冷镦锻工艺与模具设计

以GB5786-M8六角头螺栓为例来说明...冷镦锻工艺是一种少无切削金属压力加工工艺。

它是一种利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，并借助于模具，使金属体积作重新分布及转移，从而形成所需要的零件或毛坯的加工方法。

冷镦锻工艺的特点：
1．冷镦然是在常温条件进行的。

冷镦锻可使金属零件的机械性能得到改善。

2．冷镦锻工艺可以提高材料利率。

它是以塑性变形为基础的压力加工方法，可实现少切削或者无切削加工。

一般材料利用率都在85%以上，最高可达99%以上。

3．可提高生产效率。

金属产品变形的时间和过程都比较短，特别是在多工位成形机上加工零件，可大大提高生产率。

4．冷镦锻工艺能提高产品表面粗糙度、保证产品精度。

二、冷镦锻工艺对原材料的要求
1．原材料的化学成份及机械性能应符合相关标准。

2．原材料必须进行球化退火处理，其材料金相组织为球状珠光体4-6级。

3．原材料的硬度，为了尽可能减少材料的开裂倾向，提高模具使用寿命还要求冷拔料有尽可能低的硬度，以提高塑性。

一般要求原材料的硬度在HB110~170（HRB62-88）。

4．冷拔料的尽寸精度一般应根据产品的具体要求及工艺情况而定，一般来说，对于缩径和强缩尺寸精度要求低一些。

5．冷拔料的表面质量要求有润滑薄膜呈无光泽的暗色，同时表面不得有划痕、折叠、裂纹、拉毛、锈蚀、氧化皮及凹坑麻点等缺陷。

6．要求冷拔料半径方向脱碳层总厚度不超过原材料直径的1-1.5%(具体情况随各制造厂家的要求而定）。

7．为了保证冷成形时的切断质量，要求冷拔料具有表面较硬，而心部较软的状态。

8．冷拔料应进行冷顶锻试验，同时要求材料对冷作硬化的敏感性越低越好，以减少变形过程中，由于冷作硬化使变形抗力增加。

三、紧固件加工工艺简述
紧固件主要分两大粪：一类是螺纹类紧固件；另一类是非螺纹类紧固件或联接件。

这里仅针对螺纹类紧固件进行简述。

1. 螺纹类紧固件加工流程一般都是由剪断、冷镦、或者冷挤压、切削、螺纹加工、热处理、表面处理等生产工序组成的。

材料改制工艺流程一般为：
酸洗→拉丝→退火→磷化皂化→拉丝→(球化磷化)
螺纹类紧固件冷加工艺流程订要有以下几种情况:
8.8级以下的螺纹紧固件产品加工流程
打头→清洗→搓螺纹→清洗→表面处理→包装
8.8级以下的螺纹紧固件产品加工流程
打头→清洗→切削→热处理→穿垫搓螺纹→清洗→表面处理→包装
8.8-10.9级螺纹紧固件产品加工流程
打头→清洗→切削→搓螺纹→热处理→清洗→表面处理→包装
10.9-12.9级螺纹紧固件产品加工流程
打头→清洗→热处理→切削→滚螺纹→清洗→无损检测→清洗→表面处理→包装
2. 螺纹类紧固件常用材料
螺纹类紧固件常用材料如下表1(含国内外材料对比)
四、冷镦锻工艺设计的基本方法
冷镦锻工艺设计实际上就是冷镦模具的设计,我们所设计的每一个工艺方案最终都是要通过模具设计来实现的。

冷镦锻工艺设计：
首先,根据产品具体的相关参数计算坯长度，此时计算的重量实际是零件的净重，冷镦锻时的坯料长度可根据体积不变原则来确定，即塑性变形坯料的体积等于塑性变形后的零件的体积。

如果还要进行切削加工，那么坯料的体积还应加上相应的切削量。

加上相应的切削余量后计算的重量实际上是零件的毛重。

其次，变形程度及镦锻次数的确定。

如图，当长径比≤2.5时，镦锻一次：
当2.5≤长径比≤4.5时，镦锻二次：
当4.5≤长径比≤6.5时，镦锻三次。

以上数据是在比较理想的条件下才能实现，在实际生产中，还要考虑到产品的几何形状，同时也为了保证质量需要按照上述数据增加一次镦锻变形。

第三，确定加工工艺方案。

根据产品的具体要求确定该产品是采用无切削加工工艺还是采用少切削加工工艺以及采用哪一种生产设备，并设计加工工步图即确定加工工艺方案。

第四，根据以上三个因素确定所有材料的坯径尺寸。

需要说明的是原材料尺寸与产品头部尺寸、产品的杆部尺寸、生产设备以及螺纹精度和表面处理方式都是紧固件密相关的。

例如：以GB5786-M8六角头螺栓为例来说明，这里以表格的形式表达更清楚直观，具体见表2。

第五，根据产品的相关参数计算零件净重，根据不同的加工方式、方法计算零件消耗定额。

第六，根据产品要求确定滚压螺纹坯径尺寸，不同的螺纹标准所要求的滚压螺坯径尺寸是不一样的。

在国家新螺纹标准GB192-81-GB2516-M8中，外螺纹主要有6e、6f、6g、6h四种。

相关螺纹资料介绍请参看TFS-Threads文档。

以GB5786-M8六角头螺栓为例来说明，具体见表3。

第七，冷镦锻加工工艺及模具设计
下面以六角头螺栓切削加工工艺工步图：
K=头部高度
k,=头部扳拧高度
剪料→预成形→终镦→剪切六角→（搓螺纹）
图3六角头螺栓无切削加工工艺工步图：
剪料→预成形→整形→镦六角→（搓螺纹）
1. 送料滚轮的设计
送料轮的外型尺寸、孔径尺寸是冷镦锻设备生产厂家确定的，不需重新设计的。

我们仅需对送料轮工作沟槽尺寸进行设计，沟槽尺寸决于取原材料线直径最大尺寸，其公差取H110-H11即可。

2．切刀刃中直径一般为原材料直径最大尺寸，其公差取H9-H10。

3．切模的直径一般为原材料直径：最大尺寸+(0.05-0.10），其公差取H9-H10。

4．预成形冲模设计
一冲的设计原则是：要求一冲有尽可能大的变形比，为第二次镦锻成形做准备，其次要避免
金属纤维产生纵向弯曲。

一冲模具设计的方法很多，目前主要有两种典型的方法。

一种方法是以美国为代表：
这种方法是依据塑性变形核理论，先确定锥体大端直径Dk值，然后再确定一冲型腔尺寸。

根据塑性变形核理论，如图4，假设锥体大端直径Dk为小端直径dm的1.4倍，锥体角度的α角度定位12°,金属体积不足部分,由圆柱体h部分调节加以补充。

圆中dm=材线直径
这种设计方法也并非完全一成不变的，它是随材料的硬度变化而有所变化。

这种方法锥角α值仅对螺栓的而言，对于其它头部形状来说，α值是有变化的。

另一种方法是以苏联为代表。

这种方法就是由长径比来选择α角，然后再确定其它尺寸。

长径比决定α角大小见表4。

如图5，dm=线材直径
5．终镦锻冲模及主模设计
该冲模设计相对来说较为简单，如图5，其设计原则是以所加工的产品头部形状和尺寸为依据来设计的。

如需切削加工，则要考虑相应的切削加工余量。

如图6：D0=(1.04-1.1）emax，式中emax为六角头螺栓最大的对角尺寸
D=(0.9-0.95)S，式中S为六角头螺栓对边尺寸
H=螺栓头部高度，
h=2H/3，式中h为模具型腔深度。

主模主要依据各工步零件加工工艺要求来设计的，这里仅讲述多层预应力主模的设计方法。

实践证明，多层预应力结构主模是一种解决主模径向开裂比较有效的方法，对于采用硬质合金为模芯的预应力组合主模尤为有效。

多层预应力结构层的数目确定，主要是根据冷镦锻过程中单位压力的大小，内腔尺寸和所用的材料强度来考虑确定的。

这里有两种情况：
一种情况主模模芯允许在拉应力状态下工作，即采用高强度模具钢制作，这时按内压力Pimax的大小来确定：
当Pimax≤kg/mm2时，为整模；
当110kg/mm2≤Pimax≤160kg/ mm2，采用一层预应力套；
当160kg/mm2≤Pimax≤200kg/ mm2，采用两层预应力套；
主模内压力一般按冲模单位压力计算。

另一种情况是主模模芯不允许在拉应力状态下工作，采用硬质合金（俗称钨钢）制作的主模就属此类型，这时按下列Pimax的大小来选取：
当Pimax≤110kg/mm2时，采用一层预应力套；
当110kg/mm2≤Pimax≤190kg/ mm2，采用两层预应力套；
预应力套的外圈直径与主模内腔直径之比取4-6即可。

如图7，如有中间预应力套，其相关尺寸可根据有关冷挤压资料计算得到。

6．切边冲模（Trimming Die）设计。