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冷鐓螺栓縮徑模具內(nèi)孔孔型設(shè)計(jì)

發(fā)布日期:2022-08-16 11:46:59  點(diǎn)擊次數(shù):2792

1前言

六角頭螺栓是緊固件中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。與螺母配合使用,可用螺紋擰緊固定。在螺栓加工過程中,M27以下規(guī)格通常在冷鐓機(jī)上冷鐓成型,工藝路線為: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,對控制產(chǎn)品的變形率,提高冷鐓的穩(wěn)定性和螺栓頭與桿的結(jié)合強(qiáng)度,防止產(chǎn)品掉頭有重要作用。由于其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好,該技術(shù)已成為螺栓生產(chǎn)的主要方式。


在實(shí)際生產(chǎn)過程中,影響變徑模使用壽命的因素很多,包括原材料的硬度、材料改性后的表面粗糙度、冷鐓油的潤滑效果、變徑桿的生產(chǎn)速度、變徑模的孔結(jié)構(gòu)和材料等。對于正常生產(chǎn)來說,磷化材料的減摩效果受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的限制,通常很難改變。當(dāng)性能參數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí),對成型時(shí)的潤滑、生產(chǎn)速度等因素影響較小,工藝處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。所以在產(chǎn)品材料和成型工藝趨于穩(wěn)定的情況下,通過改進(jìn)??诳仔徒Y(jié)構(gòu)更容易看到效果。


2模具分析


2.1縮徑模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)


縮徑模采用預(yù)應(yīng)力復(fù)合結(jié)構(gòu),保證其整體強(qiáng)度;外模套材質(zhì)為H13碳鋼,型芯為硬質(zhì)合金KG5,將硬度為1250~1340HV的模套加熱到400℃以上,模芯通過過盈配合壓入。


縮徑模孔型結(jié)構(gòu)中最重要的參數(shù)是工作帶的導(dǎo)向角α和定徑帶的長度L。工作導(dǎo)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(huì)增大。定徑帶的長度L決定了模具的使用壽命,L太長或太短都會(huì)降低模具的使用壽命[1]。定徑帶后直徑與定徑帶直徑之差應(yīng)為0.05~0.07mm,以避免工件與模具接觸而增加摩擦力,保證減徑的順利進(jìn)行[2]。


2.2變徑模的孔型結(jié)構(gòu)


縮徑模的主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。工作帶是物料被擠壓和壓縮的區(qū)域,圖中α表示工作帶的導(dǎo)向角(°);定徑帶保證了減徑后坯料的尺寸精度,D為定徑帶的直徑(mm);l是上漿帶的長度(mm)。


減變形是減徑前后導(dǎo)線截面積的變化。減徑變形度是減徑工藝設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù),也是影響減徑模具壽命的最重要因素。減小變形ψ的計(jì)算

其中A0是變形前導(dǎo)線的橫截面積(mm2);A1是變形導(dǎo)線的橫截面積(mm2);d是原材料的直徑(mm);d是上漿帶的直徑(毫米)。


2.4縮徑模參數(shù)對縮徑模壽命的影響


(1)工作帶導(dǎo)向角α的影響當(dāng)工作帶在減小材料直徑時(shí),模具的擠壓力隨著導(dǎo)向角的增大而變大。α過大時(shí),坯料容易因摩擦而彎曲甚至鐓粗。α過小時(shí),工作帶長度延長,坯料與模具接觸面積增大,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??梢园l(fā)揮其作用,將材料的截面積穩(wěn)定地控制在預(yù)定的目標(biāo)之內(nèi)。l過小時(shí),變徑帶磨損快,無法保證滾絲所需的鋼坯直徑。同時(shí)工件容易彎曲,直線度無法保證。當(dāng)l過大時(shí),摩擦力會(huì)增大,導(dǎo)致模具失效,工件表面粗糙度差。因此,合理的定徑帶長度是保證減徑模具壽命的重要參數(shù)。


(3)減徑長度的影響減徑長度較長,在持續(xù)的減徑作用下潤滑油膜逐漸變薄,潤滑效果變差,摩擦力增大,工件桿容易產(chǎn)生波紋變形,甚至無法完成減徑變形。


3模具孔型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證


3.1工作皮帶導(dǎo)向角α


(1)工作帶導(dǎo)向角的選擇原則在縮徑過程中,最理想的工藝方法是將工件與模具之間的摩擦力降到最低。潤滑油、材料磷化和模具表面拋光都是為了達(dá)到這個(gè)目的。


縮徑模的應(yīng)力如圖2所示。當(dāng)材料通過導(dǎo)向帶時(shí),模具受到擠壓力N1和摩擦力f1。

根據(jù)牛頓第三定律,擠壓力和模具減徑力之間的關(guān)系為

其中F1是材料通過導(dǎo)向帶所需的力(n)。


根據(jù)庫侖摩擦定律,μ是摩擦系數(shù)。


模具摩擦力的圖片??梢钥闯觯瑢?dǎo)向角α越大,材料與模具之間的相互擠壓力越大,相互摩擦力也越大。在大摩擦力的作用下,模具表面更容易磨損失效。導(dǎo)向角α越小,摩擦力越小,模具壽命越長。


在金屬材料的塑性成形過程中,由于接觸壓力和接觸表面溫度較高,經(jīng)典的庫侖摩擦定律不能有效地計(jì)算摩擦力,因此應(yīng)采用粘著-犁溝理論,摩擦系數(shù)是隨接觸壓力變化的變量[3]


其中,n1為導(dǎo)向工作帶表面的法向應(yīng)力(n );S1是材料與導(dǎo)向工作帶的接觸面積(mm2);d是縮徑前材料的直徑(mm)。

模具上的摩擦力


因此,在其它條件一定的情況下,導(dǎo)向角決定了坯料與縮徑模之間的摩擦力和接觸面積。


(2)不同導(dǎo)向角的試驗(yàn)?zāi)彻靖鶕?jù)生產(chǎn)情況,對其常用材料10B21(硬度149HV)和SWRCH35K(硬度191HV)和規(guī)格M10×40mm采用全螺紋變徑模,以不同的導(dǎo)向角進(jìn)行驗(yàn)證。棒的直徑從9.6毫米減小到8.87毫米,減小的變形為0.146毫米。結(jié)果示于表1中。


試驗(yàn)結(jié)果表明,在原材料硬度相近的情況下,導(dǎo)向角為24° ~ 28°,其使用壽命相對穩(wěn)定。失效模式為定徑帶引起的疲勞裂紋失效。生產(chǎn)軟性材料時(shí),導(dǎo)向角小,模具壽命較長;生產(chǎn)硬質(zhì)材料時(shí),導(dǎo)向角較大,模具壽命較長。同時(shí),通過對比不同材料的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,生產(chǎn)材料硬度越高,模具壽命越短。


3.2上漿帶長度L


(1)定徑帶長度L的選擇原則材料的直徑被工作帶縮小后,由于部分彈性變形,再加上熱脹冷縮的作用,直徑會(huì)有一定程度的回彈。定徑帶的主要功能是穩(wěn)定棒材直徑。上漿帶主要受正擠壓力N2和摩擦力f2的影響(見圖2),其關(guān)系為:


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(dāng)定徑帶長度L過短時(shí),定徑帶的彎曲強(qiáng)度降低,磨損速度加快,但模具壽命會(huì)縮短。


(2)不同定徑帶長度的試驗(yàn)為了驗(yàn)證不同定徑帶長度對模具壽命的影響,試驗(yàn)選用了G B/T 5783M10×40mm螺栓。根據(jù)表1中的結(jié)果,材料為10B21,導(dǎo)向角為22°。詳細(xì)的測試方案和結(jié)果見表2。


試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)定徑帶長度為0.09 d ~ 0.135 d時(shí),減徑模壽命相對穩(wěn)定,長度過長或過短,壽命都有縮短的趨勢。


3.3減少長度


(1)變徑長度較長時(shí)的變徑原則。計(jì)算壓下力時(shí),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(dāng)減徑長度超過一定長度時(shí),減徑力將超過極限減徑力,導(dǎo)致坯料不能正常完成減徑過程。


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


對比表3和表2可以看出,縮徑長度越長,縮徑模具壽命越短,呈指數(shù)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,在不磨損定徑帶直徑的前提下,保證定徑帶的最大長度,可以獲得模具的最佳使用壽命。


4分析和討論


4.1工作帶導(dǎo)向角α的選擇


從表1可以看出,當(dāng)導(dǎo)向角為24° ~ 28°時(shí),工作帶上的沖擊擠壓力較小。在模具的承受范圍內(nèi),模具失效是由于縮徑后材料硬化引起的定徑帶磨損。10B21的硬度在直徑減小時(shí)是軟的。當(dāng)導(dǎo)向角α較小時(shí),在較小擠壓力的作用下,即使接觸面積增大,摩擦力變化不大,材料硬化不明顯。反之SWRCH35K,由于材料較硬,當(dāng)導(dǎo)向角α過大時(shí),坯料與模具的接觸率沒有明顯增加。隨著α的增大,接觸面積會(huì)減小,可以減小摩擦,控制材料的硬化。


4.2上漿帶長度L的選擇


l短時(shí),鋼坯與定徑帶的接觸面積小,摩擦力也小。但當(dāng)L小于一定長度時(shí),定徑帶的直徑D在摩擦的持續(xù)作用下會(huì)很快磨損,超過尺寸公差上限時(shí),就不能保證滾絲或滾壓的毛坯直徑要求。當(dāng)l較長時(shí),保證了有足夠的長度進(jìn)行上漿,但摩擦力也增大,導(dǎo)致上漿帶因表面磨損而失效。


4.3較長減徑長度下模具參數(shù)的選擇


當(dāng)減徑長度較長時(shí),與減徑模具的摩擦?xí)r間較長,潤滑油膜向定徑帶末端逐漸變薄,使模具表面逐漸粗糙,摩擦系數(shù)增大,所需減徑力增大,甚至超過設(shè)備負(fù)荷。通過縮短定徑帶長度,去除低潤滑部分,保證低摩擦系數(shù)和摩擦力,降低所需的減徑力,避免減徑力過載導(dǎo)致模具快速失效,這是減徑長度長的產(chǎn)品選擇較短定徑帶的基礎(chǔ)。


5結(jié)束語


當(dāng)工作面導(dǎo)向角為24° ~ 28°時(shí),對模具壽命影響不大,定徑帶疲勞裂紋是主要失效形式,導(dǎo)向角隨材料硬度的增加而增大。硬度較高的材料(如45鋼、40Cr等。)應(yīng)采用球化退火工藝降低硬度,以免高硬度材料造成模具磨損,進(jìn)而導(dǎo)致失效。當(dāng)上漿帶長度為0.09 d ~ 0.135 d時(shí),應(yīng)用效果最佳。對于減徑長的產(chǎn)品,潤滑效果對模具的影響最大。在設(shè)計(jì)上,通過縮短定型帶的長度來保證潤滑效果,從而延長模具的使用壽命。


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