冷镦螺栓缩径模具内孔孔型设计

1前言

六角头螺栓是紧固件中应用最广泛的产品。与螺母配合使用，可用螺纹拧紧固定。在螺栓加工过程中，M27以下规格通常在冷镦机上冷镦成型，工艺路线为:材料改性→切削→缩径→镦头→切边→滚丝。减径工艺可以保证滚丝或滚丝所需的坯料直径，对控制产品的变形率，提高冷镦的稳定性和螺栓头与杆的结合强度，防止产品掉头有重要作用。由于其生产效率高、产品质量好，该技术已成为螺栓生产的主要方式。

在实际生产过程中，影响变径模使用寿命的因素很多，包括原材料的硬度、材料改性后的表面粗糙度、冷镦油的润滑效果、变径杆的生产速度、变径模的孔结构和材料等。对于正常生产来说，磷化材料的减摩效果受产品结构和生产工艺的限制，通常很难改变。当性能参数在一定范围内时，对成型时的润滑、生产速度等因素影响较小，工艺处于相对稳定的状态。所以在产品材料和成型工艺趋于稳定的情况下，通过改进模口孔型结构更容易看到效果。

2模具分析

2.1缩径模的设计要点

缩径模采用预应力复合结构，保证其整体强度；外模套材质为H13碳钢，型芯为硬质合金KG5，将硬度为1250~1340HV的模套加热到400℃以上，模芯通过过盈配合压入。

缩径模孔型结构中最重要的参数是工作带的导向角α和定径带的长度L。工作导向角α直接影响减速力的大小，如果α过大或过小，减速力都会增大。定径带的长度L决定了模具的使用寿命，L太长或太短都会降低模具的使用寿命[1]。定径带后直径与定径带直径之差应为0.05~0.07mm，以避免工件与模具接触而增加摩擦力，保证减径的顺利进行[2]。

2.2变径模的孔型结构

缩径模的主要结构和参数如图1所示。工作带是物料被挤压和压缩的区域，图中α表示工作带的导向角(°)；定径带保证了减径后坯料的尺寸精度，D为定径带的直径(mm)；l是上浆带的长度(mm)。

减变形是减径前后导线截面积的变化。减径变形度是减径工艺设计计算的重要参数，也是影响减径模具寿命的最重要因素。减小变形ψ的计算

其中A0是变形前导线的横截面积(mm2)；A1是变形导线的横截面积(mm2)；d是原材料的直径(mm)；d是上浆带的直径(毫米)。

2.4缩径模参数对缩径模寿命的影响

(1)工作带导向角α的影响当工作带在减小材料直径时，模具的挤压力随着导向角的增大而变大。α过大时，坯料容易因摩擦而弯曲甚至镦粗。α过小时，工作带长度延长，坯料与模具接触面积增大，摩擦力增大，在较大摩擦力作用下，模具寿命缩短。

(2)定径带长度L的影响通过定径带长度L和直径D的共同作用，减径模可以发挥其作用，将材料的截面积稳定地控制在预定的目标之内。l过小时，变径带磨损快，无法保证滚丝所需的钢坯直径。同时工件容易弯曲，直线度无法保证。当l过大时，摩擦力会增大，导致模具失效，工件表面粗糙度差。因此，合理的定径带长度是保证减径模具寿命的重要参数。

(3)减径长度的影响减径长度较长，在持续的减径作用下润滑油膜逐渐变薄，润滑效果变差，摩擦力增大，工件杆容易产生波纹变形，甚至无法完成减径变形。

3模具孔型设计和验证

3.1工作皮带导向角α

(1)工作带导向角的选择原则在缩径过程中，最理想的工艺方法是将工件与模具之间的摩擦力降到最低。润滑油、材料磷化和模具表面抛光都是为了达到这个目的。

缩径模的应力如图2所示。当材料通过导向带时，模具受到挤压力N1和摩擦力f1。

根据牛顿第三定律，挤压力和模具减径力之间的关系为

其中F1是材料通过导向带所需的力(n)。

根据库仑摩擦定律，μ是摩擦系数。

模具摩擦力的图片。可以看出，导向角α越大，材料与模具之间的相互挤压力越大，相互摩擦力也越大。在大摩擦力的作用下，模具表面更容易磨损失效。导向角α越小，摩擦力越小，模具寿命越长。

在金属材料的塑性成形过程中，由于接触压力和接触表面温度较高，经典的库仑摩擦定律不能有效地计算摩擦力，因此应采用粘着-犁沟理论，摩擦系数是随接触压力变化的变量[3]

其中，n1为导向工作带表面的法向应力(n );S1是材料与导向工作带的接触面积(mm2)；d是缩径前材料的直径(mm)。

模具上的摩擦力

因此，在其它条件一定的情况下，导向角决定了坯料与缩径模之间的摩擦力和接触面积。

(2)不同导向角的试验某公司根据生产情况，对其常用材料10B21(硬度149HV)和SWRCH35K(硬度191HV)和规格M10×40mm采用全螺纹变径模，以不同的导向角进行验证。棒的直径从9.6毫米减小到8.87毫米，减小的变形为0.146毫米。结果示于表1中。

试验结果表明，在原材料硬度相近的情况下，导向角为24° ~ 28°，其使用寿命相对稳定。失效模式为定径带引起的疲劳裂纹失效。生产软性材料时，导向角小，模具寿命较长；生产硬质材料时，导向角较大，模具寿命较长。同时，通过对比不同材料的试验结果可以看出，生产材料硬度越高，模具寿命越短。

3.2上浆带长度L

(1)定径带长度L的选择原则材料的直径被工作带缩小后，由于部分弹性变形，再加上热胀冷缩的作用，直径会有一定程度的回弹。定径带的主要功能是稳定棒材直径。上浆带主要受正挤压力N2和摩擦力f2的影响(见图2)，其关系为:

因此，定径带的长度L越短，摩擦力越小，模具的使用寿命越长。但当定径带长度L过短时，定径带的弯曲强度降低，磨损速度加快，但模具寿命会缩短。

(2)不同定径带长度的试验为了验证不同定径带长度对模具寿命的影响，试验选用了G B/T 5783M10×40mm螺栓。根据表1中的结果，材料为10B21，导向角为22°。详细的测试方案和结果见表2。

试验结果表明，当定径带长度为0.09 d ~ 0.135 d时，减径模寿命相对稳定，长度过长或过短，寿命都有缩短的趋势。

3.3减少长度

(1)变径长度较长时的变径原则。计算压下力时，由单位压下力公式可知，单位压下力随坯料长度的增加而增加。当减径长度超过一定长度时，减径力将超过极限减径力，导致坯料不能正常完成减径过程。

(2)变径长度较长的变径带的验证从图中可以看出，缩短定径带的长度L，可以减小摩擦阻力，降低所需的变径力。为验证较长的变径长度对变径模的影响，选用材料为10B21的M10×100mm螺栓进行验证，试验结果见表3。

对比表3和表2可以看出，缩径长度越长，缩径模具寿命越短，呈指数变化。试验结果表明，在不磨损定径带直径的前提下，保证定径带的最大长度，可以获得模具的最佳使用寿命。

4分析和讨论

4.1工作带导向角α的选择

从表1可以看出，当导向角为24° ~ 28°时，工作带上的冲击挤压力较小。在模具的承受范围内，模具失效是由于缩径后材料硬化引起的定径带磨损。10B21的硬度在直径减小时是软的。当导向角α较小时，在较小挤压力的作用下，即使接触面积增大，摩擦力变化不大，材料硬化不明显。反之SWRCH35K，由于材料较硬，当导向角α过大时，坯料与模具的接触率没有明显增加。随着α的增大，接触面积会减小，可以减小摩擦，控制材料的硬化。

4.2上浆带长度L的选择

l短时，钢坯与定径带的接触面积小，摩擦力也小。但当L小于一定长度时，定径带的直径D在摩擦的持续作用下会很快磨损，超过尺寸公差上限时，就不能保证滚丝或滚压的毛坯直径要求。当l较长时，保证了有足够的长度进行上浆，但摩擦力也增大，导致上浆带因表面磨损而失效。

4.3较长减径长度下模具参数的选择

当减径长度较长时，与减径模具的摩擦时间较长，润滑油膜向定径带末端逐渐变薄，使模具表面逐渐粗糙，摩擦系数增大，所需减径力增大，甚至超过设备负荷。通过缩短定径带长度，去除低润滑部分，保证低摩擦系数和摩擦力，降低所需的减径力，避免减径力过载导致模具快速失效，这是减径长度长的产品选择较短定径带的基础。

5结束语

当工作面导向角为24° ~ 28°时，对模具寿命影响不大，定径带疲劳裂纹是主要失效形式，导向角随材料硬度的增加而增大。硬度较高的材料(如45钢、40Cr等。)应采用球化退火工艺降低硬度，以免高硬度材料造成模具磨损，进而导致失效。当上浆带长度为0.09 d ~ 0.135 d时，应用效果最佳。对于减径长的产品，润滑效果对模具的影响最大。在设计上，通过缩短定型带的长度来保证润滑效果，从而延长模具的使用寿命。