冷鐓螺栓縮徑模具內孔孔型設計

王澤斌，楊國民

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1 序言

六角頭螺栓是緊固件中使用最廣泛的產品，其與螺母配合使用，通過螺紋實現(xiàn)擰緊固定。螺栓加工工藝中M27以下的規(guī)格通常采用冷鐓鍛工藝在冷鐓機上成型，工藝路線為：材料改制→切斷→縮徑→打頭→切邊→搓絲。通過縮徑工藝保證搓絲或滾絲所需的坯徑，縮徑對于控制產品的變形比、提高冷鐓穩(wěn)定性和螺栓頭桿的結合強度，以及防止產品掉頭等都起到了重要作用。由于該工藝生產效率高、產品質量好，已成為螺栓生產的主要方式。

在實際生產過程中，影響縮徑模具使用壽命的因素有很多，包括原材料硬度、材料改制后的表面粗糙度、冷鐓油的潤滑效果、縮桿生產速度、縮徑模具孔型結構與材料等。對于正常生產而言，材料磷化減摩效果受制于產品結構及生產工藝，通常難以改變。當性能參數處于一定范圍內時，對成型時潤滑及生產速度等因素影響較小，工藝處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可知，在產品材料及成型工藝趨于穩(wěn)定的情況下，改進模具孔型結構更容易見到效果。

2 模具分析

2.1 縮徑模具設計要點

縮徑模具采用預應力組合結構，以保證其整體強度；外部模套采用H13碳鋼材料，芯部為硬質合金KG5，硬度1250～1340HV模套加熱至400℃以上，以過盈配合將模芯壓入。

縮徑模具孔型結構中最重要的參數是工作帶導向角度α和定徑帶長度L。工作帶導向角度α直接影響縮徑力的大小，α過大或過小都會引起縮徑力的增加；定徑帶長度L決定了模具使用壽命的長短，L過長或過短都會降低模具的使用壽命[1]。定徑帶后面的孔徑與定徑帶直徑之差以0.05～0.07mm為宜，避免工件與模具接觸使得摩擦力增加，確保縮徑的順利進行[2]。

2.2 縮徑模具孔型結構

縮徑模具主要結構及參數如圖1所示。工作帶是對材料進行擠壓縮徑的區(qū)域，圖中α表示工作帶導向角度（°）；定徑帶保證縮徑后坯料的尺寸精度，d為定徑帶直徑（mm）；L為定徑帶長度（mm）。

圖1 縮徑模具主要結構及參數

2.3 縮徑變形量ψ

縮徑變形量為縮徑前后線材橫截面積的變化，縮徑變形程度是縮徑工藝設計及計算的重要參數，也是影響縮徑模具壽命最重要的因素?？s徑變形量ψ的計算如下

式中，A0為變形前線材橫截面積（mm2）；A1為變形后線材橫截面積（mm2）；D為原材料直徑（mm）；d為定徑帶直徑（mm）。

2.4 縮徑模具參數對縮徑模具使用壽命的影響

（1）工作帶導向角度α的影響 工作帶在對材料進行縮徑時，模具受到的擠壓力隨導向角度的變大而變大。當α過大時，受摩擦力影響，坯料容易發(fā)生彎曲甚至鐓粗的現(xiàn)象；當α過小時，工作帶長度延長，坯料與模具之間接觸面積增加，摩擦力增大，模具在較大摩擦力的作用下壽命縮短。

（2）定徑帶長度L的影響 通過定徑帶長度L和直徑d的共同作用，縮徑模具才能發(fā)揮效果，將材料橫截面積穩(wěn)定控制在預定目標內。當L偏小時，縮徑帶快速磨損，搓絲所需的坯徑無法得到保證，同時工件也容易彎曲，無法保證直線度。當L偏大時，摩擦力隨之增大，會導致模具失效及工件表面粗糙度變差等問題。因此，合理的定徑帶長度是保證縮徑模具壽命的重要參數。

（3）縮徑長度的影響 縮徑長度長，潤滑油膜在持續(xù)的縮徑動作下逐漸變薄，潤滑效果變差，摩擦力上升，工件桿部容易出現(xiàn)波紋狀變形，甚至無法完成縮徑變形。

3 模具孔型設計與驗證

3.1 工作帶導向角度α

（1）工作帶導向角度的選擇原理 在縮徑過程中，最理想的工藝方式是將工件與模具之間的摩擦力降低至最低水平，采用潤滑油、材料磷化和模具表面拋光等都是為了達成這一目標。

縮徑模具受力如圖2所示。材料在通過導向工作帶時，模具受到擠壓力N1和摩擦力f1。

圖2 縮徑模具受力示意

根據牛頓第三定律，模具的擠壓力與縮徑力之間的關系為

式中，F(xiàn)1為材料通過導向工作帶所需的力（N）。

根據庫倫摩擦定律

式中，μ為摩擦系數。

在金屬材料的塑性成型工藝中，由于接觸壓力高，接觸面溫度高，經典的庫侖摩擦定律并不能有效地計算出摩擦力的大小，應該使用黏著—犁溝理論，摩擦系數是一個隨接觸壓力變化的量[3]

式中，n1為導向工作帶表面正應力（N）；S1為材料與導向工作帶的接觸面積（mm2）；D為材料縮徑前直徑（mm）。

則模具所受的摩擦力

由此可知，在其他條件一定的情況下，導向角度的大小決定了摩擦力的大小，也決定了坯料與縮徑模具接觸面積的大小。

（2）不同導向角度的試驗 某公司根據生產情況，對其常用材料10B21（硬度149HV）和SWRCH35K（硬度191HV）、規(guī)格為M10×40mm的螺栓使用的全螺紋縮徑模具，采用不同導向角度進行驗證，桿徑由9.6mm減至8.87mm，縮徑變形量為0.146mm，其結果見表1。

表1 工作帶導向角度試驗

試驗結果表明，原材料硬度相近時，導向角度在24°～28°，其使用壽命比較穩(wěn)定，失效方式均為定徑帶產生疲勞裂紋失效。生產較軟材質時，導向角度取小值，模具壽命更高；生產較硬材質時，導向角度取大值，模具壽命更高。同時，通過比較不同材料的試驗結果可知，生產材料硬度越高，模具壽命越低。

3.2 定徑帶長度L

（1）定徑帶長度L的選擇原理 材料通過工作帶縮徑后，由于產生了部分彈性變形，再加上熱脹冷縮的作用，所以直徑會有一定回彈。定徑帶的主要作用就是將桿徑穩(wěn)定下來。定徑帶主要受材料正擠壓力N2和摩擦力f2（見圖2），其關系為：。

由此可知，定徑帶長度L越短，摩擦力越小，模具壽命越長。但當定徑帶長度L過短時，定徑帶抗彎強度變小且磨損速度加快，模具壽命反而會變短。

（2）不同定徑帶長度的試驗 為了驗證不同定徑帶長度對模具壽命的影響，選取GB/T 5783 M10×40mm的螺栓進行試驗，根據表1的結果，選取材質為10B21，導向角度為22°。詳細試驗方案及結果見表2。

表2 定徑帶長度試驗

試驗結果表明，定徑帶長度在0.09d～0.135d時，縮徑模具壽命比較穩(wěn)定，長度過長或過短，壽命均呈縮短的趨勢。

3.3 縮徑長度

（1）縮徑長度較長時的縮徑原理 在計算縮徑力時，通過單位縮徑力計算公式，可以得知：單位縮徑力隨毛坯長度的增長而增大。當縮徑長度超過某一長度時，其縮徑力就會超過極限縮徑力，導致毛坯無法正常完成縮徑工序。

表3 長桿件試驗

通過表3與表2對比可知，縮徑長度越長，縮徑模具壽命越短，且呈指數級變化。試驗結果表明，在以定徑帶直徑不發(fā)生磨損失效為前提的條件下，保證最長定徑帶長度，模具能夠獲得最佳使用 壽命。

4 分析與討論

4.1 工作帶導向角度α的選擇

由表1可看出，導向角度在24°～28°時，工作帶受到的沖擊擠壓力較小，在模具承受范圍內，模具失效的原因是縮徑后材料硬化對定徑帶的磨損。10B21縮徑時硬度偏軟，當導向角度α偏小時，在較小擠壓力的作用下，即使接觸面積增加，摩擦力變化也不大，材料硬化不明顯。而SWRCH35K則相反，因材料較硬，在導向角度α偏大的情況下，坯料與模具之間接觸率增加不明顯，隨著α增大，接觸面積會減小，反而能降低摩擦力，控制材料的硬化。

4.2 定徑帶長度L的選擇

當L較短時，坯料與定徑帶接觸面積較小，摩擦力也較小。但當L小于一定長度時，在摩擦力的持續(xù)作用下，定徑帶直徑d快速磨損，當超過尺寸公差上限時，無法保證搓絲或滾絲的坯徑要求。當L較長時，保證了有足夠長度進行定徑動作，但摩擦力也隨之增大，造成定徑帶因表面擦傷而失效。

4.3 較長縮徑長度下模具參數的選擇

縮徑長度較長時，其與縮徑模具摩擦的時間也較長，潤滑油膜往定徑帶末端方向逐漸變薄，使模具表面逐漸粗糙，摩擦系數變大，所需縮徑力變大，甚至超出設備負荷。通過縮短定徑帶長度，將低潤滑部分去掉，保證低摩擦系數及摩擦力，減小所需的縮徑力，避免縮徑力超負荷引起模具快速失效，這就是長縮徑長度產品選擇較短定徑帶的依據。

5 結束語

工作面導向角度在24°～28°時，對模具壽命影響較小，失效以定徑帶疲勞裂紋為主，且導向角度隨材質硬度的增大而增大。硬度較高的材料（如45鋼、40Cr等）應采用球化退火工藝來降低硬度，避免高硬度材料造成模具磨損，進而導致失效。定徑帶長度在0.09d～0.135d時，使用效果最佳?？s徑長度較長的產品時，潤滑效果對模具影響最大，設計時通過縮短定徑帶長度來保證潤滑效果，從而提高模具使用壽命。