高強(qiáng)螺栓緊固件成型工藝

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(duì)金屬施加外力，使金屬在預(yù)定的模具內(nèi)成型，這種方法通常叫冷鐓。實(shí)際上，任何緊固件的成型，不單是冷鐓一種變形方式能實(shí)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(duì)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(diǎn)很多，它適用于緊固件的大批量生產(chǎn)。它的主要優(yōu)點(diǎn)概括為以下幾個(gè)方面：

　?、黉摬睦寐矢摺＠溏?擠)是一種少、無切削的加工方法，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(dá)85％~95％，僅是料頭、料尾及切六角頭邊的一些工藝消耗。

　?、谏a(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。

　?、蹤C(jī)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(qiáng)度要比切削加工的*得多。

　?、苓m于自動(dòng)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(duì)稱性零件，適合采用高速自動(dòng)冷鐓機(jī)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(jì)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(guó)內(nèi)、外廣為利用、很有發(fā)展的先進(jìn)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(jī)理、研制出科學(xué)合理的緊固件冷鐓(擠)加工工藝，是本文的目的和宗旨所在。

　　(1)金屬變形

　　1)金屬變形的概念

　　變形是指金屬受力(外力、內(nèi)力)時(shí)，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(duì)位移的總和。

　　2) 金屬變形的種類

　?、?gòu)椥宰冃巍＝饘偈芡饬ψ饔冒l(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。

　　②塑性變形。金屬在外力作用下產(chǎn)生*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(huì)被破壞的變形稱為塑性變形。

　　塑性的好壞通過伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、屈服極限來表示。

　　3)金屬塑性及變形抗力

　　①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(diǎn)間的又不被破壞的能力。并將金屬在變形時(shí)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(gè)方面：

　　a．金屬組織及化學(xué)成分對(duì)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(shí)際上是很脆的。一般在鋼中，其他元素成分的增加也會(huì)降低鋼的塑性。

　　隨著鋼中含碳量的增加，鋼的抗力指標(biāo)(σb、σp、σs唧、以等)均增高，而塑性指標(biāo)(ε、φ等)均降低。在冷變形時(shí)，鋼中含碳量每增加0.1％，其強(qiáng)度極限σs大約增加6～8 kg／mm2。

　　硫在鋼中以硫化鐵、硫化錳存在。硫化鐵具有肺性σ硫化錳在壓力加工過程中變成絲狀得到拉長(zhǎng)，因而使在與纖維垂直的橫向上的機(jī)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。

　　b．冷變形硬化對(duì)金屬塑性及變形抗力的影響

　　金屬經(jīng)過冷塑性變形，引起其機(jī)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(qiáng)度指標(biāo)(彈性極限、比例極限、流動(dòng)極限及強(qiáng)度極限)都有所提高，硬度亦有所提高；塑性指標(biāo)(伸長(zhǎng)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，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(jiǎn)稱硬化。

　　c．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)力便存在于變形體內(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。

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　　針對(duì)影響金屬塑性及變形抗力的主要因素，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，采取有效的工藝措施，是*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)成分、組織均勻，不要有金屬夾雜等以外，一般還要求對(duì)原材料進(jìn)行軟化退火處理．以便消除金屬軋制時(shí)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≤80 HRB)。對(duì)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(rùn)滑條件

　　這兩項(xiàng)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，一次就鐓擊成型的產(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。

　　(2)冷鐓、冷壓

　　在室溫狀態(tài)下，將坯料置于自動(dòng)冷鐓機(jī)或壓力機(jī)的模具中，對(duì)模具施加壓力，利用上、下模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使坯件在模腔里變形，高度縮小，橫截面增大，這樣的壓力加工方法，對(duì)自動(dòng)冷鐓機(jī)而言叫冷鐓，對(duì)壓力機(jī)而言叫冷壓。

　　實(shí)際生產(chǎn)中，緊固件冷成型工藝，在冷鐓的過程中，常常伴隨擠壓的方式。因此，單就緊固件產(chǎn)品的冷鐓工藝．實(shí)際是既有冷鐓，也有擠壓的一種復(fù)合工藝的加工方法。

　　1)冷鐓(擠)的變形方式

　　①?zèng)_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、六角頭頭部切邊等。

　　②鐓粗。使坯件高度縮小、橫截面增大的加工方法，如螺母的鐓球、螺栓頭部成鐓、精鐓等。

　?、壅龜D壓。坯件在冷鐓壓中．在下模中變形時(shí)，金屬的流動(dòng)方向與上模的運(yùn)動(dòng)方向一致。冷鐓螺栓、圓柱頭內(nèi)六角螺釘時(shí)的粗桿縮徑就是一種正擠壓。

　?、芊磾D壓。坯件在變形中，金屬的流動(dòng)方向與上模的運(yùn)動(dòng)方向相反。圓柱頭內(nèi)六角螺釘頭部成型就屬反擠壓。

　?、輳?fù)合擠壓。坯件在變形中，金屬的流動(dòng)方向一部分與上模的運(yùn)動(dòng)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)冷鐓(擠)變形程度

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　　變形程度是指坯料被鐓鍛部分的長(zhǎng)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積的比值。

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　　a．種方法用鐓鍛比(S)表示，見式(34—12)和圖34—21。

式中：ho——被鐓鍛部分的原始高度；

　　           do——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(dòng)不規(guī)則，有的纖維被折曲，形成縱向彎曲、折疊現(xiàn)象，見圖34—22。



　　b．第二種方法用鐓鍛率(e)表示，見式(34—13)和式(34—14)。
式中：ho、Fo——鐓鍛前頭部材料的原始高度、橫截面面積；
h、F——鐓鍛后工件的高度、橫截面面積。

　?、墼S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(shí)，變形的工件側(cè)面會(huì)出現(xiàn)裂紋．造成不良品，其模具使用強(qiáng)度也會(huì)受到影響，降低使用壽命，嚴(yán)重時(shí)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，其許用變形程度要高于塑性較差的金屬。碳鋼的含碳量愈高，它的塑性愈低，許用變形程度也會(huì)愈小。

　?、芸紤]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(jī)螺釘，雖然頭部所需坯料的h。／do值一般都小于2.5，但為了頭部在變形中能充滿，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求．一般都采用2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(dòng)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(duì)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(dòng)，因此選用3～4次鐓擊成型。值得強(qiáng)調(diào)的是：不是對(duì)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，在次、第二次鐓鍛中很容易成形，但由于冷作硬化的原因，使產(chǎn)品在以后的鐓鍛中難以進(jìn)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(rùn)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(dá)到螺坯尺寸。對(duì)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(rùn)滑，使之變形中盡可能減少摩擦。另外在模具上增加強(qiáng)韌性，使它在承受復(fù)雜的變形時(shí)有剛性，又有足夠的韌性和耐磨性。

　　3)冷鐓工藝中力的計(jì)算方法

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　　冷鐓力是確定工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)模具、設(shè)計(jì)冷鐓機(jī)和設(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(gè)方面：

　　a．金屬的機(jī)械性能

　　冷鐓力隨材料強(qiáng)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(duì)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(dòng)阻力的差異，從而影響冷鐓力。

　　②冷鐓力的計(jì)算方法

　　常用的冷鐓力的計(jì)算公式有：

　　a．經(jīng)驗(yàn)公式（(34—15）



        式中：F——工件鐓鍛終止時(shí)的投影面積mm2；

　　K——頭部形狀復(fù)雜系數(shù)。對(duì)六角頭螺栓，一般選K=2.0～2.4；

　　考慮冷作硬化后的變形阻力σt ，可由式（34-16）計(jì)算：

式中：σb——鋼材抗拉強(qiáng)度極限，kg/mm2；

　　Fo——鐓鍛前坯料斷面積，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（見式34-17）
式中：PT——切邊枯料力，N；

　　P——切邊力，N；

　　Kt——系數(shù)；

　　頭部高度＜5mm,Kt=0.1～0.12

　　頭部高度≤5mm,Kt=0.12～0.15

　　4)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(jī)、自動(dòng)冷鐓機(jī)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(duì)以后的變形以及產(chǎn)品質(zhì)量都有著直接影響。
①桿狀緊固件的冷鐓(壓)工藝
桿狀緊固件冷鐓(壓)grim，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(zhǎng)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34—21。Lo/do，主要用來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(shí)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(shí)，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以外，還有其他因素。無論是自動(dòng)冷鐓機(jī)，還是切料機(jī)，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(gè)o～5。的傾斜。這樣在冷鐓(壓)時(shí)，初沖對(duì)坯件的著力點(diǎn)不在中心，而會(huì)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(shí)因縱向彎曲而出現(xiàn)折迭。對(duì)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(dá)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(gè)坯件整形，其主要目的就在于此。
此外，初沖型腔的底端是對(duì)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(shì)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，就可緩解這種影響。其他如機(jī)床的運(yùn)行精度、操作者對(duì)工裝安裝調(diào)整水平也對(duì)初沖成形有影響。
為了在初沖變形中改變坯件的穩(wěn)定性，尤其對(duì)于低碳鋼這類切斷性較差的鋼種，為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1.5～2 mm的圓柱形型腔，見圖34—23。
　據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)Lo／do≤2.3時(shí)，只需要1次鐓鍛就可成型，不會(huì)出現(xiàn)縱向彎曲；當(dāng)Lo/do≤4.5時(shí)，要經(jīng)過2次鐓鍛完成頭部成型；當(dāng)Ln／do≤8時(shí)，則要通過3次鐓鍛完成頭部成型?？傊?，Lo／do的值愈大，需要鐓鍛的次數(shù)愈多。對(duì)于中碳鋼、合金鋼而言，由于鐓鍛帶來的冷作硬化．使以后的變形工序難以進(jìn)行，這時(shí)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，使半成品硬度降低，并去除工序變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

　?、跈C(jī)器螺釘初鐓形狀的確定
機(jī)器螺釘種類很多，主要區(qū)別于頭部的幾何形狀。總的來說，機(jī)器螺釘頭部成形的鐓鍛比值比較小，比較容易鐓鍛。對(duì)于簡(jiǎn)單頭形的機(jī)器螺釘，單擊冷鐓生產(chǎn)的工件，如圖34—24所示，可采用1次鐓鍛。但是，不少品種的機(jī)器螺釘，頭部槽型比較復(fù)雜，如十字槽型等，頭部成形則需要2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(shí)，同時(shí)對(duì)槽型產(chǎn)生鐓擠，這時(shí)產(chǎn)品頭部動(dòng)充滿頭部大端以外，還會(huì)伴隨槽型的擠壓而有一個(gè)反受力方向流動(dòng)的趨勢(shì)，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(gè)局部不充滿的缺陷，將初沖的頂端做成圓弧形，對(duì)于平圓頭十字槽螺釘?shù)某鯖_，做成圓錐形的頂端，并帶一個(gè)120°～150°的錐角體，見圖34—25，其目的是為了減少變形中金屬的反向流動(dòng)，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(jí)，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。