冷鐓螺栓縮徑模具（jù）內孔孔型設計

1前言

六角頭螺（luó）栓是緊固件（jiàn）中應用最廣（guǎng）泛的產品。與螺母配合使用，可（kě）用螺紋擰緊固定。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（wéi）:材料改性→切削→縮徑→鐓頭→切邊→滾絲。減徑工藝可以保證滾絲或滾絲所需的坯料直徑，對控製產（chǎn）品（pǐn）的變形率，提高冷鐓的穩（wěn）定性和螺栓頭與杆的結合強度，防止產品掉頭有重要作用。由於其生產效率高、產品質量好，該技術已成為螺栓生產的主（zhǔ）要方式。

在實際生產過程中，影響變徑模使用壽命的因素很多，包（bāo）括原材料的（de）硬度、材料（liào）改性後的（de）表麵粗（cū）糙度、冷鐓油的潤滑（huá）效（xiào）果、變徑杆的生產速度（dù）、變徑模的（de）孔結構和材料等。對於正常生產來說（shuō），磷化材料（liào）的減摩效果受產品結構和生產工藝的限製，通常很難改變（biàn）。當（dāng）性能參數（shù）在一定範圍（wéi）內時，對成型時的潤滑、生產速度等因素影響較小，工藝處於相對穩定（dìng）的狀（zhuàng）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（mó）口孔型結構（gòu）更容易看到效果。

2模具分析

2.1縮（suō）徑模的設（shè）計要點

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

縮徑模（mó）孔型結構中最重要的參（cān）數是工作帶的導向角α和定徑帶的長度L。工作（zuò）導向角α直接影響減速力的大小，如果α過大或過小，減速力都會增大。定徑帶的長度L決定了模具的使用壽（shòu）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（yǔ）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（zēng）加摩擦力，保證減徑的順利進行[2]。

2.2變徑模的孔型結構

縮徑模（mó）的主要結構和參數如圖1所示。工作帶是物料被擠壓和壓縮（suō）的區（qū）域，圖中（zhōng）α表示工作帶的導向角(°)；定徑帶保證了減徑（jìng）後坯料的（de）尺寸精度，D為定徑帶的直徑（jìng）(mm)；l是上漿帶（dài）的長度(mm)。

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

其中（zhōng）A0是變形前導線（xiàn）的橫截麵積(mm2)；A1是變形導線的橫（héng）截麵積(mm2)；d是原材料的直徑(mm)；d是上漿帶的直徑(毫米)。

2.4縮徑模參（cān）數對縮徑模壽命的影響（xiǎng）

(1)工作帶導向角α的影響當工作帶在（zài）減小材料直徑時（shí），模（mó）具的擠壓力隨著（zhe）導向角的增大而變大。α過大時，坯料（liào）容易因摩擦而彎曲甚至鐓粗。α過小時，工作帶（dài）長度延長，坯（pī）料與模具接（jiē）觸麵積增大，摩擦力增大，在較大摩擦力作用下，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，減徑（jìng）模可以（yǐ）發揮其作用，將材料的截麵積穩定地控製在預定的目標之內。l過小時，變徑帶磨損快，無法保證滾絲所需的鋼坯直（zhí）徑。同時工件容易彎曲，直線度無法保證。當l過大時，摩擦力會增大，導致模具失（shī）效，工件表麵粗糙度差。因（yīn）此，合理的定徑帶長度是保證減徑模具壽（shòu）命的重要參數。

(3)減徑長度的影響減（jiǎn）徑長（zhǎng）度較長，在持續的減徑作用下潤滑油膜逐（zhú）漸（jiàn）變薄，潤滑（huá）效果變差，摩擦力增大，工件杆容（róng）易產生波紋變形，甚至無法完成減徑變形。

3模（mó）具孔型設計和驗證

3.1工作皮帶（dài）導向角α

(1)工作帶導向角的選擇原則在縮徑過程（chéng）中（zhōng），最理想的工藝方法是將工件與模（mó）具之間（jiān）的摩擦力降到最低。潤滑油、材料（liào）磷化和（hé）模具表麵拋（pāo）光都是為了達（dá）到這個目的。

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

根（gēn）據牛頓第三定（dìng）律，擠壓力和模具減徑力之（zhī）間的關（guān）係為

其中F1是材料通過導（dǎo）向帶所需的力(n)。

根據庫侖摩擦定律，μ是摩擦（cā）係數。

模（mó）具摩（mó）擦力的圖片。可以（yǐ）看出（chū），導向角α越大，材料與模具（jù）之間的（de）相互擠壓（yā）力越大，相互摩擦力也越大（dà）。在大摩擦（cā）力的作用下，模具表麵更（gèng）容易磨損失效。導向角α越小，摩（mó）擦力（lì）越小，模具壽命越長。

在金（jīn）屬材料的（de）塑（sù）性成形過程中，由於接觸壓力和接觸表麵溫度較高，經典的庫侖摩擦定律不能有效地計算（suàn）摩擦力，因此應采用粘著-犁溝理論，摩擦係數是隨接觸壓力變化的變量[3]

其中（zhōng），n1為導向工作帶表麵的法向應力(n );S1是材料與導向工作（zuò）帶的接觸麵積(mm2)；d是縮徑前材料的直（zhí）徑(mm)。

模具上的摩擦力

因（yīn）此，在其它條件一定的情況下，導向角決定了坯料與縮徑模之間的（de）摩擦力和接觸麵積。

(2)不同導向角的（de）試驗某公司根據生產情況，對其常用材（cái）料10B21(硬度149HV)和SWRCH35K(硬度191HV)和規格M10×40mm采用全螺紋變徑模，以不同的導向角進行驗證。棒的直（zhí）徑從（cóng）9.6毫（háo）米減（jiǎn）小（xiǎo）到8.87毫米，減小的（de）變形為0.146毫米。結（jié）果示於表1中。

試驗結果表明，在原材（cái）料硬度相近的情況下，導向角為24° ~ 28°，其使用壽命相對穩定。失效模式（shì）為定徑帶引起的疲勞裂（liè）紋失效。生產軟性材料時，導向角小，模具壽命較長；生產硬質材料時，導向角較大，模具壽命較長。同時，通（tōng）過對比不同材料的試驗結果可以看出（chū），生產材料硬度越高，模具（jù）壽命越短。

3.2上漿帶長度（dù）L

(1)定徑帶長度L的選（xuǎn）擇原則材料的（de）直（zhí）徑被工作帶（dài）縮小後，由於部分彈性變形，再加上熱脹（zhàng）冷縮的作用，直徑會（huì）有一定程度的回彈。定徑帶的主要功能是穩定棒材直徑。上漿帶主要受正擠壓（yā）力N2和摩擦力f2的影響(見圖2)，其關係為（wéi）:

因此，定徑帶的長度L越短，摩擦力越小，模具的使用壽命越長。但當定徑帶長度L過短時，定徑帶的彎曲強度降低，磨損速度加快，但模具壽命會縮短。

(2)不同定徑帶長度的試驗為了驗證不同定（dìng）徑帶長度對模具壽命的影響，試驗選用了（le）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（xiáng）細的測試方案和結果見（jiàn）表2。

試驗結果（guǒ）表明，當定徑帶長度為0.09 d ~ 0.135 d時，減（jiǎn）徑（jìng）模壽命相對（duì）穩定，長度過長或過（guò）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（biàn）徑原則。計算壓下力時，由單位壓下力公式可知，單位壓下力隨坯料長度的增加而增加。當減（jiǎn）徑長（zhǎng）度超過一定長度時，減（jiǎn）徑力將超過極限（xiàn）減徑力，導致坯料（liào）不能正常完成減（jiǎn）徑過程。

(2)變徑長度較長（zhǎng）的變徑帶的驗（yàn）證從圖中可（kě）以看出，縮短定徑帶的長（zhǎng）度L，可以（yǐ）減小摩擦阻力，降低所需的（de）變徑力。為驗（yàn）證較長的變徑長（zhǎng）度對變（biàn）徑模的影響，選用材料為10B21的M10×100mm螺（luó）栓進行驗（yàn）證，試驗（yàn）結果見表3。

對比表3和表2可以看出，縮徑長度越長，縮徑（jìng）模具壽命越短，呈指數變化。試驗結果表明，在不磨損定徑帶直徑的前提（tí）下，保證定（dìng）徑帶的最（zuì）大長度，可以獲得模具的最（zuì）佳使用壽命。

4分析（xī）和討（tǎo）論

4.1工作帶導向角α的選擇

從表1可以看出，當導向角為24° ~ 28°時，工作帶（dài）上的（de）衝擊擠壓力較小。在模具的承受範圍（wéi）內，模具失效是由於縮徑後材料硬化引起的定（dìng）徑帶磨損。10B21的硬度在直（zhí）徑減小時（shí）是軟的。當導向角α較小時，在較（jiào）小擠壓力的作用下，即使接觸麵積增大，摩擦力（lì）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過大時，坯料與（yǔ）模具的接觸率沒有明顯（xiǎn）增加。隨著α的增大（dà），接觸麵積會減（jiǎn）小，可（kě）以減小摩擦，控製材料的硬化。

4.2上漿（jiāng）帶長度L的選（xuǎn）擇

l短時，鋼坯與定徑帶的接觸麵積小，摩擦力也小。但當L小於一定長度時（shí），定徑帶的直徑D在（zài）摩擦的持續作用（yòng）下會（huì）很快磨損，超過（guò）尺寸公差（chà）上限時，就不能保證滾絲或滾壓的毛（máo）坯直徑要求。當l較長時（shí），保證了有足夠的長度進行上漿，但摩擦力（lì）也增大（dà），導致上漿帶因表麵磨損而失效。

4.3較長減徑長度下模具參數的（de）選擇

當減徑長度較長時，與減徑模具（jù）的摩擦時間較長，潤滑（huá）油膜向（xiàng）定徑帶末端逐漸變薄，使模具表（biǎo）麵逐（zhú）漸粗糙，摩擦係數增大，所需減徑力增大，甚至（zhì）超過設備負荷。通過縮短定徑帶長度，去除低潤滑部分，保（bǎo）證低摩擦係（xì）數和摩擦力，降低（dī）所需的減徑力，避免減徑力過載導致（zhì）模具快速失效，這是（shì）減徑長度長的產品選（xuǎn）擇較短定徑帶的基礎。

5結束語

當工作麵導向角為24° ~ 28°時，對模具壽命（mìng）影響不大，定徑帶疲勞（láo）裂紋是主要失（shī）效形式，導向角隨材（cái）料硬度的增加而增大。硬度較高的材料（liào）(如45鋼、40Cr等（děng）。)應采用（yòng）球化退火工藝降低（dī）硬度，以免高硬度材料造成（chéng）模具磨損，進而導致失效。當上（shàng）漿（jiāng）帶長度（dù）為0.09 d ~ 0.135 d時，應用（yòng）效果最佳。對於（yú）減（jiǎn）徑長的（de）產（chǎn）品，潤滑效果對模具的影響最大。在設計上，通過縮短（duǎn）定型帶的長度來保證潤滑效果，從而延長模具的使用（yòng）壽命（mìng）。