冷镦螺栓缩径模具内孔孔型设计

王泽斌，杨国民

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1 序言

六角头螺栓是紧固件中使用最广泛的产品，其与螺母配合使用，通过螺纹实现拧紧固定。螺栓加工工艺中M27以下的规格通常采用冷镦锻工艺在冷镦机上成型，工艺路线为：材料改制→切断→缩径→打头→切边→搓丝。通过缩径工艺保证搓丝或滚丝所需的坯径，缩径对于控制产品的变形比、提高冷镦稳定性和螺栓头杆的结合强度，以及防止产品掉头等都起到了重要作用。由于该工艺生产效率高、产品质量好，已成为螺栓生产的主要方式。

在实际生产过程中，影响缩径模具使用寿命的因素有很多，包括原材料硬度、材料改制后的表面粗糙度、冷镦油的润滑效果、缩杆生产速度、缩径模具孔型结构与材料等。对于正常生产而言，材料磷化减摩效果受制于产品结构及生产工艺，通常难以改变。当性能参数处于一定范围内时，对成型时润滑及生产速度等因素影响较小，工艺处于较稳定的状态。由此可知，在产品材料及成型工艺趋于稳定的情况下，改进模具孔型结构更容易见到效果。

2 模具分析

2.1 缩径模具设计要点

缩径模具采用预应力组合结构，以保证其整体强度；外部模套采用H13碳钢材料，芯部为硬质合金KG5，硬度1250～1340HV模套加热至400℃以上，以过盈配合将模芯压入。

缩径模具孔型结构中最重要的参数是工作带导向角度α和定径带长度L。工作带导向角度α直接影响缩径力的大小，α过大或过小都会引起缩径力的增加；定径带长度L决定了模具使用寿命的长短，L过长或过短都会降低模具的使用寿命[1]。定径带后面的孔径与定径带直径之差以0.05～0.07mm为宜，避免工件与模具接触使得摩擦力增加，确保缩径的顺利进行[2]。

2.2 缩径模具孔型结构

缩径模具主要结构及参数如图1所示。工作带是对材料进行挤压缩径的区域，图中α表示工作带导向角度（°）；定径带保证缩径后坯料的尺寸精度，d为定径带直径（mm）；L为定径带长度（mm）。

图1 缩径模具主要结构及参数

2.3 缩径变形量ψ

缩径变形量为缩径前后线材横截面积的变化，缩径变形程度是缩径工艺设计及计算的重要参数，也是影响缩径模具寿命最重要的因素。缩径变形量ψ的计算如下

式中，A0为变形前线材横截面积（mm2）；A1为变形后线材横截面积（mm2）；D为原材料直径（mm）；d为定径带直径（mm）。

2.4 缩径模具参数对缩径模具使用寿命的影响

（1）工作带导向角度α的影响 工作带在对材料进行缩径时，模具受到的挤压力随导向角度的变大而变大。当α过大时，受摩擦力影响，坯料容易发生弯曲甚至镦粗的现象；当α过小时，工作带长度延长，坯料与模具之间接触面积增加，摩擦力增大，模具在较大摩擦力的作用下寿命缩短。

（2）定径带长度L的影响 通过定径带长度L和直径d的共同作用，缩径模具才能发挥效果，将材料横截面积稳定控制在预定目标内。当L偏小时，缩径带快速磨损，搓丝所需的坯径无法得到保证，同时工件也容易弯曲，无法保证直线度。当L偏大时，摩擦力随之增大，会导致模具失效及工件表面粗糙度变差等问题。因此，合理的定径带长度是保证缩径模具寿命的重要参数。

（3）缩径长度的影响 缩径长度长，润滑油膜在持续的缩径动作下逐渐变薄，润滑效果变差，摩擦力上升，工件杆部容易出现波纹状变形，甚至无法完成缩径变形。

3 模具孔型设计与验证

3.1 工作带导向角度α

（1）工作带导向角度的选择原理 在缩径过程中，最理想的工艺方式是将工件与模具之间的摩擦力降低至最低水平，采用润滑油、材料磷化和模具表面抛光等都是为了达成这一目标。

缩径模具受力如图2所示。材料在通过导向工作带时，模具受到挤压力N1和摩擦力f1。

图2 缩径模具受力示意

根据牛顿第三定律，模具的挤压力与缩径力之间的关系为

式中，F1为材料通过导向工作带所需的力（N）。

根据库伦摩擦定律

式中，μ为摩擦系数。

在金属材料的塑性成型工艺中，由于接触压力高，接触面温度高，经典的库仑摩擦定律并不能有效地计算出摩擦力的大小，应该使用黏着—犁沟理论，摩擦系数是一个随接触压力变化的量[3]

式中，n1为导向工作带表面正应力（N）；S1为材料与导向工作带的接触面积（mm2）；D为材料缩径前直径（mm）。

则模具所受的摩擦力

由此可知，在其他条件一定的情况下，导向角度的大小决定了摩擦力的大小，也决定了坯料与缩径模具接触面积的大小。

（2）不同导向角度的试验 某公司根据生产情况，对其常用材料10B21（硬度149HV）和SWRCH35K（硬度191HV）、规格为M10×40mm的螺栓使用的全螺纹缩径模具，采用不同导向角度进行验证，杆径由9.6mm减至8.87mm，缩径变形量为0.146mm，其结果见表1。

表1 工作带导向角度试验

试验结果表明，原材料硬度相近时，导向角度在24°～28°，其使用寿命比较稳定，失效方式均为定径带产生疲劳裂纹失效。生产较软材质时，导向角度取小值，模具寿命更高；生产较硬材质时，导向角度取大值，模具寿命更高。同时，通过比较不同材料的试验结果可知，生产材料硬度越高，模具寿命越低。

3.2 定径带长度L

（1）定径带长度L的选择原理 材料通过工作带缩径后，由于产生了部分弹性变形，再加上热胀冷缩的作用，所以直径会有一定回弹。定径带的主要作用就是将杆径稳定下来。定径带主要受材料正挤压力N2和摩擦力f2（见图2），其关系为：。

由此可知，定径带长度L越短，摩擦力越小，模具寿命越长。但当定径带长度L过短时，定径带抗弯强度变小且磨损速度加快，模具寿命反而会变短。

（2）不同定径带长度的试验 为了验证不同定径带长度对模具寿命的影响，选取GB/T 5783 M10×40mm的螺栓进行试验，根据表1的结果，选取材质为10B21，导向角度为22°。详细试验方案及结果见表2。

表2 定径带长度试验

试验结果表明，定径带长度在0.09d～0.135d时，缩径模具寿命比较稳定，长度过长或过短，寿命均呈缩短的趋势。

3.3 缩径长度

（1）缩径长度较长时的缩径原理 在计算缩径力时，通过单位缩径力计算公式，可以得知：单位缩径力随毛坯长度的增长而增大。当缩径长度超过某一长度时，其缩径力就会超过极限缩径力，导致毛坯无法正常完成缩径工序。

表3 长杆件试验

通过表3与表2对比可知，缩径长度越长，缩径模具寿命越短，且呈指数级变化。试验结果表明，在以定径带直径不发生磨损失效为前提的条件下，保证最长定径带长度，模具能够获得最佳使用 寿命。

4 分析与讨论

4.1 工作带导向角度α的选择

由表1可看出，导向角度在24°～28°时，工作带受到的冲击挤压力较小，在模具承受范围内，模具失效的原因是缩径后材料硬化对定径带的磨损。10B21缩径时硬度偏软，当导向角度α偏小时，在较小挤压力的作用下，即使接触面积增加，摩擦力变化也不大，材料硬化不明显。而SWRCH35K则相反，因材料较硬，在导向角度α偏大的情况下，坯料与模具之间接触率增加不明显，随着α增大，接触面积会减小，反而能降低摩擦力，控制材料的硬化。

4.2 定径带长度L的选择

当L较短时，坯料与定径带接触面积较小，摩擦力也较小。但当L小于一定长度时，在摩擦力的持续作用下，定径带直径d快速磨损，当超过尺寸公差上限时，无法保证搓丝或滚丝的坯径要求。当L较长时，保证了有足够长度进行定径动作，但摩擦力也随之增大，造成定径带因表面擦伤而失效。

4.3 较长缩径长度下模具参数的选择

缩径长度较长时，其与缩径模具摩擦的时间也较长，润滑油膜往定径带末端方向逐渐变薄，使模具表面逐渐粗糙，摩擦系数变大，所需缩径力变大，甚至超出设备负荷。通过缩短定径带长度，将低润滑部分去掉，保证低摩擦系数及摩擦力，减小所需的缩径力，避免缩径力超负荷引起模具快速失效，这就是长缩径长度产品选择较短定径带的依据。

5 结束语

工作面导向角度在24°～28°时，对模具寿命影响较小，失效以定径带疲劳裂纹为主，且导向角度随材质硬度的增大而增大。硬度较高的材料（如45钢、40Cr等）应采用球化退火工艺来降低硬度，避免高硬度材料造成模具磨损，进而导致失效。定径带长度在0.09d～0.135d时，使用效果最佳。缩径长度较长的产品时，润滑效果对模具影响最大，设计时通过缩短定径带长度来保证润滑效果，从而提高模具使用寿命。