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。
②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。
③機(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(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)小微粒的相對位移的總和。
2) 金屬變形的種類
?、購椥宰冃巍＝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。
?、谒苄宰冃?。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。
3)金屬塑性及變形抗力
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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，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(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，將坯料置于自動冷鐓機(jī)或壓力機(jī)的模具中，對模具施加壓力，利用上、下模的相對運(yùn)動，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，對自動冷鐓機(jī)而言叫冷鐓，對壓力機(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
?、贈_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)，金屬的流動方向與上模的運(yùn)動方向一致。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。
④反擠壓。坯件在變形中，金屬的流動方向與上模的運(yùn)動方向相反。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，金屬的流動方向一部分與上模的運(yùn)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)冷鐓(擠)變形程度
①變形程度
變形程度是指坯料被鐓鍛部分的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)面會出現(xiàn)裂紋．造成不良品，其模具使用強(qiáng)度也會受到影響，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次鐓擊成型。值得強(qiáng)調(diào)的是：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(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
①冷鐓力
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。
?、诶溏吜Φ挠?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)，初沖對坯件的著力點(diǎn)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(shí)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(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，就可緩解這種影響。其他如機(jī)床的運(yùn)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。
為了在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?？傊琇o／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?？偟膩碚f，機(jī)器螺釘頭部成形的鐓鍛比值比較小，比較容易鐓鍛。對于簡單頭形的機(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)對槽型產(chǎn)生鐓擠，這時(shí)產(chǎn)品頭部動充滿頭部大端以外，還會伴隨槽型的擠壓而有一個(gè)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(gè)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(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，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。
