沉头方颈螺栓镦挤工艺

文章编号 : 1001 - 4934(2003) 02 - 0033 - 03 沉头方颈螺栓镦挤工艺 赵宏敏 , 吴丽伟 (第一拖拉机股份有限公司 , 河南 　洛阳 　471004) 摘　要 : 通过两种工艺中成型凹模受力情况的分析比较 ,说明用镦挤工艺生产沉头方颈 螺栓 ,可降低镦锻力 ,提高模具寿命 ,保证零件质量。 关键词 : 沉头方颈螺栓 ; 镦挤 ; 镦锻力 中图分类号 : TG376 　　　　文献标识码 : B Abstract : By the analysis and comparison of upsetting2extrusion and cold forging technology ,the upset2 ting2extrusion technology on the countersunk square neck bolt is introduced in the paper. The technology can reduce the upsetting2forging force ,increase the die life and ensure the part quality. Key words : countersunk square neck bolt ; upsetting2extrusion ; upsetting2forging force 0 　引言 沉头方颈螺栓 (图 1) 是我公司大马力拖拉机 铲刀上用的零件 ,需求量较大。过去以镦锻方法 成形时 ,四方充不满 ,且模具寿命低。经过一年多 的工艺实践 ,采用镦挤复合工艺 ,解决了以上问 题 ,并获得了较好的经济效益。 图 1 　沉头方颈螺栓 1 　工艺分析 111 　镦锻成形工艺 收稿日期 : 2002 - 11 - 29 作者简介 : 赵宏敏 (1967～) ,男 ,工程师。 　　镦锻成形工艺 (图 2) 是在单工位双击自动冷 镦机上 ,预镦混沌四方 ,精镦四方成形。为减小头 部变形程度 ,采用直径近似四方的毛坯经缩径后 得到杆部。镦锻成形工艺存在以下问题。 图 2 　镦锻成形工艺 11111 　镦锻力大 ,成形凹模寿命低 镦锻时 ,成形凹模的四方与 75°锥面上分别受 到单位侧压力 P1 与单位镦锻力 P2 (图 3) 。 P1 = P2 = Z ·N ·[1 + α·μ·FΠ( S ·H) ] ·σb (1) 式中 : P1 ———作用在凹模四方面上的单位镦锻力 ,MPa P2 ———作用在 75°锥面上的单位镦锻力 ,MPa Z ———工件的形状复杂系数 , Z = 1. 8 N ———不同成形方式的模具形状系数 , N = 215 33模 具 技 术 2003. N0. 2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图 3 　成形凹模受力图 σb ———金属材料的强度极限 MPa ,σb = 509. 6MPa α———镦粗形状的影响系数 ,α= 2. 0 μ———摩擦系数 ,μ= 012 F ———头部与模具接触的头形最大面积 mm2 , F = (1Π4)π·212 H ———工件镦锻后头部高度 mm , H = 10mm S ———成形后镦粗部分的周长 mm , S = 12 ×4 P1 = P2 = Z ·N ·[1 + α·μ·FΠ( S ·H) ] ·σb = 1. 8 ×215 ×[1 + 210 ×012 ×(1Π4) 　×π×212Π(10 ×12 ×4) ] ×50916 = 2 955MPa P2x = P2·sin5215°= 2 34414MPa P = P1 + P2x = 2 955 + 2 34414 = 5 299. 4MPa 合力 P 使成形凹模的四方入口处产生切向 拉应力 ,此力是引起成形凹模破坏的主要原因。 从计算结果可知沉头方颈螺栓采用镦锻工艺 成形时 ,四方入口处承受的应力已远远超出一般 模具钢所能承受的许用单位压力 ( P许 = 2450～ 2 940MPa) ,导致成形凹模过早开裂。所以即使采 用双层预应力组合模或挤压成形模 ,模具寿命也 只有 50 件左右。 11112 　螺栓头部不美观 根据最小阻力定律 ,封闭镦锻时 ,金属的塑性 变形是不均匀的 ,受模具型腔与金属接触面摩擦 力的影响 ,向四方棱角流动的阻力最大 ,变形困难 而缓慢 ,最终形成圆角而不是棱角。而且凹模芯 部开裂后 ,零件四方及锥面上产生不规则凸起的 筋会影响装配和使用。 112 　镦挤复合工艺 镦挤复合工艺 (图 4) 是在多工位自动冷镦机 上 ,工序一进行杆部缩径和头部预镦锥形 ;工序一 镦挤四方并成形 ,并在搓丝工位完成螺纹加工的 工艺。 图 4 　镦挤复合工艺 镦挤过程开始时 ,直径大于四方对边的毛坯 头部金属沿着凹模 75°锥面向下流动 ,挤压出四 方 ,此过程类似于开式挤压。由于毛坯头部沿锥 面直径逐渐增大 ,挤压变形程度逐步增大 ,同时 , 小于四方对边的毛坯头部金属和先成形的小部分 混沌四方被挤压到杆部 ,这时挤压力达到最大。 此时镦锻变形程度ε= 28 % ,单位挤压力由图算 法查得 : P = 500MPa。 随着镦挤过程的进行 ,受到逐渐增大的挤压 变形阻力和凸模、凹模的作用力 ,先成形的部分混 沌四方开始镦粗 ,上部金属镦粗充满 75°锥面 ,最 后形成 <21mm 的圆柱。凹模所受的压力由单一 的挤压力转变为镦挤复合力 ,最后变为镦锻力。 镦锻力仍由式 (1)计算 : 其中 : Z = 1. 0 　N = 2. 5 　σb = 509. 6MPa 　α= 1. 3 　μ= 0. 2 　F = (1Π4)π·212 　H = 2mm 　S = 21·π P = Z ·N ·[1 + α·μ·FΠ( S ·H) ] ·σb = 110 ×215 ×[1 + 113 ×012 ×(1Π4) 　×π×212Π(21 ×π×2) ] ×50916 = 2 14315MPa 　　单位镦锻力 P 低于模具钢的许用单位应力 ( P许 = 2 450～2 940MPa) 。采用双层预应力凹模 , 或采用新型模具钢 ,如 LD 钢等 ,还可以进一步提 高模具的寿命。而且 ,镦挤复合工艺生产的毛坯 外形平整光滑 ,轮廓清晰美观。 在模具过程中 ,值得注意是一级凹模锥 度的选取。锥度小 ,起不到形状过渡的作用 ,且四 43　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Die and Mould Technology No. 2 2003 方不能充分挤压出来 ;锥度过大 ,挤压阻力大 ,镦 挤过程过早结束 ,且一级预镦锻时容易失稳 ,造成 产品头部偏心和飞边。 2 　结束语 (1) 降低生产成本。沉头方颈螺栓我公司原 采用精铸毛坯生产 ,成本较高 ,采用镦锻工艺 ,由 于镦锻力大、模具寿命低等问题而不能进行批量 生产。采用镦挤复合工艺 ,使其成本至少节约 30 %。 (2) 提高了产品质量。镦挤工艺消除了镦锻 工艺所存在的缺陷 ,外形美观 ,合格率提高 ,降低 了废品损失。 (3) 模具寿命大幅度提高 ,产品质量稳定 ,为 均衡的生产创造了条件。 参考文献 : [1 ] 　机械电子工业部技工教材编审组. 冷镦工工艺 学[M] .北京 :机械工业出版社 ,1993. 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