1、冷镦工艺与模具设计一、冷镦变形工艺一些基本概念一、冷镦变形工艺一些基本概念1.金属变形的基本概念金属变形的基本概念a.金属的结构金属的结构 一切金属的组织是由许多小晶体组成的，这些小晶体称为“晶粒晶粒” 。常用冷镦材料的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格 。b.金属变形的基本概念金属变形的基本概念 金属材料在外力作用下，所引起尺寸和形状的变化称为“变形变形”。金属变形是由弹性变形和塑性变形所组成。 所谓塑性是指在外力作用下发生永久变形而不损伤其整体性能。 许多零件在成型过程中要求材料有较好的塑性。在冷镦时零件有的部位变形量很大，如材料的塑性不好将会发生开裂。 在工程中金属材料的
2、塑性用伸长率和断面收缩率两个指标来表示，也就以此衡量材料的塑性。 和的数值可由下公式表示： = (L1-L0)/L0100% 式中 L0 拉伸试样原始标距长度； L1 拉伸试样破断后标距长度；=(A0-A1)/A0100%式中 Ao 拉伸试样原始截面积； A1 拉伸试样破断处的截面积； 因此，伸长率和断面收缩率数值越大，表示塑性越好。良好的塑性材料，有利于进行断压、冷冲、冷镦锻和冷拉拔等成型工艺。原则上说，这两个塑性指标，都只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力。 镦粗试验在冷镦加工中常被采用。它是将试验材料制成圆柱形试样，高度Ho一般为直径Do的1.5倍，然后在压力机或落锤上进行镦粗，直
3、至试样表面出现第一条肉眼可见的裂纹为止，此时的压缩比即为塑性指标。 =(H0-H1)/H0100%式中 H0 圆柱形试样原始高度； H1 试样压缩后在侧表面出现第一条肉眼可见的裂纹时的试样高度； 试样裂纹的出现,是由于侧表面处附加拉应力作用的结果 。工具与试 样接触表面的摩擦力、散热条件、试样几何尺寸等因素，都会影响到附加拉应力的大小。因此，用镦粗法测定塑性指标时，为使所得结果可进行比较，必须制定相应的规程，说明试验条件。在冷镦生产中，常采用与工件变形条件相近的试验规程，以测定材料对于冷镦工艺的适合性。 c. 塑性变形的基本定律塑性变形的基本定律 在冷镦加工中广泛应用的塑性变形的基本定律是：体
4、积不变定律和最小阻力定律。 体积不变定律 冷镦加工时，变形前金属坯料的体积等于变形后工件的体积。 最小阻力定律 金属受到外力作用发生塑性变形，金属晶粒有向各个不同方向移动的可能时，总是沿着阻里最小的方向移动。 最小阻力定律应用很广泛，在设计冷镦模具时，怎样才能使金属流动阻力减小和合理地控制金属的流动，这是设计人员必须考虑的问题。2.变形力的简单计算变形力的简单计算 冷镦加工与冷镦变形力有着密切的关系。冷镦变形力是确定工艺参数、模具设计、设备设计和选择设备的重要依据。在正常生产中，一般不需经常进行变形力的计算，但对于非标零件与几何形状复杂零件加工时，为便于合理地选用设备、设计工艺和模具等，必要时
5、需要进行变形力计算，所以必须掌握变形力的计算方法。 一. 冷镦变形力的影响因素 冷镦变行力是根据镦锻金属的性质、变形度、镦锻体形状、摩擦及其它一些因素决定的。所以在计算之前必须要了解上述因素对变形力的影响。 1. 力学性能对变形力的影响 强度和硬度较高的材料发生变形时,所需要的变形力比较大,变形力与材料的强度成正比。 2. 变形程度对变形力的影响 在塑性变 形过程中,随着变形的增大,由于冷作硬化 作用使金属的硬度和强度随之增大， 变形抗力也大大增加，而塑性却有所降 低，这将给后道工序带来变形的困难。 金属材料冷作硬化后实际变形抗力如 图1.1-1所示,材料的含碳量越高，其变 形抗力越大。所以，
6、在冷加工过程中需适当增加中间热处理工序，以消除冷作硬化和内应力。 电工纯铁变形程度 (%)变形抗力 (N/mm2) 图1.1-1 否则，继续冷镦加工将是困难的。 3. 零件形状和模具形状对冷镦力的影响 由于零件与模具之间存在着摩擦,在冲模和凹模间受压力作用而变形的坯料,其塑性变形是不均匀的.工件坯料在变形时,摩擦力会阻止金属流动,因而在不同的部位金属的流动是不同的。特别是在棱角和边缘部位变形困难而缓慢。所以，当坯料在模具内受控制的情况不同时，所需要的冷镦变形力也不相同。不同的镦锻形式，镦锻系数K不同。开式镦粗时，取系数为1.22.7；闭式镦锻时，取系数为2.45；带有反挤压的镦锻时，取系数为4
7、9。 4.冷镦变形力计算方法 F=KT A 式种： F 冷镦变形力 (MPa) K 镦锻头部的形状系数, 一般螺钉、螺栓取 22.4 T 考虑到冷作硬化后的变形抗力 T = bIn (A/A0) (MPa) b 金属材料的强度极限 (MPa) A 镦锻后头部的最大投影面积 (mm2) A0 镦锻前坯的断面积 (mm2)3. 冷镦常用金属材料及材料准备 常用的金属材料有黑色金属和有色金属两大类。对冷镦用钢的要求对冷镦用钢的要求: 力学性能的要求 化学成分的要求 金相组织的要求 一般认为14级为粗晶粒，58为细晶粒。粗晶粒 材料的冷作硬化敏感性比细晶粒的要大，塑性比细晶粒的要差，适合冷镦晶粒度以4
8、、5、6级为宜。 材料表面质量的要求 钢材表面的缺陷 、表面脱碳。 尺寸精度要求 表面润滑要求冷镦材料的改制过程冷镦材料的改制过程 材料热处理低温去应力退火、完全退火、球化退火（对于C0.25%中碳钢，为了满足冷变形工艺要求，常需要进行球化退火。）、固溶处理（对于冷镦用的1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢，需采用固溶处理方法，实现钢材软化。） 材料的酸洗材料的酸洗 酸洗前的预处理：钢材在热处理后，表面的氧化铁皮比较厚，不能单纯的依靠酸洗去除，通常进行剥壳。 酸洗方法：硫酸酸洗、盐酸酸洗、酸洗质量 润滑处理：牛油石灰润滑、磷化皂化处理 材料的改制二、冷镦挤压工艺及模具设计 采用专用自动冷镦机来加
9、工零件。 优点：材料利用率高、提高劳动生产率、使零件具有较高的机械性能和疲劳 强度、使零件表面得到较高的光洁度。 缺点：模具制造费用高，不适合少量生产。 冷镦工艺基本概念：镦锻比(S) 、冷镦变形程度（） 1. 镦锻比(S) 是指镦锻材料镦锻部分的长度和直径的比值。 S=h0/d0 式中: h0 镦锻后形成工件头部的坯料长度； d0 线材直径。 用镦锻比可以确定镦锻过程中技术上的难易程度。镦锻比愈小加工愈容易；镦锻比较大时，在制定工艺时 应该适当增加镦锻次数。当然，镦锻比不能作为设计工艺的唯一依据。 当 h0/d0 比值过大时，毛坯冷镦时会发生纵向弯曲，冷镦工件的纤维流向上将出现折叠。当选取的h0/d0比 值过小时，将使冷镦工序数增加。 镦锻比与镦锻次数的关系表 S=h0/d0 2.52.54.54.56 镦锻次数 123本章主要介绍本章主要介绍一些国外紧固件成型工艺设计的范例一些国外紧固件成型工艺设计的范例
