工艺技术-冷镦挤压成型工艺教材(ppt 65页)

冷镦（挤压）成型工艺 主讲人：程从志 n 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： n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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 n 1.1 变形 n 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。 n 1.1.1 变形的种类 n a.弹性变形 n 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。 n 弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。 n b.塑性变形 n 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。 n 塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。 n 1.1.2 塑性的评定方法 n 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： n (1)拉伸试验 n 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： n （公式 36-1） （公式 36-2） n 式中： L0、 Lk 拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。 n F0、 Fk 拉伸试样原始、破断处的截面积。 n (2)镦粗试验 又称压扁试验 n 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： n （公式 36-3） n 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。 n (3)扭转试验 n 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 。 n 1.1.3 影响金属塑性及变形抗力的主要因素 n 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。 n 影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面： n a金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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 。 n b变形速度对塑性及变形抗力的影响 n 变形速度是单位时间内的相对位移体积： n （公式 36-4） n 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。 n 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。 n c应力状态对塑性及变形抗力的影响 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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 n 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 。 n 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。 n d冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响 n 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。 n e附加应力及残余应力的影响 n 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。 n 1.1.4 提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施 n 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： n a坯料状况 n 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。 n b提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件 n 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。 n c选择合适的变形规范 n 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。 n 1.2 金属塑性变形的基本规律 1.2.1 最小阻力定律 n 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。 n 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。 n 1.2.2 体积不变定律 n 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 。 n 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。 n 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。 n 1.2.3 变形中影响金属流动的主要因素 n a 摩擦的影响 n 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。 n 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）。 n b工模具形状的影响 n 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。 n c金属本身性质不均的影响 n 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 n 2.1 冷镦（挤）工艺基本概念 n 2.1.1 冷镦、冷压 n 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。 n 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。 n 2.1.2 冷镦（挤）的变形方式 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n e复合挤压 n 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 ）。 n 2.1.3 冷镦（挤）变形程度 n a变形程度 n 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。 n b变形程度的表示方法 n 第一种方法用镦锻比 (S),如图 36-7所示。 n 即： （公式 36-5） n 式中： h0 被镦锻部分的原始高度 n d0 被镦锻部分的原始直径 n 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。 n 第二种方法用镦锻率（ ） n 即： n （公式 36-6） （公式 36-7） n 式中 ho、 Fo 镦锻前头部材料的原始高度、横截面积 n h、 F 镦锻后工件的高度、横截面积 n c许用变形程度 n 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。 n 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。 n 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。 n 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） n 2.1.4 镦锻次数的确定 n 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： n a镦锻比 n 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。 n 一般按下列数据来决定镦锻次数： n 当 2.5时，可一次镦锻； n 当 2.5 4.5时，镦锻两次； n 当 4.5 6.5时，镦锻三次。 n b考虑工件头部直径 D与高度 H的比值。 n 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 h0/d0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。 n 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 n 如半圆头、圆柱头等形状的机 螺钉，虽然头部所需坯料的 ho/do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。 n 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。 n 2.1.5 冷镦工艺中力的计算方法 n 2.1.5.1 冷镦力 n 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。 n 决定冷镦力大小的因素较多，主要有以下几个方面： n a金属的机械性能 冷镦力随材料强度、硬度的增加而增加。 n b工件形状、变形程度 冷镦力随工件变形量的增加而增加。 n 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。 n d工模具形状 n 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。 n 2.1.5.2 冷镦力的计算方法 n 常用的冷镦力的计算公式有： n a经验公式 n P=KtF（公斤） （公式 36-8） n 式中 F 工件镦锻终止时的投影面积（ mm2） n 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 n 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) n 式中 b 钢材抗拉强度极限（ kg/mm2） n Fo 镦锻前坯料断面积（ mm2） n b近似理论推导的计算公式 n 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： n （公式 36-10） n 式中 d 镦锻后工件头部最大直径（ mm） n h 镦锻后工件头部高度（ mm） n F 工件头部投影面积（ mm2） n Z 变形系数 n n 工具形状系数 n 工件变形部分形状系数 n 摩擦系数 n Z、 n、 、 可按表 36-2选取 n 表 36-2 冷镦力计算系数 b(N/mm2) 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 n 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。 n 2.1.5.3 辅助工艺力的计算方法 n 1剪切力的计算 n 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。 n a毛坯切断力的计算 n P剪 =F（ N） （公式 36-11） n 式中 F 坯料剪切面面积（ mm2） n 钢材抗剪强度 n 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/mm2）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 610t 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 n b切边力的计算公式 n P切 =LH（ N） （公式 36-12） n 式中 L 切边周长（ mm） n H 切边高度（ mm） n c螺母冲孔力的计算公式 n 式中： d 冲孔直径（ mm） n h 冲孔连皮厚度（ mm） n （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。） n 2缩径力的计算 n 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： n P=pF（ N） （公式 36-14） n 式中： P 单位挤压力（ N/mm2） n F 缩径前杆部截面积（ mm2） n P可根据含碳量不同，变形程度 不超过 30%时，可取 P=600 900N/mm2。 n 2.1.5.4 顶料力 n 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。 n 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。 n a 凹模顶料力 n PT=tF（ N） （公式 36-15） n 式中 t 单位面积上的顶料力。经验数据 t=500 600N/mm2 n F 冷镦工件杆部断面积 mm2，冷镦螺母取相应的坯件的投影 面积 mm2 n b 切边顶料力 n PT=PKt（ N） （公式 36-16） n 式中 P 切边力（ N） n Kt 系数 n 头部高度 5， Kt=0.1 0.12 n 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 n 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 。 n 2.2.1 杆状紧固件的冷镦（压）工艺 n 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， Lo、 do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。 n Lo/do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。 Lo/do的值越小，越有利于头部的镦锻成形； Lo/do 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 Lo/do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。 n 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。 n 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 。 n 据经验，当 Lo/do 2.3时，只需要一次镦锻就可成形，不会出现纵向 弯曲，当 Lo/do 4.5时，要经过两次镦锻完成头部成形；当 Lo/do 8时 ，则要通过三次镦锻完成头部成形。总之， Lo/do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。 n 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 Lo和直径 do ，用 Lo/do的值来确定镦锻次数。 n (1) 六角头螺栓头部初镦形状的确定 n 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。 n 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。 n 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 n 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。 n 从图 36-15可看出， V2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 V2 的桶形直径等，所以一般都采用 经验公式： n V1=KV（ mm3） （公式 36-17） n 式中 V 形成产品头部的体积 n K 产品形状系数 n 对于六角头螺栓及六角头导颈螺 栓， K=0.75 0.85； n 对于半圆头螺钉， K=0.7 0.8； n 对于沉头螺钉， K=0.5 0.6。 n 锥形体的小端直径 dM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 DK取 1.2 1.3dM。 n 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） n (2) 机器螺钉初镦形状的确定 n 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。 n 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 n 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。 n (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。 n (4) 杆状紧固件的精镦 n 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。 n 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 ： n a 六角头、四方头的螺栓 n 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， n 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。 n 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。 n 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。 n (5) 杆状紧固件的缩径工艺 n 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 n 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。 n 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。 n 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。 n 细杆工艺生产螺栓，常存在以下问题： n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 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。 n 图 36-21 螺栓两次缩径工艺图示例 n 图 36-22是圆柱头内六角螺钉工艺图示例 n (6) 螺栓头部切边 n 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。 n 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。 n 2.2.2 螺母冷镦（压）工艺 n 1常用螺母冷镦工艺分类 n 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： n a. 用较小直径的线材冷镦生产螺母 n 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。 n b. 用较大直径的线材冷镦生产螺母 n 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。 n c. 六方钢成形工艺 n 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。 n 2螺母冷镦（压）工艺分析及工艺参数 n a. 切断 n 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。 n （公式 36-22） 式中 Lo 切料长度 mm V型 螺母冲孔前坯料体积（ mm3） n Fo 线材截面积 mm2 n 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。 n b. 整形 n 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。 n 整形的尺寸 n d=do+(0.1 0.25)(mm) n 式中 do 线材直径 mm。 n c. 镦球 n 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， dM、 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 dM、 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。 n 鼓形球尺寸按经验数据如下： n dM=(0.7 0.8)d径 n DmaxSmin 式中 d径 螺母公称直径 mm Dmax 鼓形球最大直径 mm smin 螺母 s方最小尺寸 mm n 根据 dM、 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-dM)tg40 (公式 36-24) n d. 压型 n 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。 n 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。 n 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： n M8： d1=d小 max+(0.02 0.04)mm n M8 M14： d1=d小 max+(0.05 0.10)mm n M14 M18： d1=d小 max+(010 0.15)mm n M18 M24： d1=d小 max+(0.15 0.30)mm n 式中： d小 max 螺母内螺纹小径最大尺寸（ mm） n d=(1.05 1.1)d径 n 式中 d径 螺母公称直径（ mm） n 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。 n 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。 n h=(d-d1)tg37 （公式 36-25） n 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： n M6： h10.30mm n M8 M10： h1=（ 0.4 0.5） mm n M10 M16： h1=（ 0.6 1.0） mm n M18 M24： h1=（ 1.2 1.6） mm n 对 M20以上螺母，压型上模的 h1可比下模高（ 0.30 0.50） mm，更 有利于冷镦变形。 n 一般取 10 15。 n h1、 确定后， d2尺寸可按下式计算： n d2=d1-2h1tan (公式 36-26) n 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： n h2=h+h1+tg15 (公式 36-27) n 凹穴尺寸一般不作为检验依据，由模具的尺寸来保证。 n 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。 n e. 冲孔 n 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。 n 冲孔必须注意以下两方面的问题： n （ 1）螺母冲孔后 s方胀方问题 n 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。 n 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。 n 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： n a. 减小冲孔尺寸，增加铰孔，铰孔余量 在 0.5 1mm； n b. 采用两次冲孔，第二次冲孔余量在 1毫 米左右。第二次冲