技术专栏丨冷镦加工金属变形的原理

冷镦加工对于紧固件、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。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是本文的目的和宗旨所在。

一、冷镦加工的优点概括:

  1.钢材利用率高

  冷镦是一种少、无切削的加工方法,如加工杆类的六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉,采用切削加工方法,钢材利用率仅在25%~35%,而用冷镦加工方法,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。

  2.生产率高

  冷镦与通用的切削加工相比,成型效率要高出几十倍以上。

  3.机械性能好

  冷镦方法加工的零件,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。

  4.适于自动化生产

  适宜冷镦方法生产的紧固件(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。

二、金属变形的种类:

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;而在冷镦加工的过程中,因为金属的材料或外在因素,形成的种类也会不一样。

  1、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。

  2、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、断面收缩率、屈服极限来表示。

三、金属塑性的评定方法:

  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δ和断面收缩率ψ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。δ和ψ的数值由以下公式确定:

  δ= [(Lk-Lo)/Lo]*100%

  ψ=[(Fo-Fk)/Fo]*100%

  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(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,直到试样表面出现第1条肉眼可观察 到的裂纹为止,这时的压缩程度εc为塑性指标。其数值按下式可计算出:

  εc =[(Ho-Hk)/Ho]*100%

  式中 :Ho——圆柱形试样的原始高度。

  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。

四、金属冷镦变形程度

  金属变形是指坯料被镦锻部分长度在镦锻终了的压缩量与原始高度的比值,或者坯料截面积在镦锻终了截面积的增加量与原始横截面的比值。变形程度的表示方法 为:

  1、镦锻比(S)

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  即:S=h0/d0

  式中:h0——被镦锻部分的原始高度;d0——被镦锻部分的原始直径。

  镦锻比可以确定镦锻的难易,镦锻比愈小,变形量愈小,变形更容易。镦锻比愈大,变形愈难,金属纤维流动不规则,有的纤维被折曲,形成纵向弯曲现象。

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  2、镦锻率(ε)

  即:ε=[(ho-h)/ho]*100%;ε=[(F-Fo)/F]*100%

  式中: ho、Fo——镦锻前头部材料的原始高度、横截面积;h、F——镦锻后工件的高度、横截面积。

四、镦锻次数的确定

  产品在冷镦中,通常都要经过两次以上的镦锻才能成型,镦锻次数确定合理,将充分利用金属的许用变形程度,提高模具的使用寿命,保证产品的质量;确定镦锻次数,考虑下列因素:

  1、镦锻比

  坯料需要变形部分的长度与直径的比,比值过大,一次镦锻就会出现纵弯现象,压扁后,会出现夹层,如下图所示。

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  要避免镦锻中出现这些缺陷,必须增加镦锻次数。即首先将坯料预镦成锥形,之后再精镦,直至达到需要形状。

  一般按下列数据来决定镦锻次数:

  • 当 ≤2.5时,可一次镦锻;

  • 当2.5<或 ≤4.5时,镦锻两次;

  • 当4.5< 或≤6.5时,镦锻三次。

  2、工件头部直径D与高度H的比值

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  如图所示,是头部直径较大、高度较小的大直径薄扁头细杆零件,所需坯料h 0 /d0在2以上大头细杆零件,若采用一次镦锻成形,就会在头部边缘处产生裂纹。类似的工件,只有增加镦锻次数,采用逐步成形的方法。

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  本文摘自华人螺丝网“螺丝商学院”课件摘要,鉴于版面有限,未能全部刊登!查看全部课程,请到螺丝商学院查看全课程!同时可关注华人螺丝网公众号每周有技术文章推荐。

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