冷鐓螺栓縮徑模具內孔孔型設計

1前（qián）言

六角頭螺栓（shuān）是緊固件中應用最廣泛的產品。與螺母配合使用，可用（yòng）螺紋擰緊固定。在螺栓加工過程中，M27以下規格通常在冷鐓機上冷鐓成型，工藝路線為:材料改性→切削→縮徑（jìng）→鐓頭→切邊→滾絲。減徑工藝可（kě）以保證滾（gǔn）絲（sī）或滾絲所（suǒ）需的坯（pī）料直徑，對控製產品的變形率，提高冷鐓的穩（wěn）定性和螺栓頭與杆（gǎn）的結合強度，防止產品掉頭有重要作用。由於其生產效率高（gāo）、產品（pǐn）質量好，該技術已成為螺栓（shuān）生產的主要方式。

在實際（jì）生產過程中，影響變徑模使用（yòng）壽命的因素很多，包括原材料的硬（yìng）度、材料改性後的表麵粗糙度、冷鐓（duì）油（yóu）的潤滑效果、變徑杆的生產速度、變徑（jìng）模的孔結構和材料等。對於正常生產來說，磷化材料的減摩效果受產品結構（gòu）和生產工藝的限製，通常很難改變。當性能參數在一定範圍內時，對（duì）成型時（shí）的潤滑、生產速（sù）度等因素影響較（jiào）小，工藝處於相對穩定的狀態。所以在產品材料和成型工藝趨於穩定的情況下，通過改進模口孔型結構更容易看到效果。

2模具分析

2.1縮徑模的設計要點

縮徑模采用預（yù）應力複合結構，保證其整體（tǐ）強度；外模（mó）套材質為H13碳鋼，型芯為硬質合金KG5，將硬（yìng）度為1250~1340HV的模套加熱到400℃以上（shàng），模芯通過過盈配合壓入。

縮徑模孔型（xíng）結構中（zhōng）最重要（yào）的參數是工（gōng）作帶的導向角α和定徑帶的長度L。工作導向角α直接影響減速力的大小，如果（guǒ）α過大（dà）或過小，減速力都會增大。定徑帶（dài）的長度L決定了模具的使用壽命，L太長或太短都會降低模具的使用壽命[1]。定徑帶後直徑與定徑帶直徑之差應為0.05~0.07mm，以避免工件與模具接觸而增加（jiā）摩擦力，保證減徑的順利進行[2]。

2.2變徑模的孔型結構（gòu）

縮徑模的主要結構和參數如圖1所示（shì）。工作帶是物（wù）料（liào）被擠壓和壓縮的區域（yù），圖中α表示工作帶的導向角(°)；定徑帶保證了減徑後坯料的尺寸精度，D為定（dìng）徑帶的直徑(mm)；l是上漿帶的長度(mm)。

減（jiǎn）變形是減徑前後導線截麵積的變化。減（jiǎn）徑變形度是減徑工藝設計計算的重要參數，也是影響（xiǎng）減徑模具壽命的最重要因素。減小變形（xíng）ψ的計算

其中A0是（shì）變（biàn）形前導線的橫截麵積(mm2)；A1是變形導線的橫截麵積(mm2)；d是原材（cái）料的直徑(mm)；d是上漿帶的直徑(毫（háo）米)。

2.4縮（suō）徑模參數對縮徑模壽命的影響（xiǎng）

(1)工作帶導（dǎo）向角α的影響當工作帶在減小材料直徑（jìng）時，模具的擠壓（yā）力隨（suí）著導向（xiàng）角的增大而變（biàn）大。α過大時，坯料容易因摩（mó）擦而彎曲甚至鐓粗。α過小時，工作帶長度延（yán）長，坯料與模具接觸麵積（jī）增大，摩擦力增（zēng）大，在較大摩擦力（lì）作用下，模具壽命縮短。

(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，減（jiǎn）徑模可以發揮其作用（yòng），將材料的截麵積穩定地控（kòng）製在預（yù）定的目標之內。l過小時，變徑帶磨損（sǔn）快，無法保證滾絲所需的鋼坯直徑。同時工件（jiàn）容易彎曲，直線度無法保證。當l過大時，摩擦力會增大，導致（zhì）模具失效，工件表麵粗糙度（dù）差。因此，合理的（de）定徑帶長度是保（bǎo）證減徑模具壽命的重要參數（shù）。

(3)減徑長度的影響減徑長度較長，在持續的減徑（jìng）作用下潤滑油膜逐漸變薄，潤滑效果變差，摩擦力增大，工件杆（gǎn）容易（yì）產生波紋變（biàn）形，甚（shèn）至無法完成減徑變形。

3模具孔型設計和驗證

3.1工作皮帶（dài）導向角α

(1)工作帶導向角（jiǎo）的選擇（zé）原則在縮徑過程中，最理（lǐ）想的工藝方法是將工件與模具之間的摩擦力降到最低。潤滑油、材料磷化和模具表麵拋光（guāng）都是為了達到這個目的。

縮徑（jìng）模的應力如圖2所示。當材料通過導向帶時，模具受到擠壓力（lì）N1和摩擦力（lì）f1。

根據牛（niú）頓第三定律，擠壓力和模具減徑力之間的關係為

其中F1是材料通過導向帶（dài）所需的力(n)。

根據庫侖摩擦定律，μ是摩擦係數。

模具（jù）摩擦力（lì）的圖片。可以看出，導向角α越大，材料（liào）與模具之間的相（xiàng）互（hù）擠壓（yā）力越大，相互摩擦力也越大（dà）。在大摩擦（cā）力的作用下（xià），模具表麵更容易磨（mó）損失效。導向角α越小，摩擦力越小，模具壽命越長。

在金屬材料的塑性成形過程中，由於接觸（chù）壓（yā）力和接觸表麵（miàn）溫度較高，經典的庫侖摩擦定律不（bú）能有效地（dì）計算摩擦力，因此應采用（yòng）粘著-犁溝理論，摩擦係數是隨接觸壓力變（biàn）化（huà）的變量[3]

其中，n1為導向工（gōng）作帶（dài）表麵（miàn）的法向應力(n );S1是材料與導向工作帶的接觸麵積(mm2)；d是縮徑前（qián）材料的直徑(mm)。

模具上的摩擦力（lì）

因此，在其它條件一定的情況（kuàng）下，導向角決定了坯料與縮（suō）徑模之間的摩擦（cā）力和接觸麵積。

(2)不同導向角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)和規格（gé）M10×40mm采用全螺紋變徑模，以不同（tóng）的導向角進行驗證。棒的直徑從9.6毫米減（jiǎn）小到8.87毫米，減小的變形為0.146毫米（mǐ）。結果（guǒ）示於表1中。

試驗結果表明，在原材料（liào）硬度相近的情況下，導向角為24° ~ 28°，其使用壽命相對穩（wěn）定。失效模式為定徑帶引起的疲（pí）勞裂紋失效。生產軟性材料時，導向角小（xiǎo），模具壽命較長（zhǎng）；生（shēng）產硬質材料時，導向角較大，模具壽命較長。同時（shí），通過對比（bǐ）不同（tóng）材料的試驗結果可以看出，生產材（cái）料硬度越高，模具壽命越短。

3.2上漿帶長度L

(1)定徑帶長度L的選擇原則（zé）材料的直徑被工作帶縮（suō）小後，由於部分彈性變形，再加上熱脹冷縮的作用，直徑會有（yǒu）一定程（chéng）度的回彈。定徑（jìng）帶的主要功能是穩定棒（bàng）材直徑。上漿（jiāng）帶主要受正擠壓力N2和摩擦力f2的影響(見圖2)，其關係為:

因（yīn）此，定徑帶的長度L越短，摩擦（cā）力越（yuè）小，模具的使用壽命越長。但（dàn）當定徑帶長度L過短時，定徑帶的彎曲強度降低，磨損速度加（jiā）快，但模具壽命會縮短。

(2)不同定徑帶長度的試（shì）驗為了驗證不同定（dìng）徑帶（dài）長度對模具壽命的影響，試（shì）驗選用了G B/T 5783M10×40mm螺栓。根據表1中的結果，材料為10B21，導向角為22°。詳細的測試方案和結果見表2。

試驗結果表明，當定徑帶長度為0.09 d ~ 0.135 d時，減（jiǎn）徑模壽命相對穩定，長（zhǎng）度過長或過短，壽命都有縮短的趨勢。

3.3減少長度

(1)變徑長度較長時的變徑原則。計算壓下力時，由單位壓下力公式可知，單位壓下（xià）力隨坯料長度的增加而增（zēng）加。當減徑長度超過一定長度時，減徑力將超過極限減徑力，導致坯料不能正常（cháng）完（wán）成（chéng）減徑過程。

(2)變徑長度較長的變徑帶的驗證從圖中可以看出，縮短定徑帶的長度（dù）L，可（kě）以減小摩擦阻力，降低所需的變徑力（lì）。為驗證較（jiào）長的變徑長度對變徑模的影響（xiǎng），選用材料為10B21的M10×100mm螺栓進行驗證，試驗結果（guǒ）見表3。

對比表3和表2可以看出，縮徑（jìng）長度（dù）越長，縮徑模具壽命越短，呈指（zhǐ）數變化。試驗結果（guǒ）表明，在不磨損定徑帶直徑的前提下，保證定徑帶的最大長（zhǎng）度，可以獲得模（mó）具的最佳使用壽命。

4分析和討論

4.1工作（zuò）帶導向角α的（de）選擇

從表1可以看出，當導向角為24° ~ 28°時，工作帶上的衝擊（jī）擠壓力較小。在模具的承受範圍內，模具失效是由於縮徑後材料硬化引起的定徑帶（dài）磨損。10B21的硬度在直徑減小時（shí）是軟的。當導向角α較小時，在（zài）較小擠壓力的作用下，即使接觸（chù）麵積增大，摩擦力變化不大，材料硬化不明顯。反之SWRCH35K，由於材料較硬，當導向角α過（guò）大時，坯料與模（mó）具的接觸率沒有明顯增（zēng）加。隨著α的增大，接觸麵積會減小，可以減小（xiǎo）摩擦，控製材料的硬化（huà）。

4.2上漿帶長度L的選擇

l短時，鋼坯與定徑帶的接觸麵積（jī）小，摩擦力也小。但（dàn）當L小於一定長度時，定徑帶的直徑D在摩擦的持續作用下會很（hěn）快磨損（sǔn），超過尺寸公差上限（xiàn）時，就不能保證滾絲或滾壓的毛坯直徑要求。當l較長時，保（bǎo）證了（le）有足夠的長度進行上漿，但摩擦力也增大，導致上漿帶因表麵（miàn）磨損而失效。

4.3較長減徑長度下（xià）模具參（cān）數的選（xuǎn）擇

當減徑長度較長時，與減徑模具的摩擦時間較長，潤滑（huá）油膜向定徑帶末（mò）端逐漸變薄，使模具表麵逐漸粗糙，摩擦係數增大，所需（xū）減徑力增大，甚至超過設（shè）備負荷。通過縮短定徑帶長度，去除低潤（rùn）滑部分（fèn），保證低摩擦係數（shù）和（hé）摩擦（cā）力，降低所需的減徑力，避免減（jiǎn）徑力過載導致模具快速失（shī）效，這是減（jiǎn）徑長度（dù）長的產品選擇（zé）較短定徑帶的（de）基礎。

5結束語

當工作麵導向角為24° ~ 28°時，對模（mó）具壽命影響不大，定徑帶疲勞裂紋是主要失效（xiào）形（xíng）式，導向角隨材（cái）料硬度的（de）增加（jiā）而增大。硬度較高的材料(如45鋼、40Cr等。)應采用球化退火（huǒ）工藝降低硬度，以免高硬度材料造（zào）成模具磨損，進而（ér）導致（zhì）失效。當上漿帶長度為0.09 d ~ 0.135 d時，應用效果最佳。對於（yú）減徑長的產（chǎn）品，潤滑效果對模具的影響最大。在設計上，通過縮短定型（xíng）帶的長度來保證潤滑效果，從而延長模具的使（shǐ）用壽命。