冷鐓成型工藝.doc
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. 緊固件冷鐓成型工藝 緊固件成型工藝中，冷鐓（擠）技術(shù)是一種主要加工工藝。冷鐓（擠）屬于金屬壓力加工范疇。在生產(chǎn)中，在常溫狀態(tài)下，對金屬施加外力，使金屬在預(yù)定的模具內(nèi)成形，這種方法通常叫冷鐓。實際上，任何緊固件的成形，不單是冷鐓一種變形方式能實現(xiàn)的，它在冷鐓過程中，除了鐓粗變形外，還伴隨有正、反擠壓、復(fù)合擠壓、沖切、輾壓等多種變形方式。因此，生產(chǎn)中對冷鐓的叫法，只是一種習(xí)慣性叫法，更確切地說，應(yīng)該叫做冷鐓（擠）。冷鐓（擠）的優(yōu)點很多，它適用于緊固件的大批量生產(chǎn)。它的主要優(yōu)點概括為以下幾個方面： a．鋼材利用率高。冷鐓（擠）是一種少、無切削加工方法，如加工桿類的六角頭螺栓、圓柱頭內(nèi)六角螺釘，采用切削加工方法，鋼材利用率僅在25%～35%，而用冷鐓（擠）方法，它的利用率可高達85%～95%，僅是料頭、料尾及切六角頭邊的一些工藝消耗。 b．生產(chǎn)率高。與通用的切削加工相比，冷鐓（擠）成型效率要高出幾十倍以上。 c．機械性能好。冷鐓（擠）方法加工的零件，由于金屬纖維未被切斷，因此強度要比切削加工的優(yōu)越得多。 d．適于自動化生產(chǎn)。適宜冷鐓（擠）方法生產(chǎn)的緊固件（也含一部分異形件），基本屬于對稱性零件，適合采用高速自動冷鐓機生產(chǎn)，也是大批量生產(chǎn)的主要方法。 總之，冷鐓（擠）方法加工緊固件、異形件是一種綜合經(jīng)濟效益相當(dāng)高的加工方法，是緊固件行業(yè)中普遍采用的加工方法，也是一種在國內(nèi)、外廣為利用、很有發(fā)展的先進加工方法。因此，如何充分利用、提高金屬的塑性、掌握金屬塑性變形的機理、研制出科學(xué)合理的緊固件冷鐓（擠）加工工藝，是本章的目的和宗旨所在。 1 金屬變形的基本概念 1.1 變形 變形是指金屬受力（外力、內(nèi)力）時，在保持自己完整性的條件下，組成本身的細(xì)小微粒的相對位移的總和。 1.1.1 變形的種類 a.彈性變形 金屬受外力作用發(fā)生了變形，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)原來形狀和尺寸的能力，這種變形稱為彈性變形。 彈性的好壞是通過彈性極限、比例極限來衡量的。 b.塑性變形 金屬在外力作用下，產(chǎn)生永久變形（指去掉外力后不能恢復(fù)原狀的變形），但金屬本身的完整性又不會被破壞的變形，稱為塑性變形。 塑性的好壞通過伸長率、斷面收縮率、屈服極限來表示。 1.1.2 塑性的評定方法 為了評定金屬塑性的好壞，常用一種數(shù)值上的指標(biāo)，稱為塑性指標(biāo)。塑性指標(biāo)是以鋼材試樣開始破壞瞬間的塑性變形量來表示，生產(chǎn)實際中，通常用以下幾種方法： (1)拉伸試驗 拉伸試驗用伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示。表示鋼材試樣在單向拉伸時的塑性變形能力，是金屬材料標(biāo)準(zhǔn)中常用的塑性指標(biāo)。δ和ψ的數(shù)值由以下公式確定： （公式36-1） （公式36-2） 式中：L0、Lk——拉伸試樣原始標(biāo)距、破壞后標(biāo)距的長度。 F0、Fk——拉伸試樣原始、破斷處的截面積。 (2)鐓粗試驗 又稱壓扁試驗 它是將試樣制成高度Ho為試樣原始直徑Do的1.5倍的圓柱形，然后在壓力機上進行壓扁，直到試樣表面出現(xiàn)第1條肉眼可觀察到的裂紋為止，這時的壓縮程度εc為塑性指標(biāo)。其數(shù)值按下式可計算出： （公式36-3） 式中 Ho——圓柱形試樣的原始高度。Hk——試樣在壓扁中，在側(cè)表面出現(xiàn)第1條肉眼可見裂紋時的試樣高度。 (3)扭轉(zhuǎn)試驗 扭轉(zhuǎn)試驗是以試樣在扭斷機上扭斷時的扭轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)圈數(shù)來表示的。生產(chǎn)中最常用的是拉伸試驗和鐓粗試驗。不管哪種試驗方法，都是相對于某種特定的受力狀態(tài)和變形條件的。由此所得出的塑性指標(biāo)，只是相對比較而言，僅說明某種金屬在什么樣的變形條件下塑性的好壞。 1.1.3 影響金屬塑性及變形抗力的主要因素 金屬的塑性及變形抗力的概念：金屬的塑性可理解為在外力作用下，金屬能穩(wěn)定地改變自己的形狀而質(zhì)點間的聯(lián)系又不被破壞的能力。并將金屬在變形時反作用于施加外力的工模具的力稱為變形抗力。 影響金屬塑性及變形抗力的主要因素包括以下幾個方面： a．金屬組織及化學(xué)成分對塑性及變形抗力的影響 金屬組織決定于組成金屬的化學(xué)成分，其主要元素的晶格類別，雜質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量及分布情況。組成元素越少，塑性越好。例如純鐵具有很高的塑性。碳在鐵中呈固熔體也具有很好的塑性，而呈化合物，則塑性就降低。如化合物Fe3C實際上是很脆的。一般在鋼中其他元素成分的增加也會降低鋼的塑性。 鋼中隨含碳量的增加，則鋼的抗力指標(biāo)（бb、бp、бs等）均增高，而塑性指標(biāo)（ε、ψ等）均降低。在冷變形時，鋼中含碳量每增加0.1%，其強度極限бs大約增加6～8 kg/mm2。 硫在鋼中以硫化鐵、硫化錳存在。硫化鐵具有脆性，硫化錳在壓力加工過程中變成絲狀得到拉長，因而使在與纖維垂直的橫向上的機械指數(shù)降低。所以硫在鋼中是有害的雜質(zhì)，含量愈少愈好。 磷在鋼中使變形抗力提高，塑性降低。含磷高于0.1%～0.2%的鋼具有冷脆性。一般鋼的含磷量控制在百分之零點零幾。 其他如低熔點雜質(zhì)在金屬基體的分布狀態(tài)對塑性有很大影響。 總之，鋼中的化學(xué)成分愈復(fù)雜，含量愈多，則對鋼的抗力及塑性的影響也就愈大。這正說明某些高合金鋼難于進行冷鐓（壓）加工的原因。 b．變形速度對塑性及變形抗力的影響 變形速度是單位時間內(nèi)的相對位移體積： （公式36-4） 不應(yīng)將變形速度與變形工具的運動速度混為一談，也應(yīng)將變形速度與變形體中質(zhì)點的移動速度在概念上區(qū)別開來。 一般說來，隨著變形速度增加，變形抗力增加，塑性降低。冷變形時，變形速度的影響不如熱變形時顯著，這是由于無硬化消除的過程。但當(dāng)變形速度特別大時，塑性變形產(chǎn)生的熱（即熱效應(yīng)）不得失散本身溫度升高會提高塑性、減少變形抗力。 c．應(yīng)力狀態(tài)對塑性及變形抗力的影響 在外力作用下，金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力，其單位面積之強度稱之為應(yīng)力。受力金屬處于應(yīng)力狀態(tài)下。 從變形體內(nèi)分離出一個微小基元正方體，在所取的正方體上，作用有未知大小但已知方向的應(yīng)力，把這種表示點上主應(yīng)力個數(shù)及其符號的簡圖叫主應(yīng)力圖。表示金屬受力狀態(tài)的主應(yīng)力圖共有九種，其中四個為三向主應(yīng)力圖，三個為平面主應(yīng)力圖，兩個為單向主應(yīng)力圖，如圖36-1所示。 主應(yīng)力由拉應(yīng)力引起的為正號，主應(yīng)力由壓應(yīng)力引起的為負(fù)號。 在金屬壓力加工中，最常遇到的是同號及異號的三向主應(yīng)力圖。在異號三向主應(yīng)力圖中，又以具有兩個壓應(yīng)力和一個拉應(yīng)力的主應(yīng)力圖為最普遍。 同號的三向壓應(yīng)力圖中，各方向的壓應(yīng)力均相等時（б1=б2=б3），并且，金屬內(nèi)部沒有疏松及其它缺陷的條件下，理論上是不可產(chǎn)生塑性變形的，只有彈性變形產(chǎn)生。 不等的三向壓應(yīng)力圖包括的變形工藝有：體積模鍛、鐓粗、閉式?jīng)_孔、正反擠壓、板材及型材軋制等。 在生產(chǎn)實際中很少迂到三向拉伸應(yīng)力圖，僅在拉伸試驗中，當(dāng)產(chǎn)生縮頸時，在縮頸處的應(yīng)力線，是三向拉伸的主應(yīng)力圖，如圖36-2所示 在鐓粗時，由于摩擦的作用，也呈現(xiàn)出三向壓應(yīng)力圖，如圖36-3所示。 總之，受力金屬的應(yīng)力狀態(tài)中，壓應(yīng)力有利于塑性的增加，拉應(yīng)力將降低金屬的塑性。 d．冷變形硬化對金屬塑性及變形抗力的影響 金屬經(jīng)過冷塑性變形，引起金屬的機械性能、物理性能及化學(xué)性能的改變。隨著變形程度的增加，所有的強度指標(biāo)（彈性極限、比例極限、流動極限及強度極限）都有所提高，硬度亦有所提高；塑性指標(biāo)（伸長率、斷面收縮率及沖擊韌性）則有所降低；電阻增加；抗腐蝕性及導(dǎo)熱性能降低，并改變了金屬的磁性等等，在塑性變形中，金屬的這些性質(zhì)變化的總和稱作冷變形硬化，簡稱硬化。 e．附加應(yīng)力及殘余應(yīng)力的影響 在變形金屬中應(yīng)力分布是不均勻的，在應(yīng)力分布較多的地方希望獲得較大的變形，在應(yīng)力分布較少的地方希望獲得較小的變形。由于承受變形金屬本身的完整性，就在其內(nèi)部產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)力，即所謂附加應(yīng)力。當(dāng)變形終止后，這些彼此平衡的應(yīng)力便存在變形體內(nèi)部，構(gòu)成殘余應(yīng)力，影響以后變形工序中變形金屬的塑性和變形抗力 1.1.4 提高金屬塑性及降低變形抗力的工藝措施 針對影響金屬塑性及變形抗力的主要因素，結(jié)合生產(chǎn)實際，采取有效的工藝措施，是完全可以提高金屬塑性及降低其變形抗力的，生產(chǎn)中，常采取的工藝措施有： a．坯料狀況 冷鐓用原材料，除了要求化學(xué)成份、組織均勻，不要有金屬夾雜等以外，一般要對原材料進行軟化退火處理，目的在于消除金屬軋制時殘留在金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使組織均勻，降低硬度，要求冷鐓前金屬的硬度HRB≤80。對中碳鋼，合金鋼一般采取球化退火，目的是除消除應(yīng)力、使組織均勻外，還可改善金屬的冷變形塑性。 b．提高模具光滑度及改善金屬表面潤滑條件 這兩項措施都是為了降低變形體與模具工作表面的摩擦力，盡可能降低變形中由于摩擦而產(chǎn)生的拉應(yīng)力。 c．選擇合適的變形規(guī)范 在冷鐓（擠）工藝中，一次就鐓擊成形的產(chǎn)品很少，一般都要經(jīng)過兩次及兩次以上的鐓擊。因此必須做到每次變形量的合理分配，這不僅有利于充分利用金屬的冷變形塑性，也有利于金屬的成形。如生產(chǎn)中采用冷鐓、冷擠復(fù)合成形、螺栓的兩次縮徑、螺母的大料小變形等。 1.2 金屬塑性變形的基本規(guī)律 1.2.1 最小阻力定律 金屬在變形中，變形體的質(zhì)點有向各方向移動的可能，變形體質(zhì)點的移動是沿其最小阻力方向移動，稱為最小阻力定律。 在六角頭螺栓多工位冷鐓中，第二工位精鐓時，金屬向上、下模開口處流動并形成飛邊是最小阻力定律起作用的體現(xiàn)。圖36-4表明坯件在模具中鐓鍛時，它在充滿上、下模腔的同時還向上、下模構(gòu)成的間隙向四周流，只有當(dāng)往飛邊流動的阻力大于在模腔其它部分的阻力時，金屬充滿模腔才有可能。在上模向下運動中，飛邊上金屬流動阻力隨飛邊厚度的減小而增加，這時才能保證最后充滿上、下模腔。 1.2.2 體積不變定律 金屬塑性變形中，其密度改變極為微小，可以忽略。塑性變形的物體之體積保持不變，金屬坯件在塑性變形以前的體積等于變形后的體積。 體積不變定律是根據(jù)產(chǎn)品形狀尺寸、計算出體積，據(jù)此再確定所需坯件的具體尺寸。 最小阻力定律則是金屬變形次數(shù)如何確定，每次變形量如何分配、工模具結(jié)構(gòu)形狀確定的設(shè)計最主要的依據(jù)。 1.2.3 變形中影響金屬流動的主要因素 a．摩擦的影響 在變形中模具和坯件間的接觸面上不可避免的有摩擦力存在，由于摩擦力的作用，改變了金屬流動的特征。如圖36-5所示，在平板間鐓粗矩形壞料時，由于摩擦力的作用，使各向阻力不同，變形中，斷面不能繼續(xù)保持矩形。按最小阻力定律，它會逐漸趨于圓形。若無摩擦力作用，則坯件處于理想的均勻變形狀態(tài)，變形前后在幾何形狀上仍然相似。 圖36-6為環(huán)形坯件的鐓粗示意圖。當(dāng)無摩擦?xí)r，環(huán)形件在高度上被壓縮，根據(jù)體積不變條件，不論是外層還是內(nèi)層，金屬的直徑都有所增加，即所有金屬都沿徑向輻射狀向外流動。由于有摩擦的存在，流動受到阻礙。越接近內(nèi)層金屬向外流動的阻力越大，比向內(nèi)流動時還要大，因而改變了流動的方向，如圖所示，在環(huán)形件中出現(xiàn)了流動的分界面（dN）。 b．工模具形狀的影響 由于工模具形狀不同，所施加給坯件的作用力，以及模具與坯件接觸的摩擦力也不一樣，引致金屬在各方向流動阻力的差異，從而金屬在各方向流動體積的分配也有所差異。 c．金屬本身性質(zhì)不均的影響 金屬本身的性質(zhì)不均，反映出金屬成份的不均、組織不均、以及在變形中內(nèi)部溫度的不均等。這些性質(zhì)的不均勻性，在金屬內(nèi)部出現(xiàn)互相平衡的附加應(yīng)力，由于內(nèi)力的存在，使金屬在各自流動的阻力有所差異，變形首先發(fā)生在阻力最小的部分。 2 金屬冷鐓（擠）工藝 2.1 冷鐓（擠）工藝基本概念 2.1.1 冷鐓、冷壓 在室溫狀態(tài)下，將坯料置于自動冷鐓機或壓力機的模具中，對模具施加壓力，利用上、下模的相對運動，使坯件在模腔里變形，高度縮小，橫截面增加，這樣的壓力加工方法，對自動冷鐓機而言叫冷鐓，對壓力機而言叫冷壓。 實際生產(chǎn)中，緊固件冷成型工藝，在冷鐓的過程中，常常伴隨有擠壓的方式。因此，單就緊固件產(chǎn)品的冷鐓工藝，實際是既有冷鐓，也有擠壓的一種復(fù)合工藝的加工方法。 2.1.2 冷鐓（擠）的變形方式 a．沖裁 使坯件的一部分與主體分割開。如線材的切斷、螺母的沖孔、六角頭螺栓的頭部切邊等。 b．鐓粗 使坯件高度縮短、橫截面增加的加工方法，如螺母的鐓球、螺栓頭部成型的預(yù)鐓、精鐓等。 c．正擠壓 坯件在冷鐓壓中，坯件在下模中變形時，金屬的流動方向與上模的運動方向一致。冷鐓螺栓、圓柱頭內(nèi)六角螺釘中的粗桿縮徑就是一種正擠壓。 d．反擠壓 坯件在變形中，金屬的流動方向與上模的運動方向相反。圓柱頭內(nèi)六角螺釘頭部成形就屬反擠壓。 e．復(fù)合擠壓 坯件在變形中金屬的流動方向一部分與上模的運動方向相同，一部分又相反。即變形中既存在正擠壓，也存在反擠壓。如圓柱頭內(nèi)六角螺釘在同一工位變形中既有桿部縮徑（正擠壓）又有頭部成型（反擠壓）。 2.1.3 冷鐓（擠）變形程度 a．變形程度 是指坯料被鐓鍛部分長度在鐓鍛終了的壓縮量與原始高度的比值，或者坯料截面積在鐓鍛終了截面積的增加量與原始橫截面的比值。 b．變形程度的表示方法 第一種方法用鐓鍛比(S),如圖36-7所示。 ： 即 （公式36-5） 式中：h0——被鐓鍛部分的原始高度 d0——被鐓鍛部分的原始直徑 鐓鍛比可以確定鐓鍛的難易，鐓鍛比愈小，變形量愈小，變形更容易。鐓鍛比愈大，變形愈難，金屬纖維流動不規(guī)則，有的纖維被折曲，形成縱向彎曲現(xiàn)象。如圖36-8所示。 第二種方法用鐓鍛率（ε） 即： （公式36-6） （公式36-7） 式中 ho、Fo——鐓鍛前頭部材料的原始高度、橫截面積 h、F——鐓鍛后工件的高度、橫截面積 c．許用變形程度 當(dāng)冷鐓變形程度超過金屬本身的變形限度時，變形的工件側(cè)面會出現(xiàn)裂紋，而造成不良品，其模具使用強度也會受到影響，降低使用壽命，嚴(yán)重時可使模具開裂而損壞。金屬的許用變形程度與金屬本身的塑性有關(guān),塑性好的金屬,許用變形程度要高于塑性較差的金屬。碳鋼含碳量愈高，它的塑性愈低，許用變形程度也會愈小。 在生產(chǎn)中，對于塑性較差的金屬，如中碳鋼、合金鋼的冷鐓常采取對鋼材進行退火軟化處理、增加模具的強韌性、金屬表面潤滑等，目的就在于使金屬的許用變形程度得到提高。表36-1列出了部分鋼材的許用變形程度。 ε% 鋼 材 牌 號 ε% 鋼 材 牌 號 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 鐓鍛次數(shù)的確定 產(chǎn)品在冷鐓中，通常都要經(jīng)過兩次以上的鐓鍛才能成型。鐓鍛次數(shù)確定合理，將充分利用金屬的許用變形程度，提高模具的使用壽命，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。確定鐓鍛次數(shù)，考慮下列因素： a．鐓鍛比 即坯料需要變形部分的長度與直徑的比，比值過大，一次鐓鍛就會出現(xiàn)縱彎現(xiàn)象，壓扁后，會出現(xiàn)夾層，如圖36-9所示。要避免鐓鍛中出現(xiàn)這些缺陷，必須增加鐓鍛次數(shù)。即首先將坯料預(yù)鐓成錐形，之后再精鐓，直至達到需要形狀。 一般按下列數(shù)據(jù)來決定鐓鍛次數(shù)： 當(dāng) ≤2.5時，可一次鐓鍛； 當(dāng)2.5< ≤4.5時，鐓鍛兩次； 當(dāng)4.5< ≤6.5時，鐓鍛三次。 b．考慮工件頭部直徑D與高度H的比值。 如圖36-10所示，是頭部直徑較大、高度較小的大直徑薄扁頭細(xì)桿零件，所需坯料h0/d0在2以上大頭細(xì)桿零件，若采用一次鐓鍛成形，就會在頭部邊緣處產(chǎn)生裂紋。類似的工件，只有增加鐓鍛次數(shù)，采用逐步成形的方法。 c．考慮工件的表面粗糙度要求及外部幾何形狀的復(fù)雜程度 如半圓頭、圓柱頭等形狀的機螺釘，雖然頭部所需坯料的ho/do值一般都小于2.5，但為了頭部在變形中能充滿，達到標(biāo)準(zhǔn)要求，一般都采用兩次鐓擊。預(yù)鐓錐形頭部為精鐓頭部成形創(chuàng)造良好的金屬流動條件。又如用大直徑小變形的線材鐓制螺母，采用線材直徑為0.9s（s為六角螺母對邊尺寸），一般產(chǎn)品的變形程度為25%左右，但由于六角螺母形狀比較復(fù)雜，鐓制中變形方式較多，它既有冷鐓又有復(fù)合擠壓和沖孔，為了有利于變形中金屬流動，因此選用3～4次鐓擊成形。 值得強調(diào)的，不是對所有形狀比較復(fù)雜的產(chǎn)品都靠增加鐓鍛次數(shù)來解決。往往有的產(chǎn)品，鐓鍛次數(shù)增加了，在第一次、第二次鐓鍛中很容易成型，但由于冷作硬化的原因，使產(chǎn)品在以后的鐓鍛中難以進行。表現(xiàn)在工件在鐓鍛中出現(xiàn)開裂或者損壞模具。解決這類問題的關(guān)鍵在于減少變形量，增加鋼材的塑性，采取更加有效的潤滑。螺栓、螺釘在冷鐓工藝中選用大直徑線材、小變形工藝。一般線材直徑與螺釘螺紋直徑D相接近，用一次或兩次桿部縮徑達到螺坯尺寸。對中碳鋼、合金鋼而言，在材料改制中用球化退火來改善鋼材的冷鐓塑性，用磷化、皂化處理來保證鋼材的表面潤滑，使之變形中盡可能減少摩擦。另外在模具上增加強韌性，使它承受復(fù)雜的變形中有剛性，又有足夠的韌性和耐磨性。 2.1.5 冷鐓工藝中力的計算方法 2.1.5.1 冷鐓力 冷鐓力是確定工藝參數(shù)、設(shè)計模具、設(shè)計冷鐓機和專用設(shè)備選型的主要依據(jù)。 決定冷鐓力大小的因素較多，主要有以下幾個方面： a．金屬的機械性能 冷鐓力隨材料強度、硬度的增加而增加。 b．工件形狀、變形程度 冷鐓力隨工件變形量的增加而增加。 c．摩擦 由于模具和工件間的接觸面有摩擦力，不同程度地改變了作用力的方向和大小，從而產(chǎn)生對冷鐓力的影響。 d．工模具形狀 工模具形狀的不同，造成金屬在各方向流動阻力的差異，從而影響冷鐓力。 2.1.5.2 冷鐓力的計算方法 常用的冷鐓力的計算公式有： a．經(jīng)驗公式 P=KбtF（公斤） （公式36-8） 式中F——工件鐓鍛終止時的投影面積（mm2） K——頭部形狀復(fù)雜系數(shù)，按圖36-11選擇。 對六角頭螺栓一般選K=2.0～2.4 бt——考慮冷作硬化后的變形阻力，可由下式計算： бt （kg/mm2） (公式36-9) 式中 бb——鋼材抗拉強度極限（kg/mm2） Fo——鐓鍛前坯料斷面積（mm2） b．近似理論推導(dǎo)的計算公式 在考慮影響冷鐓力大小的主要因素的基礎(chǔ)上，并根據(jù)經(jīng)驗進行修正，得出如下的冷鐓力計算公式： （公式36-10） 式中 d——鐓鍛后工件頭部最大直徑（mm） h——鐓鍛后工件頭部高度（mm） F——工件頭部投影面積（mm2） Z——變形系數(shù) n——工具形狀系數(shù) α——工件變形部分形狀系數(shù) μ——摩擦系數(shù) Z、n、α、μ可按表36-2選取 表36--2 冷鐓力計算系數(shù) бb(N/mm2) Z變形系數(shù) n工具形狀系數(shù) α冷鐓部分形狀系數(shù) μ摩擦系數(shù) 牌號 數(shù)值 工序 形狀 系數(shù) 凹陷 棱角 系數(shù) 條件 系數(shù) 面 潤滑 系數(shù) 10 340 預(yù) 簡單 1.0～2 無 無 1.0 圓柱形 1.3 研磨 石墨 0.05～0.10 20 420 精 簡單 1.2～1.5 有 無 1.75～2.0 正方形 六角形 2.0 研磨 無 0.1～0.15 25 460 精 復(fù)雜 1.5～1.8 有 有 2.5 矩形 2.5 精加工 0.15～0.2 30 500 非對稱形 復(fù)雜形 2.5～3.0 粗加工 0.20～0.30 就計算的精確度而言，第二個公式比第一個公式計算結(jié)果要精確一些，但計算不如經(jīng)驗公式簡單，一般常采用經(jīng)驗公式計算，最后預(yù)以修正。 2.1.5.3 輔助工藝力的計算方法 1．剪切力的計算 冷鐓過程中，坯料的切斷、頭部切邊、螺母沖孔等，都是使一部分材料從基體中沖、切開來。影響剪切力大小的主要因素有鋼材機械性能、剪切面面積。其它如上、下切刀板的間隙、切刀刃口的鋒利程度等對剪切也發(fā)生影響，但計算中忽略不計。實際生產(chǎn)中，由于刀板刃口的磨損、刀板間間隙大小，都會引致剪切力增加。 a．毛坯切斷力的計算 P剪=Fτ（N） （公式36-11） 式中 F——坯料剪切面面積（mm2） τ——鋼材抗剪強度 表36-3列出了常用鋼材的抗剪強度。 表36-3 常用材料剪切加工一般所采用的間隙和τ值 材料 間隙（%） 抗剪強度τ（N/mm2）材料 材料 間隙（%） 抗剪強度τ 軟鋼 6～9t 320～400 黃銅 軟 6～10t 220～300 硬鋼 8～12t 550～900 硬 350～400 硅鋼 7～11t 450～560 鋁 軟 5～8t 70～110 不銹鋼 420～560 硬 6～10t 130～180 銅 軟 6～10t 180～220 鋁合金 軟 6～10t 220 硬 250～300 硬 380 注：t——坯料截面（剪切面）厚度,mm b．切邊力的計算公式 P切=LHτ（N） （公式36-12） 式中 L——切邊周長（mm） H——切邊高度（mm） c．螺母沖孔力的計算公式 式中： d——沖孔直徑（mm） h——沖孔連皮厚度（mm） （注：沖孔連皮是指螺母坯料沖孔時，需要沖出的鐵豆厚度，它小于螺母的高度。） 2．縮徑力的計算 冷鐓螺栓一般都采用粗徑線材縮徑工藝，即將大于螺紋外徑的線材，經(jīng)過一次或兩次縮徑，達到搓制螺紋坯料的尺寸。就縮徑而言，實際是一個正擠壓，可應(yīng)用正擠壓實心件的計算公式： P=pF（N） （公式36-14） 式中：P——單位擠壓力（N/mm2） F——縮徑前桿部截面積（mm2） P可根據(jù)含碳量不同，變形程度ε不超過30%時，可取P=600～900N/mm2。 2.1.5.4 頂料力 螺栓在冷鐓成形中的預(yù)鐓、精鐓、縮徑、切邊，螺母在鐓球、壓型等過程中，都需要將所鐓鍛的坯件從凹模中推出，需要一定的頂料力。影響頂料力大小的主要因素有：鋼材種類、工件輪廓形狀、尺寸大小、模腔接觸表面的粗糙度、潤滑等。在正常情況下，一般頂料力不大，當(dāng)工件與凹模接觸面產(chǎn)生“粘滯”，摩擦力將大大增加，還有螺母球在凹模中產(chǎn)生重料（兩個螺母球坯），頂料力就會成倍增加，嚴(yán)重時還會損壞模具，影響機器運轉(zhuǎn)。所以自動冷鐓機的頂料機構(gòu)一般都有與主機聯(lián)鎖的保險裝置，一旦頂料出現(xiàn)故障，能自動停車。頂料力的計算主要用于校核頂料機械中頂料桿、頂料凸輪的強度。 a 凹模頂料力 PT=бtF（N） （公式36-15） 式中бt——單位面積上的頂料力。經(jīng)驗數(shù)據(jù)бt=500～600N/mm2 F——冷鐓工件桿部斷面積mm2，冷鐓螺母取相應(yīng)的坯件的投影面積mm2 b 切邊頂料力 PT=PKt（N） （公式36-16） 式中P——切邊力（N） Kt——系數(shù) 頭部高度<5，Kt=0.1～0.12 頭部高度≥5，Kt=0.12～0.15 2.2 冷鐓工藝中工序、工位變形形狀的分析 緊固件產(chǎn)品的冷鐓（壓），由壓力機、自動冷鐓機來完成。分序冷壓、單工位、多工位冷鐓中，上序或上工位鐓（壓）的半成品形狀，直接影響著下序或下一工位的成形。因此,在合理分配變形比的基礎(chǔ)上如何確定正確的變形形狀，對以后的變形以及產(chǎn)品質(zhì)量都有著直接關(guān)系。 2.2.1 桿狀緊固件的冷鐓（壓）工藝 桿狀緊固件冷鐓（壓）加工，應(yīng)考慮各工序（工位）的有關(guān)參數(shù)。主要參數(shù)有鐓鍛比， Lo、do分別為毛坯鐓鍛部分的原始長度和原始直徑;D、H分別表示鐓鍛后工件的直徑和高度，參見圖36-7。 Lo/do是衡量毛坯鐓粗變形的縱向穩(wěn)定性，即毛坯鐓粗部分在鐓粗時的抗縱向彎曲能力。 Lo/do的值越小，越有利于頭部的鐓鍛成形； Lo/do的值過大時，毛坯鐓鍛部分產(chǎn)生縱向彎曲。影響坯件鐓粗變形的縱向穩(wěn)定性除Lo/do的值以外，還有其他因素。無論是自動冷鐓機，還是切料機，無論是刀板切料，還是套筒刀切料，坯件的切斷面都不能與其軸心線垂直，應(yīng)有一個1～5角的傾斜。這樣在冷鐓（壓）時，初沖對坯件的著力點不在中心，而會出現(xiàn)偏心，使坯件受力不均，從而產(chǎn)生變形不均，導(dǎo)致頭部成形時因縱向彎曲而出現(xiàn)折迭。對于切斷面傾斜角小的，變形中產(chǎn)生的縱向彎曲不明顯，不至于達到影響頭部質(zhì)量的程度。在冷鐓（壓）工藝中，在切斷以后，安排一個坯件整形，其主要目的就在于此。 此外，初沖型腔的底端是對坯件施加鐓鍛力的傳遞面，如果中心偏移，合力的作用中心勢必產(chǎn)生偏移，同樣道理，也是影響產(chǎn)生縱向彎曲的因素。在初沖中采取帶彈簧的頂桿（參見圖36-13），就可緩解這種影響。其它如機床的運行精度、操作者對工裝安裝調(diào)整水平也對初沖成形有影響。 為了使初沖變形中，改變坯件的穩(wěn)定性，尤其對于低碳鋼這類切斷性較差的鋼種，為了增加坯件在變形中的穩(wěn)定性，在初沖小端工作型腔中除了錐形外，還要有高為1.5～2mm的圓柱形型腔,如圖36-12所示。 據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Lo/do ≤2.3時，只需要一次鐓鍛就可成形，不會出現(xiàn)縱向彎曲，當(dāng)Lo/do ≤4.5時，要經(jīng)過兩次鐓鍛完成頭部成形；當(dāng)Lo/do ≤8時，則要通過三次鐓鍛完成頭部成形?？傊?， Lo/do的值愈大，需要鐓鍛的次數(shù)愈多。對于中碳鋼、合金鋼而言，由于鐓鍛帶給的冷作硬化，使以后的變形工序難以進行，這時需要將連續(xù)冷鐓（壓）改成分序冷壓，在工序間的半成品經(jīng)過軟化退火處理，使半序品硬度降低，并去除工序變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 D/H的比值愈大，鐓鍛成形難度就愈大。實際上，可將表示D、H的產(chǎn)品變形終了尺寸算成體積，再算出所需毛坯的長度Lo和直徑do ，用Lo/do的值來確定鐓鍛次數(shù)。 (1) 六角頭螺栓頭部初鐓形狀的確定 初鐓的形狀確定合理，將有利于金屬在型腔里的流動，使金屬纖維流動不紊亂，有利于下一工位的變形。 初鐓的形狀為錐形，初鐓錐形模腔有兩種形式，一為不帶彈簧頂桿（針），一為帶彈簧頂桿（針）,見圖36-13。 不帶彈簧頂桿的錐形沖模用于長桿工件的鐓制；帶彈簧頂桿的沖模用于桿部較短的工件。不帶彈簧頂桿初沖的錐形型腔錐角適當(dāng)大一些，使工件容易脫離初鐓模，一般α取 8～16，初鐓沖頭的內(nèi)腔形狀,見圖36-14。 在三擊鐓鍛時，需要鐓兩次錐形，第一次錐形，錐角特別小，α為2～3，基本起著整形作用，使它在第二次初鐓變形中，有一個良好的對中性和穩(wěn)固性。錐形沖模工作型腔的尺寸，可根據(jù)要鐓制頭形的體積、線材直徑、沖模與凹模之間的距離來計算出來。由圖36-15可見，整個錐形頭部的體積由體積V1和V2兩部分組成，即V錐=V1+V2，而V錐等于產(chǎn)品頭部精鐓后的體積即V。V可由產(chǎn)品尺寸計算出，則V1=V-V2。 從圖36-15可看出，V2的制約因素較多，如沖模與凹模的間隙距離、凹模工作凹穴的深度，以及金屬在里面的充填形狀、形成V2的桶形直徑等，所以一般都采用經(jīng)驗公式： V1=KV（mm3） （公式36-17） 式中 V——形成產(chǎn)品頭部的體積 K——產(chǎn)品形狀系數(shù) 對于六角頭螺栓及六角頭導(dǎo)頸螺栓，K=0.75～0.85； 對于半圓頭螺釘，K=0.7～0.8； 對于沉頭螺釘，K=0.5～0.6。 錐形體的小端直徑dM等于原材料的最小尺寸或略小于最小尺寸，錐形體的大端直徑DK取1.2～1.3dM。 當(dāng)DK=1.2dM時，錐形體的體積V1為： （公式36-18） 則 （公式36-19） 如取DK=1.3dM時 （公式36-20） 模腔錐角α （公式36-21） (2) 機器螺釘初鐓形狀的確定 機器螺釘種類很多，主要區(qū)別于頭部的幾何形狀?？偟恼f，機器螺釘頭部成形的鐓鍛比（S=Lo/do和D/h），值比較小，比較容易鐓鍛。對于簡單頭形的機器螺釘，單擊冷鐓生產(chǎn)的工件,如圖36-16，可采用一次鐓鍛。但是，不少品種的機器螺釘，頭部槽型比較復(fù)雜。為十字槽型等，頭部成形則需要兩次及以上的鐓制。要按標(biāo)準(zhǔn)鐓制符合槽型要求的產(chǎn)品，初沖的造型起著決定性的作用。 在精鐓頭部成形時，同時對槽型產(chǎn)生鐓擠，這時產(chǎn)品頭部的變形，除了金屬因鐓粗而流動充滿頭部大端以外，還會伴隨槽型的擠壓而有一個反受力方向流動的趨勢，從而影響大端邊緣金屬的充滿。尤其在槽型方向有明顯“缺肉”的現(xiàn)象。為了解決這個局部不充滿的缺陷，將初沖的頂端做成圓弧形，對于平圓頭十字槽螺釘?shù)某鯖_做成圓錐形的頂端, 并帶一個120～150的錐角體,見圖36-17。其目的是為了減少變形中金屬的反向流動，有利于頭部大端的充滿。 (3) 內(nèi)六角圓柱頭螺釘初鐓形狀的確定冷鐓內(nèi)六角圓柱頭螺釘(頭部鐓鍛比小于1.5)，由于頭部帶較深的內(nèi)六方孔，幾何形狀復(fù)雜，產(chǎn)品性能要求高，為8.8、10.9、12.9級，使用的鋼材為中碳鋼、合金鋼、冷成形性能差，頭部變形復(fù)雜，鐓粗、正擠壓、反擠壓都有。因此，這類產(chǎn)品初沖成形，一般應(yīng)經(jīng)過初鐓和第二次預(yù)鐓。圖36-18列出了幾種生產(chǎn)中常用的初鐓形狀。在二序預(yù)鐓中，頭部鐓出內(nèi)六角預(yù)成形凹穴，是為下一工位精制內(nèi)六方孔時，減少變形量，金屬在反擠壓變形中流動阻力小一些，使六角沖頭承受的載荷盡可能減小，并且使金屬流動比較均勻地充滿頭部上、下端的邊緣。 (4) 桿狀緊固件的精鐓 桿狀緊固件的精鐓是將預(yù)鐓成形的坯件頭部在上、下模間的工作型腔里進行鐓制，獲得產(chǎn)品頭部的最終形狀和尺寸。 頭部的變形因產(chǎn)品頭部幾何尺寸不同而不一樣，大體有以下幾種形式： a 六角頭、四方頭的螺栓 圖36-19所示成形區(qū)有三個區(qū)域，頭部高度的1/3在上模型腔成型，1/3～2/5在下模型腔成形，其余在上、下模間的間隙形成飛邊，最后由切邊工藝完成六角頭、四方頭 的切邊。 b 半圓頭、平圓頭類型的機器螺釘，頭部完全在上模（光沖）型腔成形。 c 內(nèi)六角圓柱頭螺釘、凹穴六角頭螺栓類產(chǎn)品，頭部在下模型腔里成形。因為是精鐓，上、下模的工作型腔皆要滿足產(chǎn)品頭部尺寸的要求。 (5) 桿狀緊固件的縮徑工藝 六角頭螺栓是應(yīng)用很普遍的緊固件，它的強度級別范圍大，從3.6～12.9級都有生產(chǎn)。對于中、低強度級別的六角頭螺栓，一般采用兩種工藝生產(chǎn)，一為細(xì)桿工藝，一為粗桿縮徑工藝。所謂細(xì)桿，是用相當(dāng)于螺紋坯徑尺寸的線材進行冷鐓，線材尺寸變化很小，桿部可以直接搓制螺紋；粗桿是用大于螺紋外徑尺寸的線材，冷鐓工藝中安排一次、二次或二次以上的縮徑，使螺紋長度部分的桿部達到螺坯尺寸。 內(nèi)六角圓柱頭螺釘按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是8.8級及其以上級別的高強度產(chǎn)品，盡管頭部變形程度不大，但使用線材強度較高，塑性相應(yīng)要小，因此普遍采用粗桿縮徑工藝，冷鐓中經(jīng)過一次及以上次數(shù)的縮徑，使螺紋長度的桿部直徑達到螺坯尺寸。 六角頭螺栓采用細(xì)桿工藝，冷鐓時頭部變形程度相對于粗桿來說有所增加，它適用于短規(guī)格全螺紋產(chǎn)品的生產(chǎn)。細(xì)桿工藝生產(chǎn)螺栓，常存在以下問題： a. 頭部變形程度大，容易產(chǎn)生裂口，有時切六方邊裂口也不能完全去除。 b. 頭部在鐓粗中，常因變形程度大而產(chǎn)生縱向彎曲，在距支承面1/3處出現(xiàn)折迭,見圖36-20，并導(dǎo)致螺栓掉頭。 c. 頭部與桿部結(jié)合強度較差，成為細(xì)桿螺栓掉頭的隱患。采用粗桿縮徑工藝，避免了以上問題。但是，由于需要縮徑，它不僅增加了縮徑力，使模具結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜了。 它必須有縮徑模，一般用硬質(zhì)合金加工，增加了模具成本。 此外，對線材的表面潤滑、材料硬度也有特殊要求。生產(chǎn)中采用的線材大部分都經(jīng)過磷化、皂化處理。線材經(jīng)過球化退火,硬度應(yīng)為75～85 HRB。 總的說來，粗桿縮徑工藝雖然對線材、模具要求高，增加了生產(chǎn)成本，但是就產(chǎn)品質(zhì)量而言，它可減少由于材料塑性不好而產(chǎn)生的產(chǎn)品開裂。提高了材料利用率，保證了產(chǎn)品的強度要求，綜合經(jīng)濟效率還是好的。 圖36-21 螺栓兩次縮徑工藝圖示例 圖36-22是圓柱頭內(nèi)六角螺釘工藝圖示例 (6) 螺栓頭部切邊 六角頭螺栓有頭部帶凹穴的及頭部平頂?shù)膬煞N型式。從生產(chǎn)和使用角度看，頭部平頂?shù)牧穷^螺栓，要占總量的90%以上。頭部帶凹穴的螺栓，由于頭部直接冷鐓（壓）成形，對線材塑性要求高，六角棱邊充滿差，常呈禿角，在扳擰使用中容易打滑，這點在設(shè)備自動裝配線上反映更敏感，客觀上限制了這種頭型螺栓的生產(chǎn)。 頭部平頂?shù)穆菟?，六方是由切邊形成的，切邊可安排在多工位自動冷鐓機按多工位生產(chǎn)工藝完成，也可由專用的切邊機上來完成。 2.2.2 螺母冷鐓（壓）工藝 1．常用螺母冷鐓工藝分類 六角螺母也是一種使用面很廣的緊固件，它的生產(chǎn)方法較多，M24以下規(guī)格的螺母普遍采用冷鐓（壓）方法生產(chǎn)。常用的螺母冷鐓工藝有以下幾種： a. 用較小直徑的線材冷鐓生產(chǎn)螺母 這是一種冷鐓生產(chǎn)螺母中用得最多的生產(chǎn)方法。使用線材直徑do=0.60s～0.70s，s—螺母對方尺寸。采用切料、整形、鐓球、壓六方、沖孔的工位（工序），見圖36-23。在三工位、四工位自動冷鐓機生產(chǎn)，也可在壓力機上分序生產(chǎn)。在三工位冷鐓機上生產(chǎn)可省去整形，但大于M12以上規(guī)格的螺母，不經(jīng)整形，端面質(zhì)量及禿角的均勻性都不好控制。 b. 用較大直徑的線材冷鐓生產(chǎn)螺母 這種工藝使用線材直徑do≈0.9s，經(jīng)切斷、整形、初鐓、預(yù)成形、精成形、沖孔而成，一般在五工位自動冷鐓機上生產(chǎn)，夾鉗帶翻轉(zhuǎn)機構(gòu),見圖36-24。 c. 六方鋼成形工藝 這種工藝方法用的較少，一般用于M20以上大規(guī)格螺母的生產(chǎn)，在壓力機上用分序冷壓的方法完成。工藝流程按切料、初壓、精壓、沖孔進行生產(chǎn)。 2．螺母冷鐓（壓）工藝分析及工藝參數(shù) a. 切斷 在自動冷鐓機多工位生產(chǎn)或壓力機上分序生產(chǎn)，切斷都是第一道工序，也是較關(guān)鍵的工序。因為切料斷口的平整性、切刀板壓下所形成的馬蹄印大小(見圖36-25)，都對下序的整形、鐓球有直接的影響。由公式36-22可計算出切料長度 。 （公式36-22） 式中 Lo——切料長度mm V型——螺母沖孔前坯料體積（mm3） Fo——線材截面積mm2 這僅是一個計算值，實際生產(chǎn)中還要通過調(diào)整檔料柱來修正切斷長度。有時還用稱重法來衡量切料是否準(zhǔn)確，即坯料重相當(dāng)于切斷的料柱重。切斷模的孔徑應(yīng)比料的最大直徑大0.05～0.1mm，刀板與切斷模之間的間隙為0.1mm左右。 b. 整形 如圖36-26所示，整形是把料柱的端面鐓平，在下端鐓（壓）出1～245的倒角，目的是將切料的缺陷進行修整，保證下一壓球工序的質(zhì)量。 整形的尺寸 d=do+(0.1～0.25)(mm) 式中 do——線材直徑mm。 c. 鐓球 鐓球是將整形后的料柱鐓（壓）成鼓形球狀,見圖36-27，它的質(zhì)量影響螺母的端面、禿角、棱邊的清晰和質(zhì)量。在確定鼓形球幾何尺寸時，按經(jīng)驗，在倒角40確定的情況下，dM、h尺寸應(yīng)盡可能小。這樣，在壓六方時，相應(yīng)部位的摩擦力要小，金屬在壓型力的作用下，金屬流動性好，容易充滿六方。如果dM、h偏大，則在壓六方時，不易充滿六角。如果為了使六方充滿而增加壓型力，則螺母端面就會產(chǎn)生飛邊。 鼓形球尺寸按經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下： dM=(0.7～0.8)d徑 Dmax≤Smin 式中 d徑——螺母公稱直徑mm Dmax——鼓形球最大直徑mm smin——螺母s方最小尺寸mm 根據(jù)dM、D的尺寸和螺母坯料體積，鼓形球的其它尺寸可通過計算得出： （公式36-23） H=h+(D--dM)tg40 (公式36-24) d. 壓型 壓型,即鐓壓成型螺母的六方，使之滿足六方螺母外形尺寸的要求。變形尺寸是否合理，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和模具的壽命。 壓六方的尺寸要考慮的主要因素有：六方坯在六方凹模里的脫模及下序沖孔的脹方。因此，要求螺母側(cè)面要有一個傾斜角γ（見圖36-28），其大小隨規(guī)格的增加而偏大，如M10以上的螺母，γ一般取0.30′～1，如γ角過大，六方凹模上、下端口尺寸相差較多，會使六方下沖（又稱壓型下模）在套模內(nèi)定位不穩(wěn)，容易造成鐓壓螺母坯料偏心，使螺母的垂直度（β）超差，同時經(jīng)沖孔脹方后s尺寸也達不到標(biāo)準(zhǔn)要求。γ取0.30′～1實際是由生產(chǎn)實際經(jīng)驗摸索而定的。 壓型除這個尺寸以外，還有很多尺寸與螺母的外形尺寸及產(chǎn)品的外觀等有直接關(guān)系（見圖36-29）,表示出了螺母壓型坯件的尺寸。其中，兩端凹穴的幾何形狀尺寸很重要。d1是一個關(guān)鍵尺寸，偏小，沖孔容易產(chǎn)生毛刺;偏大，沖孔容易出現(xiàn)喇叭口，影響內(nèi)螺紋的完整。經(jīng)驗數(shù)據(jù)為： ＜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——螺母內(nèi)螺紋小徑最大尺寸（mm） d=(1.05～1.1)d徑 式中 d徑——螺母公稱直徑（mm） d尺寸過小，不利于螺母鐓壓成型，不利于金屬流動，六棱角不清晰；d尺寸過大，螺母支承面減小，影響外觀及緊固強度。 d1和d尺寸確定后，按標(biāo)準(zhǔn)螺母內(nèi)倒角≈120，一般取為106，其原因是內(nèi)倒角取小一點，按公式計算，h尺寸就可大一些，這樣既可節(jié)省鋼材，螺母壓型時變形有利，又可縮小沖孔連皮（即沖孔沖出的鐵豆）厚度，有利于沖孔。 h=(d--d1)tg37 （公式36-25） 凹穴中另一重要尺寸為h1和α角，它們對螺母鐓壓成型后，從六角凹模頂出的六方下沖有影響。h1不宜過高，過高將影響螺母六方型坯及時從六方下模沖脫開，接著下一個型坯又進入凹模，從而引起重帽，而產(chǎn)生故障。經(jīng)驗數(shù)據(jù)為：下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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