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1、冷镦基础知识和工艺分析第1页，共64页，编辑于2022年，星期五n紧固件成型工艺中，冷镦（挤）技术是一种主要加工工艺。冷镦紧固件成型工艺中，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（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。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，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、复合它在冷镦过程中，除了镦
2、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，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（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：点概括为以下几个方面：na a钢材利用率高。冷镦（挤）是一种少、无切削加工方法，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，采用切削加如加工杆类的六角头螺栓
3、、圆柱头内六角螺钉，采用切削加工方法，钢材利用率仅在工方法，钢材利用率仅在25%25%35%35%；例如；例如M24M24的螺栓，螺母。的螺栓，螺母。而用冷镦（挤）方法，它的利用率可高达而用冷镦（挤）方法，它的利用率可高达85%85%95%95%，仅是料头，仅是料头、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。nb b生产率高。与通用的切削加工相比，冷镦（挤）成型效率要生产率高。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。高出几十倍以上。第2页，共64页，编辑于2022年，星期五nc 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，因此强度要机
4、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。比切削加工的优越得多。nd适于自动化生产。适宜冷镦（挤）方法生产的紧固件（也含一部分异形件），基适于自动化生产。适宜冷镦（挤）方法生产的紧固件（也含一部分异形件），基本属于对称性零件，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。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。n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、的加工方法，
5、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、很有发展的先进加工方法。因此，如何充分利用、提高金外广为利用、很有发展的先进加工方法。因此，如何充分利用、提高金属的塑性、掌握金属塑性变形的机理、研制出科学合理的紧固件冷镦属的塑性、掌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。（挤）加工工艺，是本章的目的和宗旨所在。第3页，共64页，编辑于2022年，星期五1金属变形的基本概念金属变形的基本概念 n1.1 变形变形n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
6、成本身的细小微粒的相对位移的总和。成本身的细小微粒的相对位移的总和。n1.1.1 变形的种类变形的种类na.弹性变形弹性变形n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。称为弹性变形。n弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。nb.塑性变形塑性变形n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）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。，
7、但金属本身的完整性又不会被破坏的变形，称为塑性变形。n塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。第4页，共64页，编辑于2022年，星期五n1.1.2 塑性的评定方法塑性的评定方法n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。塑性指标是以钢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：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：n(1)拉伸试验拉伸试验n拉伸试验用伸长率拉伸试验用伸长率和断面收缩率和
8、断面收缩率来表示。表示钢材试样在单向拉伸时的塑来表示。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。性变形能力，是金属材料标准中常用的塑性指标。和和的数值由以下公式的数值由以下公式确定：确定：n （公式（公式36-1）（公式（公式36-2）n式中：式中：L0、Lk拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。n F0、Fk拉伸试样原始、破断处的截面积。拉伸试样原始、破断处的截面积。第5页，共64页，编辑于2022年，星期五n(2)镦粗试验镦粗试验 又称压扁试验又称压扁试验n它是将试样制成高度它是将试样制成高度Ho为试样原始直径为试样原始直径D
9、o的的1.5倍的圆柱形，然后在压力机上进倍的圆柱形，然后在压力机上进行压扁，直到试样表面出现第行压扁，直到试样表面出现第1条肉眼可观察到的裂纹为止，这时的压缩程度条肉眼可观察到的裂纹为止，这时的压缩程度c为为塑性指标。其数值按下式可计算出：塑性指标。其数值按下式可计算出：n （公式（公式36-3）n式中式中 Ho圆柱形试样的原始高度。圆柱形试样的原始高度。Hk试样在压扁中，在侧表面出现试样在压扁中，在侧表面出现第第1条肉眼可见裂纹时的试样高度。条肉眼可见裂纹时的试样高度。n(3)扭转试验扭转试验 n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。生产中最常扭转试验是以试样在扭断机上
10、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，只是相对比较而言，仅说明某种金属态和变形条件的。由此所得出的塑性指标，只是相对比较而言，仅说明某种金属在什么样的变形条件下塑性的好坏。在什么样的变形条件下塑性的好坏。第6页，共64页，编辑于2022年，星期五n1.1.3 影响金属塑性及变形抗力的主要因素影响金属塑性及变形抗力的主要因素n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，金属能稳定地改金属的塑性及变形
11、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。力的工模具的力称为变形抗力。n影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面：影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面：na金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响n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
12、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，则塑性就降低。如化合物呈固熔体也具有很好的塑性，而呈化合物，则塑性就降低。如化合物Fe3C实际实际上是很脆的。一般在钢中其他元素成分的增加也会降低钢的塑性。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。n钢中随含碳量的增加，则钢的抗力指标（钢中随含碳量的增加，则钢的抗力指标（b、p、s等）均增高，而塑性指等）均增高，而塑性指标（标（、等）均降低。在冷变形时，钢中含碳量每增加等）均降低。在冷变形时，钢中含碳量每增加0.
13、1%，其强度极限，其强度极限s大大约增加约增加68 kg/mm2。n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，含量愈少愈好。是有害的杂质，含量愈少愈好。第7页，共64页，编辑于2022年，星期五n磷在钢中使变形抗力提高，塑性降低。含磷高于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。一的钢具有冷脆性。一般钢的含磷量控制
14、在百分之零点零几。般钢的含磷量控制在百分之零点零几。n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。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。n总之，钢中的化学成分愈复杂，含量愈多，则对钢的抗力及塑性的影响总之，钢中的化学成分愈复杂，含量愈多，则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。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。nb变形速度对塑性及变形抗力的影响变形速度对塑性及变形抗力的影响n变形速度是单位时间内的相对位移体积：变形速度是单位时间内的相对位移体积：n （公式（公式36-4）n不应将变形速度与变形工具的
15、运动速度混为一谈，也应将变形速度与变形体中质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。点的移动速度在概念上区别开来。n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。但当变形速度特别大时，塑性变响不如热变形时显著，这是由于无硬化消除的过程。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。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
16、形抗力。第8页，共64页，编辑于2022年，星期五nc应力状态对塑性及变形抗力的影响应力状态对塑性及变形抗力的影响n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。于应力状态下。n从变形体内分离出一个微小基元正方体，在所取的正方体上，作用有未知大从变形体内分离出一个微小基元正方体，在所取的正方体上，作用有未知大小但已知方向的应力，把这种表示点上主应力个数及其符号的简图叫主应力小但已知方向的应力，把这种表示点上主应力个数及其符号的简图叫主应力图。图。n表示金属受力状态的主应力图共有九种，其中
17、四个为三向主应力图，三个为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，如图平面主应力图，两个为单向主应力图，如图36-1所示。所示。第9页，共64页，编辑于2022年，星期五第10页，共64页，编辑于2022年，星期五n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。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。n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，又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图为最普三向主应力图中，又以具有
18、两个压应力和一个拉应力的主应力图为最普遍。遍。n同号的三向压应力图中，各方向的压应力均相等时（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），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。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。n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、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。正反挤压、板材及型材轧制等。n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，在生产实际中很少
19、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，如图在缩颈处的应力线，是三向拉伸的主应力图，如图36-2所示所示 第11页，共64页，编辑于2022年，星期五n在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图36-3所示。所示。n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。低金属的塑性。第12页，共64页，编辑于2022年，星期五nd冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响
20、n金属经过冷塑性变形，引起金属的机械性能、物理性能及化学性能的改金属经过冷塑性变形，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、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）则有所降低；电阻增加；抗腐蚀性及导热性能断面收缩率及冲击韧性）则有所降低；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降低，并改变了金属的磁性等等，在塑性
21、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。的总和称作冷变形硬化，简称硬化。ne附加应力及残余应力的影响附加应力及残余应力的影响n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。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，构成残余应力，当变形终止后，这
22、些彼此平衡的应力便存在变形体内部，构成残余应力，影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。第13页，共64页，编辑于2022年，星期五n1.1.4 提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施n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：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：na坯料状况坯料状况n冷镦用原材料，除了要求化学
23、成份、组织均匀，不要有金属夹杂等以外，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残余应力，使组织均匀，降低硬度，要求冷镦前金属的硬度属内部的残余应力，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。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。组织均匀外，还可改善金属的冷变形塑性。nb提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件提高模具光滑度及
24、改善金属表面润滑条件n这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力，尽可能降低变形这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力，尽可能降低变形中由于摩擦而产生的拉应力。中由于摩擦而产生的拉应力。nc选择合适的变形规范选择合适的变形规范n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、冷挤复合用金属的冷变形塑性，也
25、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。成形、螺栓的两次缩径、螺母的大料小变形等。第14页，共64页，编辑于2022年，星期五n1.2 金属塑性变形的基本规律金属塑性变形的基本规律1.2.1 最小阻力定律最小阻力定律n金属在变形中，变形体的质点有向各方向金属在变形中，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。小阻力方向移动，称为最小阻力定律。n在六角头螺栓多工位冷镦中，第二工位在六角头螺栓多工位冷镦中，第二工位精镦时，金属向上、下模开口处流动精镦时，金属向上、下模
26、开口处流动并形成飞边是最小阻力定律起作用的并形成飞边是最小阻力定律起作用的体现。图体现。图36-4表明坯件在模具中镦锻时，表明坯件在模具中镦锻时，它在充满上、下模腔的同时还向上、下模它在充满上、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部分的阻力时，金的阻力大于在模腔其它部分的阻力时，金属充满模腔才有可能。在上模向下运动中，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。增加，这时才能保证最后充满上、下模腔。第15页，共6
27、4页，编辑于2022年，星期五n1.2.2 体积不变定律体积不变定律n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。不变，金属坯件在塑性变形以前的体积等于变形后的体积。n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。寸。n最小阻力定律则是金属变形次数如何确定，每次变形量如何分配、工模具结构形状确最小阻力定律则是金属变形次数如何确定，每次变形量如何分配、工
28、模具结构形状确定的设计最主要的依据。定的设计最主要的依据。n1.2.3 变形中影响金属流动的主要因素变形中影响金属流动的主要因素na 摩擦的影响摩擦的影响n在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在，由于摩擦在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在，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，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。若无摩擦
29、力作用，则坯件处于理想的均匀变形状态，变形定律，它会逐渐趋于圆形。若无摩擦力作用，则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。前后在几何形状上仍然相似。第16页，共64页，编辑于2022年，星期五第17页，共64页，编辑于2022年，星期五n图图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，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，不论是外层还是内层，金属的直径都有所增加，即根据体积不变条件，不论是外层还是内层，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。所有金属都沿径向辐射状向外
30、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，如图所示，在环形件中出现了流动的分界面（了流动的方向，如图所示，在环形件中出现了流动的分界面（dN）。）。nb工模具形状的影响工模具形状的影响n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
31、积的分配也有所差异。异。nc金属本身性质不均的影响金属本身性质不均的影响n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部分。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部分。第18页，共64页，编辑于2022年，星期五2金属冷镦（挤）工艺金属冷镦（挤）工艺n2.1 冷镦（
32、挤）工艺基本概念冷镦（挤）工艺基本概念n2.1.1 冷镦、冷压冷镦、冷压n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，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，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，这样的压力加工方法，对自动冷镦机而言叫冷镦，对压力机而言叫冷压。这样的压力加工方法，对自动冷镦机而言叫冷镦，对压力机而言叫冷压。n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
33、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。加工方法。第19页，共64页，编辑于2022年，星期五n2.1.2 冷镦（挤）的变形方式冷镦（挤）的变形方式na冲裁冲裁使坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的冲孔、使坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的冲孔、六角头螺栓的头部切边等。六角头螺栓的头部切边等。nb镦粗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。头部成型的预镦
34、、精镦等。nc正挤压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。挤压。nd反挤压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。圆柱头内六角螺钉头部成形就属反挤压。头内六角螺钉头部成形就属反挤压。ne复合挤压复合挤压n坯件在变形中金属的流动方向一部分与上模的运动方向相同，一部分又坯件在变形中金属的流动方向一部分与上模的运动方向相
35、同，一部分又相反。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）。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）。第20页，共64页，编辑于2022年，星期五n2.1.3 冷镦（挤）变形程度冷镦（挤）变形程度na变形程度变形程度n是指坯料被镦锻部分长度在镦锻终了的压缩量与原始高度的比值，或者坯料是指坯料被镦锻部分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。截面积在镦锻终了截面积的增加量与原始横截面的比
36、值。nb变形程度的表示方法变形程度的表示方法n第一种方法用镦锻比第一种方法用镦锻比(S),如图如图36-7所示。所示。n即：即：（公式（公式36-5）n式中：式中：h0被镦锻部分的原始高度被镦锻部分的原始高度n d0被镦锻部分的原始直径被镦锻部分的原始直径n镦锻比可以确定镦锻的难易，镦锻比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，金属纤维流动锻比愈大，变形愈难，金属纤维流动 不规则，有的纤维被折曲，形成纵向不规则，有的纤维被折曲，形成纵向 弯曲现象。如图弯曲现象。如图36-8所示。所示。第21页，共64页，编辑于20
37、22年，星期五n第二种方法用镦锻率（第二种方法用镦锻率（）n即：即：n （公式（公式36-6）（公式（公式36-7）n式中式中 ho、Fo镦锻前头部材料的原始高度、横截面积镦锻前头部材料的原始高度、横截面积nh、F镦锻后工件的高度、横截面积镦锻后工件的高度、横截面积 第22页，共64页，编辑于2022年，星期五nc许用变形程度许用变形程度n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成不良品，其模具使用强度也会受到影响，降低使用寿
38、命，严重时可使模具开裂而损坏。而损坏。n金属的许用变形程度与金属本身的塑性有关金属的许用变形程度与金属本身的塑性有关,塑性好的金属塑性好的金属,许用变形程度要高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。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。n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、金属表面润滑等，目的就在于使金属行退火软化处理、增加模具的强韧性、金属表面润滑等，目的就在于使金属的许用变形程度得到
39、提高。的许用变形程度得到提高。n表表36-1列出了部分钢材的许用变形程度。列出了部分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 809010（0.03%Si）、10F、15 657020（0.170.37%Si）第23页，共64页，编辑于2022年，星期五n2.1.4 镦锻次数的确定镦锻次数的确定n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
40、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，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，考虑下列因素：考虑下列因素：na镦锻比镦锻比n即坯料需要变形部分的长度与直径的比，比值过大，一次镦锻就会出现纵弯现象，压即坯料需要变形部分的长度与直径的比，比值过大，一次镦锻就会出现纵弯现象，压扁后，会出现夹层，如图扁后，会出现夹层，如图36-9所示。要避免镦锻中出现这些缺陷，必须增加所示。要避免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，直至达到需要形状。镦锻次数。即首先将坯料预镦成锥形，之后再精
41、镦，直至达到需要形状。第24页，共64页，编辑于2022年，星期五n一般按下列数据来决定镦锻次数：一般按下列数据来决定镦锻次数：n当当 2.5时，可一次镦锻；时，可一次镦锻；n当当2.5 4.5时，镦锻两次；时，镦锻两次；n当当4.5 6.5时，镦锻三次。时，镦锻三次。nb考虑工件头部直径考虑工件头部直径D与高度与高度H的比值。的比值。n如图如图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，所需坯料坯料h0/d0在在2以上大头细杆零件，若采用一次镦锻成形，就会在头部边缘以上大头细杆零件，若采用一次镦锻成形，就会在头部边
42、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。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。第25页，共64页，编辑于2022年，星期五nc考虑工件的表面粗糙度要求考虑工件的表面粗糙度要求及外部几何形状的复杂程度及外部几何形状的复杂程度n如半圆头、圆柱头等形状的机螺钉，如半圆头、圆柱头等形状的机螺钉，虽然头部所需坯料的虽然头部所需坯料的ho/do值一般都值一般都小于小于2.5，但为了头部在变形中能充，但为了头部在变形中能充满，达到标准要求，一般都采用两满，达到标准要求，一般都采用两次镦击。预镦锥形头部为精镦头部次镦击。预镦锥形头部为精镦头部成形创造良好的金属流
43、动条件。又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，如用大直径小变形的线材镦制螺母，采用线材直径为采用线材直径为0.9s（s为六角螺母为六角螺母对边尺寸），一般产品的变形程度对边尺寸），一般产品的变形程度为为25%左右，但由于六角螺母形状左右，但由于六角螺母形状比较复杂，镦制中变形方式较多，比较复杂，镦制中变形方式较多，它既有冷镦又有复合挤压和冲孔，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，因此为了有利于变形中金属流动，因此选用选用34次镦击成形。次镦击成形。第26页，共64页，编辑于2022年，星期五n值得强调的，不是对所有形状比较复杂的产品都靠增加镦锻次数
44、来解决。往往有值得强调的，不是对所有形状比较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或者化的原因，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。一般线材直效的润滑。螺栓、螺钉在冷镦
45、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径与螺钉螺纹直径D相接近，用一次或两次杆部缩径达到螺坯尺寸。对中碳相接近，用一次或两次杆部缩径达到螺坯尺寸。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表面润滑，使之变形中尽可能减少摩擦。磷化、皂化处理来保证钢材的表面润滑，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。韧性和耐磨性。第27页，共64页，编辑于
46、2022年，星期五n2.1.5 冷镦工艺中力的计算方法冷镦工艺中力的计算方法n2.1.5.1 冷镦力冷镦力n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。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。n决定冷镦力大小的因素较多，主要有以下几个方面：决定冷镦力大小的因素较多，主要有以下几个方面：na金属的机械性能金属的机械性能冷镦力随材料强度、硬度的增加而增加。冷镦力随材料强度、硬度的增加而增加。nb工件形状、变形程度工件形状、变形程度冷镦力随工件变形量的增加而增加。冷镦力随工件变形量的增加而增加。nc摩擦摩擦由于模具和工件间的接触面有摩擦力，不同程度
47、地改变了作用力的方向和大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。小，从而产生对冷镦力的影响。nd工模具形状工模具形状n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。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。第28页，共64页，编辑于2022年，星期五n2.1.5.2 冷镦力的计算方法冷镦力的计算方法n常用的冷镦力的计算公式有：常用的冷镦力的计算公式有：na经验公式经验公式nP=KtF（公斤）（公斤）（公式（公式36-8）n式中式中 F工件镦锻终止时的投影面积（工件镦锻终止时的投影面积（mm2）n
48、K头部形状复杂系数，按图头部形状复杂系数，按图36-11选择。对六角头螺栓，选择。对六角头螺栓，一一般选般选K=2.02.4n t考虑冷作硬化后的变形阻力，可由下式计算：考虑冷作硬化后的变形阻力，可由下式计算：t （kg/mm2）(公式公式36-9)n式中式中 b钢材抗拉强度极限（钢材抗拉强度极限（kg/mm2）n Fo镦锻前坯料断面积（镦锻前坯料断面积（mm2）第29页，共64页，编辑于2022年，星期五nb近似理论推导的计算公式近似理论推导的计算公式n在考虑影响冷镦力大小的主要因素的基础上，并根据经验进行修正，得出如在考虑影响冷镦力大小的主要因素的基础上，并根据经验进行修正，得出如下的冷镦
49、力计算公式：下的冷镦力计算公式：n （公式（公式36-10）n式中式中 d镦锻后工件头部最大直径（镦锻后工件头部最大直径（mm）n h镦锻后工件头部高度（镦锻后工件头部高度（mm）n F工件头部投影面积（工件头部投影面积（mm2）第30页，共64页，编辑于2022年，星期五nZ变形系数变形系数nn工具形状系数工具形状系数n工件变形部分形状系数工件变形部分形状系数n摩擦系数摩擦系数nZ、n、可按表可按表36-2选取选取n表表36-2 冷镦力计算系数冷镦力计算系数b(N/mm2)Z变形系数n工具形状系数冷镦部分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1.0
50、2无无1.0圆柱形1.3研磨石墨0.050.1020420精简单1.21.5有无1.752.0正方形六角形2.0研磨无0.10.1525460精复杂1.51.8有有2.5矩形2.5精加工0.150.230500非对称形复杂形2.53.0粗加工0.200.30第31页，共64页，编辑于2022年，星期五n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，但计算不如经验公式简单，一般常采用经验公式计算，最后预以修正。算不如经验公式简单，一般常采用经验公式计算，最后预以修正。n2.1.5.3 辅助工艺力的计算方法辅助工艺力