冷镦模具螺丝模具详解白皮书.docx
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冷镦模具螺丝模具详解白皮书
一、冷镦工艺简介
冷镦工艺是少无切削金属压力加工新工艺之一。
它是一种利用金属在外力作用下所产生的塑性变形,并借助于模具,使金属体积作重新分布及转移,从而形成所需要的零件或毛坯的加工方法。
冷镦工艺最适于用来生产螺栓、螺钉、螺母、铆钉、销钉等标准紧固件。
锻坯材料可以是铜﹑铝﹑碳钢﹑合金钢﹑不锈钢和钛合金等﹐材料利用率可达80~90%。
冷镦多在专用的冷镦机上进行﹐便于实现连续﹑多工位﹑自动化生产。
在冷镦机上能顺序完成切料﹑镦头﹑聚积﹑成形﹑倒角﹑搓丝﹑缩径和切边等工序。
生产效率高﹐可达300件/分以上﹐最大冷镦工件的直径为48毫米。
棒料由送料机构自动送进一定度﹐切断机构将其切断成坯料﹐然后由夹钳传送机构依次送至聚积压形和冲孔工位进行冷镦成形。
这门技术属于冷成型的一个种类,就是在不进行加热的情况下对材料进行冲剪、弯曲、拉伸等的加工方式。
冷镦工艺的主要优点:
1.冷镦是在常温条件下进行的。
冷镦可使金属零件的机械性能得到改善。
冷镦螺栓和切削加工螺栓的机械强度、无论是何种规格的螺栓,冷镦加工后的抗拉强度比切削加工的提高约10%左右,有的甚至可提高20%。
这是因为冷镦加工产品的金属纤维不会被切断,金属内部结构被压实,以及伴随加工硬化现象的存在,所以金属机械性能得到了改善。
2.冷镦工艺可以提高材料利用率。
以冷镦螺栓为例,新工艺“凹穴”六角头螺栓,材料利用率可达99%以上。
除了‘料头料尾的损失外,达到了完全无切削加工。
如用切削加工,材料利用率则仅为40%。
冷镦螺母的材料利用率也可达80%左右,而切削加工螺母,其材料利用率只有54%。
3.冷镦工艺可大大提高生产率。
如冷镦螺母与原切削工艺相比,生产率约提高25~30倍。
4.由于采用了多工位冷镦机,实现了各道工序在一台机床上同时加工,从而减少了设备投资,减少了设备所占用的生产场地,减少了半制品在各工序之间的运输,特别是减轻了工人的劳动强度,改善了劳动条件。
5.冷镦工艺能提高产品表面光洁度和保证产品精度。
一般光洁度可达V5,特殊要求可达V6。
对于大批生产螺栓,螺母等来说,完全可以保证其精度。
冷镦工艺由于具有高的生产率,良好的产品质量,并大大减少材料消耗,降低生产成本,改善劳动条件,因此愈来愈广泛地应用在机械制造特别是标准紧固件的生产中,其中应用多工位冷镦机生产的最有代表性的产品,是螺栓、螺钉和螺母。
二、冷镦常用原材料的及工艺特性要求
1.要求有较高的塑性和较低的硬度。
由于冷镦时毛坯的侧表面存在切向拉应力,客易产生纵向表面裂纹,因此,冷镦工艺应采用专用的高塑性、低硬度的材料。
对于钢材一般要求表面硬度为75-85HRB。
2.表面质量要求很高,由于冷镦工艺主要用于标准件生产,这些产品一般不再进行切削加工,尤其是螺钉,螺栓等标准件,其杆部在冷镦过程中变形极少,仍保持毛坯的原有表面,因此,必须要求冷镦用原材料具有较低的表面粗糙度,不允许有划伤,麻斑、锈迹等表面缺陷。
3.尺寸精度要求高,为保证坯料的体积准确,必须要求坯料直径公差很小。
4.材料的供应形式有冷拔盘料和冷拔棒料两种。
冷拔盘料的直径规格普遍为2*16mm,每盘重量为100~2000kg;一般直径大于16mm的冷拔料以棒料的形式供应。
5.示列公差带,以M10×1.5螺栓为例(图一),原材料公称尺寸公差(φ)
图一0.00±0.00尺寸精确到后2位数即可,M5以下杆径公差建议为±0.015
6.冷镦变形程度取决于冷镦次数,冷镦变形程度的表示方法及许用变形程度,在冷镦加工时,由于金属产生加工硬化作用,冷镦变形程度越大,变形抗力也将越大。
当冷镦变形程度超过金属材料本身最大许用变形程度时,在零件侧表面就会形成裂纹;当冷镦的单位压力超过模具所允许的压力时,就会引起模具的损坏。
因此,对各种不同尺寸形状、不同冷镦材料,应当选择合理的变形程度。
一般冷镦变形程度常用下式表示(图二):
(图二)式中,ε冷镦变形程度;H0镦粗前毛坯原始高度;h1镦粗后零件的高度。
如果冷镦前毛坯长度过高,冷镦时则会产生侧向弯曲,造成折叠、夹灰等缺陷。
因此,冷镦时的变形程度要选得合适。
据一些工厂的实验数据得知,不同金属材料,在冷镦时侧表面出现裂纹的最大许用变形程度如下表(图三):
序
材质牌号
变形程度ε
1
10
80%
2
10沸
87%
3
35
73%
4
40Cr
74%
5
30CrMnSiA
87%
6
65Mn
50%
7
GCr15
55-65%
8
铝
>95%
9
紫
>95%
10
铜
>95%
11
其他
/
图三,变形程度值参考表
冷镦变形程度超过上列数据时(图三),为防止产生裂纹,应进行中间退火,以消除冷镦变形中产生的硬化现象,然后再继续镦锻。
除了考虑最大许用变形程度外,对于几何形状过分复杂的冷镦产品,也必须考虑中间退火。
如采用中间退火工艺,则只能分工序进行冷镦。
冷镦工艺除受上述变形程度影响外,还必须考虑锄锻时材料的弯曲。
一般实跋经验是根据线材,未夹持帮分的自由高度h与其直径dm之比,来决定镦锻次数。
时,镦锻一次
时,镦锻两次
时,镦锻三次
在实际生产中,还要考虑产品的几何形状,按照上列数据多增加一次镦锻。
如螺栓、螺钉、螺母的冷镦次数,就要比上列计算数据多镦一次。
这是一方面为了考虑模具的使用寿命,另外也是为了保证产品质量。
7.冷成型钢结构的主要优点:
与较厚的热轧型钢相比,冷成型钢可加工成适用较小的荷载和较短的跨度。
通过冷成型加工可以经济地得到不同寻常的截面形状,获得令人满意的强度重量比。
考虑包装和运输的紧密型,可生产可嵌套的截面。
环境重力作用下无伸缩无形变。
冷镦时坯料长度的计算:
冷镦时的坯料长度,可根据体积不变原则来决定,即塑性变形前坯料的体积,等于冷镦后零件的体积。
如冷镦后还要进行切边或切削加工,那么坯料的体积还应加上相应的切削量。
坯料体积决定后,它的头部所需毛坯长度,可按图4所示进行计算:
图四,长度计算公式
三、冷镦模具
很多紧固件是采用冷镦模具成形的。
冷镦模具承受剧烈的冲压载荷,其凹模表面承受很高的压应力。
要求模具材料具有较高的强度、韧性和耐磨性。
冷镦模具在热处理后,表面必须具有高的硬度而心部必须具有良好的韧性,这样,表面有一定的压应力可以抵消在冷镦过程中承受的应力。
很多紧固件是冷采用镦模具形成的。
冷镦模具承受剧烈的冲压载荷,其凹模表面承受很高的压应力。
要求模具材料具有较高的强度、韧性和耐磨性。
冷镦模具在热处理后,表面必须具有高的硬度而心部必须具有良好的韧性,这样,表面有一定的压应力可以抵消在冷镦过程中承受的应力。
用于生产工件批量不大的冷镦模具,一般选择碳素工具钢或低合金冷作模具钢,对模具型腔表面进行局部淬火,使型腔表面硬度达到HRC60左右,而模具心5硬度为HRC35~45左右。
应根据模具的截面尺寸,选择具有一定淬透性的模具钢,以得到比较理想的淬硬层深度。
淬硬层过浅,可能造成使用中型腔塌陷;硬化层过深,可能使模具在使用过程中出现开裂现象。
对于要求使用寿命长的冷镦模具,则采用高合金模具钢(如Cr5Mo1V,Cr12,Cr12MoV,7CrMo2V2Si等)、高速钢(如W6Mo5Cr4V2,W18Cr4V,粉末高速钢等)、钢结硬质合金或钴含量较高韧性好的硬质合金制造。
为了使模具能承受较高的冲击载荷,一般采用镶块式模具结构。
模具外套采用高韧性的合金结构钢或4Cr5MoSiV1等热作模具钢制造,热处理后的硬度为HRC45左右。
高硬度冷镦模具镶块采用高合金模具材料制造,用冷压或热压法镶入外套,使之紧密接触,外套对内套造成一定的压应力,以改善模具的服役条件,延长模具的使用寿命。
序
模具名称
模具外套材质
内镶材质
备注
1
主模
高韧性合金结构钢、4Cr5MoSiV1、热作模具钢:
H13、45#、
(钨钢)ST10等高合金模具钢(如Cr5Mo1V,Cr12,Cr12MoV,7CrMo2V2Si等)、高速钢(如W6Mo5Cr4V2,W18Cr4V,粉末高速钢
2
一冲
3
二冲
4
线模
5
剪刀板
6
一冲钨
(钨钢)ST10等
7
顶杆
SKH-51-55.SKD11等
注:
镶块模具外套可采用中碳合金结构钢或4Cr4MoSiV,4Cr5MoSiV1钢制造。
1.使用异常不合理寿命的表现:
过载失效指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括约10%的随机波动载荷)作用引起的失效,包括韧度不足和强度不足两类失效。
对韧度不足出现的脆断失效应予以重视。
材料韧度不足失效。
此类失效前无宏观征兆和断裂突发性,是冷作模具失效中最危险的事故,此类失效曾出现过人身事故,给生产安全和经济建设造成很大的损失。
这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现,如冲头折断、开裂,甚至产生爆裂,其特征是失效产生前无明显塑性变形,宏观断口无剪切唇,且比较平坦,造成模具不可修复的永久失效。
这种失效与模具材料韧度不足、承受过高应力有关。
对冷挤压模具实际承载能力分析计算可知,冲头失效前承受的工作应变能力是材料断裂消耗能的上千倍,说明了工作时冲头承受高潜在动能和低的断裂抗力。
根据能量守恒原理,冲头断裂势能大部分转变为扩展动能,其扩展的极限速度可达103m/s。
当模具结构存在应力集中,如六方冷镦冲头尾部过渡区r≤1mm时,应力集中系数K=2;冷挤压冲头台阶处r=3mm时,K=1.3;甚至机械加工刀痕、磨削粗痕迹等均可成为薄弱环节,产生失稳断裂。
高碳、高合金的冷作模具钢,使用状态为回火马氏体和二次量、松弛应力一应变的能力低,一次碳化物的不均匀性分布又严重降低了材料韧度。
因此,这类失效断口看不到宏观变形,微观变形的尺寸大致与碳化物间距相当。
强度不足失效。
在冷镦、冷挤压冲头中,材料抗压、弯曲抗力不足,易出现镦头下凹、弯曲变形失效。
在新产品开发中容易产生此类失效,这与工作载荷过大,模具硬度偏低有关。
实际经验表明,黑色金属冷镦冲头硬度小于HRC56、冷挤压冲头硬度小于HRC62时易出现这类失效,同时说明材料强度不足,塑性有余,有韧度潜力可以发挥。
解决此类模具早期失效的经验方法是脆断失效减硬度,变形失效增硬度。
2.正常磨损使用寿命:
磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)的形状和尺寸发生变化引起的失效。
它又包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类。
(1)正常磨损失效。
对表面尺寸要求严格的冷冲压、冷挤压模具,在保证材料不断裂的前提下,模具寿命取决于表面抗磨损能力。
通常模具使用寿命较长,表面质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。
(2)非正常磨损失效。
在局部高压力作用下,模具工作部位与被加工材料间发生咬合,被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面),引起被加工产品(或模具材料)表面形状和尺寸发生突变,或在被加工产品表面出现严重划痕等导致失效。
在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效。
3.超负荷疲劳使用(多冲疲劳失效)冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的,这种状态与小能量多冲疲劳试验(以一定能量周期性加载和卸载)相似。
由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命多在1000~5000次,通常,裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。
模具钢的疲劳性能和特征与结构钢有很大差异。
因为脆性材料疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命,多数情况下,裂纹萌生与扩展难于区分。
仔细分析疲劳条纹微观形态可以看出,裂纹萌生多在材料表面的薄弱环节,如晶界、碳化物和应力集中部位。
试验表明,冲击疲劳裂纹萌生约200μm微裂纹时,寿命占总寿命的90%以上,从断口上很难观察到结构钢稳态扩展区和疲劳条带。
四、螺丝模具、冷镦模具图样
📱收集撰写:
赵万龙20210608
冷镦•模具•工艺
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