冷镦成型工艺.docx

1、冷镦成型工艺紧固件冷镦成型工艺紧固件成型工艺中，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

2、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局部异形件，根本属于对称性零件，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、很有开展的先进加工方法。因此，如何充分利用、提高金属的塑性、掌

3、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 金属变形的根本概念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，组本钱身的细小微粒的相对位移的总和。 变形的种类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。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。 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

4、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，直到试样外表出现第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。H

5、k试样在压扁中，在侧外表出现第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，只是相比照拟而言，仅说明某种金属在什么样的变形条件下塑性的好坏。 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

6、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，那么塑性就降低。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，那么钢的抗力指标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68 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

7、，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，那么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

8、。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。从变形体内别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

9、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

10、，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那么有所降低；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附加应力及剩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，构成剩余应力，

11、影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力 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剩余应力，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外表润滑条件这两项措施都是为了降低变形体与模具工作外

12、表的摩擦力，尽可能降低变形中由于摩擦而产生的拉应力。c选择适宜的变形标准在冷镦挤工艺中，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金属塑性变形的根本规律 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表达。图36-4说明坯件在模具中镦锻时，它在充

13、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局部的阻力时，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。 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。最小阻力定律那么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。 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防

14、止的有摩擦力存在，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。假设无摩擦力作用，那么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，不管是外层还是内层，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，如下图，在环形件中出现了流动的分界面dN。b工模具形

15、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局部。 2 金属冷镦挤工艺2.1 冷镦挤工艺根本概念 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

16、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。 冷镦挤的变形方式a冲裁 使坯件的一局部与主体分割开。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

17、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局部与上模的运动方向相同，一局部又相反。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。 冷镦挤变形程度a变形程度是指坯料被镦锻局部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：h0被镦锻局部的原始高度 d0被镦锻局部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，金属纤维流动不规那

18、么，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

19、外表润滑等，目的就在于使金属的许用变形程度得到提高。表36-1列出了局部钢材的许用变形程度。% 钢 材 牌 号% 钢 材 牌 号30 T10、T12 707515Cr、Y12 355050、60Mn、40CrNiMo 758030、35、40Cr556040、45、30MnSi、GCr15 8090100.03%Si、10F、15 6570200.37%Si 镦锻次数确实定产品在冷镦中，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，考虑以下因素：a镦锻比即坯料需要变形局部的长度与直径的比，比值过大，一次镦锻

20、就会出现纵弯现象，压扁后，会出现夹层，如图36-9所示。要防止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，直至到达需要形状。 一般按以下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h0/d0在2以上大头细杆零件，假设采用一次镦锻成形，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考虑工件的外表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

21、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，到达标准要求，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0.9ss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拟复杂，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34次镦击成形。值得强调的，不是对所有形状比拟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

22、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到达螺坯尺寸。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外表润滑，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。 冷镦工艺中力的计算方法.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

23、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 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=KtF公斤 公式36-8式中F工件镦锻终止时的投影面积mm2K头部形状复杂系数，按图36-11选择。对六角头螺栓 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/mm2 Fo镦锻前坯料断面积mm2b近似理论推导的计算公式在考虑影响

24、冷镦力大小的主要因素的根底上，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mm2Z变形系数n工具形状系数工件变形局部形状系数摩擦系数Z、n、可按表36-2选取表36-2 冷镦力计算系数b(N/mm2)Z变形系数n工具形状系数冷镦局部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10340预简单2无无圆柱形研磨石墨20420精简单有无正方形六角形研磨无25460精复杂有有矩形精加工30500非对称形复杂形粗加工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

25、如经验公式简单，一般常采用经验公式计算，最后预以修正。.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，都是使一局部材料从基体中冲、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=FN 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/mm2材料材料间隙%抗剪强度软

26、钢69t320400黄铜软610t220300硬钢812t550900硬350400硅钢711t450560铝软58t70110不锈钢420560硬610t130180铜软610t180220铝合金软610t220硬250300硬380注：t坯料截面剪切面厚度,mmb切边力的计算公式P切=LHN 公式36-12式中 L切边周长mm H切边高度mmc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，到达搓制螺纹坯料的尺寸。

27、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=pFN 公式36-14式中：P单位挤压力N/mm2 F缩径前杆部截面积mm2P可根据含碳量不同，变形程度不超过30%时，可取P=600900N/mm2。.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、模腔接触外表的粗糙度、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，

28、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=tFN 公式36-15式中t单位面积上的顶料力。经验数据t=500600N/mm2 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mm2b 切边顶料力PT=PKtN 公式36-16式中P切边力N Kt系数 头部高度 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

29、比的根底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。 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， Lo、do分别为毛坯镦锻局部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。Lo/do是衡量毛坯镦粗变形的纵向稳定性，即毛坯镦粗局部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，毛坯镦锻局部产生纵向弯曲。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15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，不至于到达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