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(duì)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(rùn)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(duì)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(duì)成型時(shí)的潤(rùn)滑、生產(chǎn)速度等因素影響較小，工藝處于相對(duì)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?？仔徒Y(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(zhǎng)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(zhǎng)度L決定了模具的使用壽命，L太長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度延長(zhǎng)，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(zhǎng)度L的影響通過定徑帶長(zhǎng)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(zhǎng)度是保證減徑模具壽命的重要參數(shù)。

(3)減徑長(zhǎng)度的影響減徑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在持續(xù)的減徑作用下潤(rùn)滑油膜逐漸變薄，潤(rùn)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(rùn)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(kù)侖摩擦定律，μ是摩擦系數(shù)。

模具摩擦力的圖片?？梢钥闯?，導(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(zhǎng)。

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(kù)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(duì)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(duì)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(zhǎng)；生產(chǎn)硬質(zhì)材料時(shí)，導(dǎo)向角較大，模具壽命較長(zhǎng)。同時(shí)，通過對(duì)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(zhǎng)度L

(1)定徑帶長(zhǎng)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(zhǎng)度L越短，摩擦力越小，模具的使用壽命越長(zhǎng)。但當(dāng)定徑帶長(zhǎng)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(zhǎng)度的試驗(yàn)為了驗(yàn)證不同定徑帶長(zhǎng)度對(duì)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(cè)試方案和結(jié)果見表2。

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

3.3減少長(zhǎng)度

(1)變徑長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加而增加。當(dāng)減徑長(zhǎng)度超過一定長(zhǎng)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(zhǎng)度較長(zhǎng)的變徑帶的驗(yàn)證從圖中可以看出，縮短定徑帶的長(zhǎng)度L，可以減小摩擦阻力，降低所需的變徑力。為驗(yàn)證較長(zhǎng)的變徑長(zhǎng)度對(duì)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(duì)比表3和表2可以看出，縮徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，保證了有足夠的長(zhǎng)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(zhǎng)減徑長(zhǎng)度下模具參數(shù)的選擇

當(dāng)減徑長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，與減徑模具的摩擦?xí)r間較長(zhǎng)，潤(rùn)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(zhǎng)度，去除低潤(rùn)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(zhǎng)度長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度為0.09 d ~ 0.135 d時(shí)，應(yīng)用效果最佳。對(duì)于減徑長(zhǎng)的產(chǎn)品，潤(rùn)滑效果對(duì)模具的影響最大。在設(shè)計(jì)上，通過縮短定型帶的長(zhǎng)度來保證潤(rùn)滑效果，從而延長(zhǎng)模具的使用壽命。