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1、5 4D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o.2 2 0 0 50 引言生产紧固件的主要工艺是冷镦。冷镦工艺是少无切削金属压力加工的新工艺之一。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。冷镦工艺最适于用来生产螺栓、螺钉、螺母、铆钉、销钉等标准紧固件。本文开发的设计系统是基于实例的冷镦外六角螺钉的工艺分析系统。涉及到的螺钉共有四种，包括带法兰不带台阶的螺钉、不带法兰带台阶的螺钉、不带法兰不带台阶的螺钉以及带法兰带台阶的螺钉，如图 1 所示。1 外六角螺钉的典型冷
2、镦工艺冷镦工艺由下列主要工序组成：切料、初镦、终镦、切边和成形法兰。初镦的作用主要是完成材料的锥形堆积。当用于顶镦头部的坯料高度和坯料直径之比大于2.5 时，根据金属冷镦工艺，应该进行两次冲击，收稿日期：2 0 0 4-1 1-1 6作者简介：赵春辉（1 9 8 0），男，硕士研究生。文章编号：1 0 0 1-4 9 3 9(2 0 0 5)0 2-0 0 5 4-0 4基于S o l i d w o r k s 的外六角冷镦螺钉工艺分析系统赵春辉，于沪平，陈 军（上海交通大学塑性成形工程系，上海2 0 0 0 3 0）摘要：冷镦工艺可以提高材料利用率、生产率以及改善金属零件的机械性能。生产外
3、六角螺钉的主要工艺是冷镦。构建了一个来源于实例的基于S o l i d w o r k s 的外六角冷镦螺钉的工艺分析系统，主要完成外六角螺钉工步设计，为设备选择与模具设计提供可靠的数据，缩短设计周期，减轻设计人员的工作量。关键词：外六角螺钉；工艺分析；冷镦中图分类号：3 1 6.1+1文献标识码：AA b s t r a c t:C o l d h e a d i n g c a n i m p r o v e t h e u t i l i z a t i o n r a t e o f m a t e r i a l，t h e p r o d u c t i v i t y a n d
4、 t h em e c h a n i c p r o p e r t i e s o f m e t a l p a r t s T h e m a i n p r o c e s s i n m a n u f a c t u r i n g o u t e r-h e x a g o n a l b o l t si s c o l d h e a d i n g A c o l d h e a d i n g p r o c e s s a n a l y s i s s y s t e m o f b o l t s f r o m a n i n s t a n c e i s s
5、 e t u pb a s e d o n S o l i d w o r k s T h i s s y s t e m i s u s e d f o r t h e p r o c e s s d e s i g n o f o u t e r-h e x a g o n a l b o l t s，p r o v i d i n g r e l i a b l e d a t a f o r d i e d e s i g n，s h o r t e n i n g t h e d e s i g n c y c l e a n d r e d u c i n g t h e w o
6、r k l o a d o fd e s i g n e r s K e y w o r d s:o u t e r-h e x a g o n a l b o l t s；p r o c e s s a n a l y s i s；c o l d h e a d i n g模 具 技 术 2 0 0 5.N o.25 5因此进行预镦工序，以此来减少镦粗率，从而降低冷镦力，防止出现开裂、弯曲、折叠等缺陷，同时保护冲头凸模、凹模，延长模具寿命。另外在直接冲击成形过程中，当变形程度超过材料的许用变形程度时，也必须加出初镦工序。在本设计中，初镦工序除了完成锥形堆积之外，还完成杆部的缩径。多工序镦挤的
7、初镦工序以圆锥形为最合理，本设计的六角头螺钉是基于实例的，初镦工序设计为两头圆锥形，如图 2所示，主要尺寸为d1=d0+0.5 8，d2=1.3 d0，d3=1.2 7 m m，d4=1.5 8 m m。能发生任何的塑性变形，成形范围不仅受模具强度的限制，更主要的是受原材料的变形抗力或变形程度F的限制。钢制零件采用缩径成形的一次成形范围是：当锥形部分夹角=2 5 3 0 时，采用经退火处理的原材料d 0.8 5 d0；采用经冷拔加工过的原材料d 0.8 2 d0，d 为缩径后的直径，d0为缩径前坯料直径。2S o l i d W o r k s 开发平台介绍S o l i d W o r k
8、s 软件是面向产品级的机械设计工具，全面采用非全约束的特征建模技术，为设计师提供了极强的设计灵活性。其设计过程的全相关性，使得设计师可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。S o l i d W o r k s完整的机械设计软件包包括了设计师必备的设计工具：零件设计、装配设计、工程制图。本系统主要运用 S o l i d W o r k s 进行零件三维建模，以及二维视图输出。运用 S o l i d W o r k s 的A P I 数据接口功能，使用V i s u a l _ B a s i c 进行二次开发。所涉及到的A P I 函数主要有C h a n g e D i
9、 m e n-s i o n、S e t T o l e r a n c e T y p e、S e t T o l e r a n c e V a l u e、P r i n t o u t 2 等，以实现零件模型的实时尺寸修改以及工步图的出图，如图4 为S o l i d w o r k s 平台建立的带法兰带台阶的外六角螺钉 3 D模型。根据螺钉形式的不同，终镦工序包括顶镦和缩径；切边工序主要是切型，当终镦工序不能完成缩径时，还包括缩径；成形法兰工序主要是镦出法兰，当切边工序还未没有完成缩径时，则包括缩径。为了使模具简单，当相邻部分直径之比小于0.8 5 时，先进行多次缩径，每次缩径的直
10、径比不小于 0.8 5，最后镦挤端部。缩径也称减径挤压，是正挤压的变态形式，它们的区别在于缩径件开始挤压时，被挤坯料只有出口部分和锥形部分，而没有直筒部分，如图3 所示。缩径工艺完全参照正挤压实心件，缩径力也是按照正挤压力演化而来。缩径（减径挤压）是属于在开式模具内的一种变态的正挤压成形。坯料在进入变形区以前不3外六角冷镦螺钉工艺分析系统设计3.1外六角冷镦螺钉工艺知识的表示工艺分析的知识表示主要有数据库、框架、面向对象和数学模型。本系统基于实例，所设计的产品类型不多。主要采用数学模型和产生式规则形式表示，如：5 6D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g
11、 y N o.2 2 0 0 5R U L E1：I F（镦挤头部的坯料的高径比2.5）T H E N 需要预镦工序，完成头部金属集聚，等。经验公式法计算冷挤压单位挤压力：p=（a l n F0/F+b）b式中：a、b与材料有关的系数，对于钢材，一般a=2.8，b=0.7 5F0正挤压前坯料的横断面积F正挤压后挤压件的横断面积3.2系统程序流程如上文所述外六角螺钉的工艺判断主要包括冲击次数判断（是否增加预镦工序的判断）、缩径次数的判断。程序流程如图 5 所示。3.3零件信息的描述与输入通过零件信息描述与输入就是要把零件的几何形状和技术要求转化为计算机能够识别的代码信息。零件信息描述是否准确和完
12、整对系统的运行质量具有决定性作用。图6 为本系统零件信息输入界面，可以实现零件的基本尺寸以及零件的公差值的输入。零件信息输入完毕，点击“显示体积”命令按钮，可显示零件各部分的体积，以及零件的重量，为下料工序提供依据。点击“三维模型”命令按钮，可调用S o l i d W o r k s，自动完成零件三维建模及标准二维工程图。3.4零件工序设计零件信息输入完毕，系统将自动实现工序的选择及排列。主要工序包括：下料、预镦、终镦、切边及法兰成形。工序的尺寸是程序按相应规则自动生成，用户也可做相应的更改。图7 为终镦图 6零件信息输入界面模 具 技 术 2 0 0 5.N o.25 7工序设计界面。冷镦
13、过程所涉及的力有制坯的冷拔力、下料的剪断力、冷镦力以及缩径力。力是选择设备的重要参考。以缩径力为例，系统提出了三种计算缩径力的方法，分别是主应力法、变形功法以及经验公式法，用户可按照实际情况自行选用合适的方法进行计算。点击图7“冷镦力”命令按钮，系统将弹出缩径力设计界面，如图 8 所示。范，主要内容包括，零件的 3 D模型、2 D工程图、工步图、各工步的设计尺寸、以及相应成形力的大小。5总结与展望本系统完成外六角螺钉的工步设计，不涉及加工方法、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等制造方面的信息。由于是基于实例的设计系统，内嵌的许多法则来源于生产实际。一方面，很好地指导了实际生产中外六角螺钉的工艺设计，另一方面也限制了系统的通用性。紧固件类型以及各工步模具设计是系统进一步扩展需要完成的工作。参考文献：1 肖景容，姜奎华 冲压工艺学 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 9 2 上海市机械配件工业公司 多工位冷镦工艺 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 2 3 张伟等 冲压件计算机辅助工艺管理系统的开发 J 模具技术，2 0 0 3，（1）：3 5 图 7终镦工序设计界面设计文档以w o r d 文件形式保存，利用w o r d的 B o o k M a r k 功能，使用 V B语言写入。格式规4 设计文档输出