冷镦基础介绍

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1、冷镦基础介绍,紧固件成型工艺中，冷镦（挤）技术是一种主要加工工艺。冷镦（挤）属于金属压力加工范畴。在生产中，在常温状态下，对金属施加外力，使金属在预定的模具内成形，这种方法通常叫冷镦。实际上，任何紧固件的成形，不单是冷镦一种变形方式能实现的，它在冷镦过程中，除了镦粗变形外，还伴随有正、反挤压、复合挤压、冲切、辗压等多种变形方式。因此，生产中对冷镦的叫法，只是一种习惯性叫法，更确切地说，应该叫做冷镦（挤）。冷镦（挤）的优点很多，它适用于紧固件的大批量生产。它的主要优点概括为以下几个方面： a钢材利用率高。冷镦（挤）是一种少、无切削加工方法，如加工杆类的六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉，采用切削加工方

2、法，钢材利用率仅在25%35%，而用冷镦（挤）方法，它的利用率可高达85%95%，仅是料头、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。 b生产率高。与通用的切削加工相比，冷镦（挤）成型效率要高出几十倍以上。 c机械性能好。冷镦（挤）方法加工的零件，由于金属纤维未被切断，因此强度要比切削加工的优越得多。,d适于自动化生产。适宜冷镦（挤）方法生产的紧固件（也含一部分异形件），基本属于对称性零件，适合采用高速自动冷镦机生产，也是大批量生产的主要方法。 总之，冷镦（挤）方法加工紧固件、异形件是一种综合经济效益相当高的加工方法，是紧固件行业中普遍采用的加工方法，也是一种在国内、外广为利用、很有发展的先进加工方法。

3、因此，如何充分利用、提高金属的塑性、掌握金属塑性变形的机理、研制出科学合理的紧固件冷镦（挤）加工工艺，是本章的目的和宗旨所在。,1 金属变形的基本概念,1.1 变形 变形是指金属受力（外力、内力）时，在保持自己完整性的条件下，组成本身的细小微粒的相对位移的总和。 1.1.1 变形的种类 a.弹性变形 金属受外力作用发生了变形，当外力去掉后，恢复原来形状和尺寸的能力，这种变形称为弹性变形。 弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来衡量的。 b.塑性变形 金属在外力作用下，产生永久变形（指去掉外力后不能恢复原状的变形），但金属本身的完整性又不会被破坏的变形，称为塑性变形。 塑性的好坏通过伸长率、断面收

4、缩率、屈服极限来表示。,1.1.2 塑性的评定方法 为了评定金属塑性的好坏，常用一种数值上的指标，称为塑性指标。塑性指标是以钢材试样开始破坏瞬间的塑性变形量来表示，生产实际中，通常用以下几种方法： (1)拉伸试验 拉伸试验用伸长率和断面收缩率来表示。表示钢材试样在单向拉伸时的塑性变形能力，是金属材料标准中常用的塑性指标。和的数值由以下公式确定：（公式36-1）（公式36-2）式中： L0、Lk拉伸试样原始标距、破坏后标距的长度。F0、Fk拉伸试样原始、破断处的截面积。,(2)镦粗试验 又称压扁试验 它是将试样制成高度Ho为试样原始直径Do的1.5倍的圆柱形，然后在压力机上进行压扁，直到试样表面

5、出现第1条肉眼可观察到的裂纹为止，这时的压缩程度c为塑性指标。其数值按下式可计算出：（公式36-3）式中 Ho圆柱形试样的原始高度。Hk试样在压扁中，在侧表面出现第1条肉眼可见裂纹时的试样高度。 (3)扭转试验 扭转试验是以试样在扭断机上扭断时的扭转角或扭转圈数来表示的。生产中最常用的是拉伸试验和镦粗试验。不管哪种试验方法，都是相对于某种特定的受力状态和变形条件的。由此所得出的塑性指标，只是相对比较而言，仅说明某种金属在什么样的变形条件下塑性的好坏。,1.1.3 影响金属塑性及变形抗力的主要因素 金属的塑性及变形抗力的概念：金属的塑性可理解为在外力作用下，金属能稳定地改变自己的形状而质点间的联

6、系又不被破坏的能力。并将金属在变形时反作用于施加外力的工模具的力称为变形抗力。 影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面： a金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响 金属组织决定于组成金属的化学成分，其主要元素的晶格类别，杂质的性质、数量及分布情况。组成元素越少，塑性越好。例如纯铁具有很高的塑性。碳在铁中呈固熔体也具有很好的塑性，而呈化合物，则塑性就降低。如化合物Fe3C实际上是很脆的。一般在钢中其他元素成分的增加也会降低钢的塑性。 钢中随含碳量的增加，则钢的抗力指标（b、p、s等）均增高，而塑性指标（、等）均降低。在冷变形时，钢中含碳量每增加0.1%，其强度极限s大约增加68 kg

7、/mm2。 硫在钢中以硫化铁、硫化锰存在。硫化铁具有脆性，硫化锰在压力加工过程中变成丝状得到拉长，因而使在与纤维垂直的横向上的机械指数降低。所以硫在钢中是有害的杂质，含量愈少愈好。,磷在钢中使变形抗力提高，塑性降低。含磷高于0.1%0.2%的钢具有冷脆性。一般钢的含磷量控制在百分之零点零几。 其他如低熔点杂质在金属基体的分布状态对塑性有很大影响。 总之，钢中的化学成分愈复杂，含量愈多，则对钢的抗力及塑性的影响也就愈大。这正说明某些高合金钢难于进行冷镦（压）加工的原因。 b变形速度对塑性及变形抗力的影响 变形速度是单位时间内的相对位移体积：（公式36-4） 不应将变形速度与变形工具的运动速度混为

8、一谈，也应将变形速度与变形体中质点的移动速度在概念上区别开来。 一般说来，随着变形速度增加，变形抗力增加，塑性降低。冷变形时，变形速度的影响不如热变形时显著，这是由于无硬化消除的过程。但当变形速度特别大时，塑性变形产生的热（即热效应）不得失散本身温度升高会提高塑性、减少变形抗力。,c应力状态对塑性及变形抗力的影响 在外力作用下，金属内部产生内力，其单位面积之强度称之为应力。受力金属处于应力状态下。 从变形体内分离出一个微小基元正方体，在所取的正方体上，作用有未知大小但已知方向的应力，把这种表示点上主应力个数及其符号的简图叫主应力图。 表示金属受力状态的主应力图共有九种，其中四个为三向主应力图，

9、三个为平面主应力图，两个为单向主应力图，如图36-1所示。,主应力由拉应力引起的为正号，主应力由压应力引起的为负号。 在金属压力加工中，最常遇到的是同号及异号的三向主应力图。在异号三向主应力图中，又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图为最普遍。 同号的三向压应力图中，各方向的压应力均相等时（1=2=3），并且，金属内部没有疏松及其它缺陷的条件下，理论上是不可产生塑性变形的，只有弹性变形产生。 不等的三向压应力图包括的变形工艺有：体积模锻、镦粗、闭式冲孔、正反挤压、板材及型材轧制等。 在生产实际中很少迂到三向拉伸应力图，仅在拉伸试验中，当产生缩颈时，在缩颈处的应力线，是三向拉伸的主应力图，如图

10、36-2所示,在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图36-3所示。 总之，受力金属的应力状态中，压应力有利于塑性的增加，拉应力将降低金属的塑性。,d冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响 金属经过冷塑性变形，引起金属的机械性能、物理性能及化学性能的改变。随着变形程度的增加，所有的强度指标（弹性极限、比例极限、流动极限及强度极限）都有所提高，硬度亦有所提高；塑性指标（伸长率、断面收缩率及冲击韧性）则有所降低；电阻增加；抗腐蚀性及导热性能降低，并改变了金属的磁性等等，在塑性变形中，金属的这些性质变化的总和称作冷变形硬化，简称硬化。 e附加应力及残余应力的影响 在变形金属中应力分布是不均

11、匀的，在应力分布较多的地方希望获得较大的变形，在应力分布较少的地方希望获得较小的变形。由于承受变形金属本身的完整性，就在其内部产生相互平衡的内力，即所谓附加应力。当变形终止后，这些彼此平衡的应力便存在变形体内部，构成残余应力，影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。,1.1.4 提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施 针对影响金属塑性及变形抗力的主要因素，结合生产实际，采取有效的工艺措施，是完全可以提高金属塑性及降低其变形抗力的，生产中，常采取的工艺措施有： a坯料状况 冷镦用原材料，除了要求化学成份、组织均匀，不要有金属夹杂等以外，一般要对原材料进行软化退火处理，目的在于消除金属轧制时残留

12、在金属内部的残余应力，使组织均匀，降低硬度，要求冷镦前金属的硬度HRB80。对中碳钢，合金钢一般采取球化退火，目的是除消除应力、使组织均匀外，还可改善金属的冷变形塑性。 b提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件 这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力，尽可能降低变形中由于摩擦而产生的拉应力。 c选择合适的变形规范 在冷镦（挤）工艺中，一次就镦击成形的产品很少，一般都要经过两次及两次以上的镦击。因此必须做到每次变形量的合理分配，这不仅有利于充分利用金属的冷变形塑性，也有利于金属的成形。如生产中采用冷镦、冷挤复合成形、螺栓的两次缩径、螺母的大料小变形等。,1.2 金属塑性变形的基本规律

13、1.2.1 最小阻力定律 金属在变形中，变形体的质点有向各方向移动的可能，变形体质点的移动是沿其最小阻力方向移动，称为最小阻力定律。 在六角头螺栓多工位冷镦中，第二工位精镦时，金属向上、下模开口处流动并形成飞边是最小阻力定律起作用的体现。图36-4表明坯件在模具中镦锻时，它在充满上、下模腔的同时还向上、下模构成的间隙向四周流，只有当往飞边流动的阻力大于在模腔其它部分的阻力时，金属充满模腔才有可能。在上模向下运动中，飞边上金属流动阻力随飞边厚度的减小而增加，这时才能保证最后充满上、下模腔。,1.2.2 体积不变定律 金属塑性变形中，其密度改变极为微小，可以忽略。塑性变形的物体之体积保持不变，金属

14、坯件在塑性变形以前的体积等于变形后的体积。 体积不变定律是根据产品形状尺寸、计算出体积，据此再确定所需坯件的具体尺寸。 最小阻力定律则是金属变形次数如何确定，每次变形量如何分配、工模具结构形状确定的设计最主要的依据。 1.2.3 变形中影响金属流动的主要因素 a 摩擦的影响 在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在，由于摩擦力的作用，改变了金属流动的特征。如图36-5所示，在平板间镦粗矩形坏料时，由于摩擦力的作用，使各向阻力不同，变形中，断面不能继续保持矩形。按最小阻力定律，它会逐渐趋于圆形。若无摩擦力作用，则坯件处于理想的均匀变形状态，变形前后在几何形状上仍然相似。,图36-6为

15、环形坯件的镦粗示意图。当无摩擦时，环形件在高度上被压缩，根据体积不变条件，不论是外层还是内层，金属的直径都有所增加，即所有金属都沿径向辐射状向外流动。由于有摩擦的存在，流动受到阻碍。越接近内层金属向外流动的阻力越大，比向内流动时还要大，因而改变了流动的方向，如图所示，在环形件中出现了流动的分界面（dN）。 b工模具形状的影响 由于工模具形状不同，所施加给坯件的作用力，以及模具与坯件接触的摩擦力也不一样，引致金属在各方向流动阻力的差异，从而金属在各方向流动体积的分配也有所差异。 c金属本身性质不均的影响 金属本身的性质不均，反映出金属成份的不均、组织不均、以及在变形中内部温度的不均等。这些性质的

16、不均匀性，在金属内部出现互相平衡的附加应力，由于内力的存在，使金属在各自流动的阻力有所差异，变形首先发生在阻力最小的部分。,2 金属冷镦（挤）工艺,2.1 冷镦（挤）工艺基本概念 2.1.1 冷镦、冷压 在室温状态下，将坯料置于自动冷镦机或压力机的模具中，对模具施加压力，利用上、下模的相对运动，使坯件在模腔里变形，高度缩小，横截面增加，这样的压力加工方法，对自动冷镦机而言叫冷镦，对压力机而言叫冷压。 实际生产中，紧固件冷成型工艺，在冷镦的过程中，常常伴随有挤压的方式。因此，单就紧固件产品的冷镦工艺，实际是既有冷镦，也有挤压的一种复合工艺的加工方法。,2.1.2 冷镦（挤）的变形方式 a冲裁 使

17、坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的冲孔、六角头螺栓的头部切边等。 b镦粗 使坯件高度缩短、横截面增加的加工方法，如螺母的镦球、螺栓头部成型的预镦、精镦等。 c正挤压 坯件在冷镦压中，坯件在下模中变形时，金属的流动方向与上模的运动方向一致。冷镦螺栓、圆柱头内六角螺钉中的粗杆缩径就是一种正挤压。 d反挤压 坯件在变形中，金属的流动方向与上模的运动方向相反。圆柱头内六角螺钉头部成形就属反挤压。 e复合挤压 坯件在变形中金属的流动方向一部分与上模的运动方向相同，一部分又相反。即变形中既存在正挤压，也存在反挤压。如圆柱头内六角螺钉在同一工位变形中既有杆部缩径（正挤压）又有头部成型（反挤压）。,