mm,，更有利于冷镦变形。,一般取,10,15,。,h1,、,确定后，,d2,尺寸可按下式计算：,d2=d1-2h1tan (,公式,36-26),凹穴顶部为一圆锥，锥角取为,150,，则圆锥的角度为,tg15,，整个凹穴的高度为：,h2=h+h1+tg15 (,公式,36-27),凹穴尺寸一般不作为检验依据，由模具的尺寸来保证。,上述数据依据为,GB/T 6170-2000,标准螺母。对于其他型式的螺母不完全适用。,e.,冲孔,冲孔尺寸大小、质量，都是为了满足下序攻螺纹的要求。螺母内孔直径一般按小径最大尺寸决定。考虑到钢材硬度要影响冲孔质量，孔径可定在螺母小径最小尺寸与最大尺寸之间，由操作者在其公差范围内灵活掌握。实际上考虑到攻丝的因素，冲孔尺寸的公差要小于小径的公差。,冲孔必须注意以下两方面的问题：,（,1,）螺母冲孔后,s,方胀方问题,冲孔实际上是对坯料进行冲切。内孔冲裁表面有冲切面还有撕裂面（图,36-30,）。孔冲对内孔产生的冲切力导致孔冲与内孔的接触面产生摩擦力，与孔冲向下冲切方向相反，这样形成的附加应力所导致径向张力，使,s,方径向扩张，即胀方。很显然，胀方的大小与孔冲刚度、刃部锋利情况有关，还与螺坯的材质有关。低碳钢比中碳钢胀方要大，普碳钢比相同含碳量的优质钢胀方要大。这可从钢材的切削性能随含碳量的增加而提高,得到解释。当然，由于钢材含碳量增加，强度增加，它对孔冲的强韧性要求也更高。,此外，胀方与螺母对方尺寸（即对边,宽度）,s,与螺母高度,m,的比值有关，表,36,-4,列出了部分规格螺母冲孔后的胀方值。,即使注意到了这些问题，但往往由于螺母材质发生变化,(,材质为中碳钢或合金钢,),，一般也解决不了因胀方而使,s,方超差的问题，在,M16,及以上规格更突出。为了解决,s,方因冲孔胀方而超差的问题，可采取以下措施：,a.,减小冲孔尺寸，增加铰孔，铰孔余量在,0.5,1mm,；,b.,采用两次冲孔，第二次冲孔余量在,1,毫米左右。第二次冲孔不存在胀方；,c.,冲孔孔模前加一六方凹模片，可防止螺母,s,面胀方，六方凹模片厚度略高于螺母高度,m,，模口倒圆角，以利于坯料进入凹模。模腔要有,010,015,的出模锥度。采用此种结构，即使是六角厚螺母（,GB/T 56D=16,m=25;D=20,m=32;D=24,m=38,），也可用冷镦生产。,镦压螺母的六方凹模要有锥度，一是使螺坯容易顶出脱模，一是补偿冲孔的胀方值，使螺母,s,方尺寸不因胀方而超差。如图,36-31,所示，,M10,以上,角取,030,1,，随着螺母规格的增大，,角也增大，最大不宜超过,1,。,表,36-4,部分规格螺母冲孔后的胀方值。,规格（,GB/T 6170,）,s/m,max,冲孔连皮厚度（,mm,）,冲孔膨胀值（,mm,）,螺母材料,硬度,HB,M6,10/4.9,2.5,0.06,0.23,A3,103,107,M8,13/6.44,3.56,0.01,0.06,ML20,152,217,M10,16/8.04,5.1,0.01,0.06,ML20,200,246,M12,18/10.37,6.33,0.35,0.40,ML20,M14,21/12.1,7.85,0.23,0.33,ML20,180,204,M16,24/14.1,7.85,0.28,0.40,ML35,175,207,M20,30/16.9,10.1,0.70,0.80,ML20,d.,改进压六方冲头的凸台尺寸，即螺母压型后坯料两端凹穴尺寸中的,h1,（参见图,36-29,）。适当加高,h1,部位，即减少冲孔连皮厚度，可改善冲孔时的胀方情况，但,h1,不宜过高，过高对坯料脱离凸台不利，容易产生重料（即第一个坯料没脱离开，第二个坯料就来了）而造成事故。,e.,采用反冲孔，可解决胀方问题。,（,2,）孔的粗糙度和圆整度,为了使粗糙度达到最小及得到较圆整,的内孔，冷镦螺母冲孔凸凹模之间的,间隙要求比一般冲裁模的间隙要小，,希望孔内壁,80%,以上呈光亮带（参见,图,36-30,），撕裂带不超过孔壁的,20,%,。采用小间隙冲孔，有时会出现另,一个质量问题：“槽孔”，见图,36-32,。,“槽孔”是由于冲孔时产生二次光亮带,引起的。,冲孔内孔的质量与采用冲孔凸凹模的几何形状及凸凹模间隙有关。生产中使用的冷镦螺母冲孔凹模大体有三种型式：,a.,凸台式冲孔凹模,如图,36-33,所示，这种凹模刃口部分有一凸台，适用于,M12,以下的中、小规格螺母冲孔用，凸凹模间隙取（,0.03,0.15,）,mm,。它的优点,是冲孔时容易定位，冲出的孔断,裂带少，“喇叭口”不严重。缺点是，,当冲孔速度较慢时会产生“槽孔”，,当更换新孔冲，孔冲的刃口较锋利时，,也可能出现“槽孔”，这时，只要用砂纸,将孔冲刃口砂成圆角，可在冲孔时起,挤光冲切面的作用，可避免“槽孔”,的出现。采用这种凹模，压六方的下,冲头凸台,h1,不宜太高，过高，冲孔时,容易产生铁屑，粘在凹模面上，使螺,母端面产生压痕，影响外观。,b.,平直式冲孔凹模,如图,36-34,所示，这类凹模的间隙可稍大,于上述凹模，寿命也较长。缺点是：在冲孔,速度较慢时容易产生毛刺，或单面撕裂一块,，超过普通断裂带，有时一直延伸到螺母内,倒角处，（参见图,36-30,），造成攻丝时扣,不完整。这种现象在低强度螺母冲孔时容易,发生，造成质量不稳。,c.,带圆角的冲孔凹模,如图,36-35,所示，这类凹模内孔端口有一,r=,（,2,3,）,mm,的圆角，凸、凹模间隙可取,得大一些，一般用于,M14,以上。缺点是冲出,的孔断裂带较大，即“喇叭口”大，一般通过,铰孔，使孔圆整光洁，达到尺寸要求。对低,强度螺母冲孔时，也会单面撕裂到内倒角处,。优点是模具寿命较长。,