常用材料冷镦许用变形程度及冷镦力计算与模具设计

冷镦是指金属毛坯在室温下受压后，高度方向尺寸减小，而垂直于压力方向的横截面尺寸增加的成形方法，如图6-17所示。虽然直径为D₀的毛坯很长，但参加变形的部分是H₀长度，在上模板与凹模间被压缩变形为直径D、高度为H的工件头部。因此，冷镦的变形本质及特点与锻造工艺中的镦粗工序完全相同，其出现质量问题的原因及成形方法也应该与镦粗工序相同。

在变形的形式上，除了毛坯端部进行冷镦以外，还有中间镦粗，如图6-18所示。它是使毛坯的中间部位由轴向压缩转向横向扩展（两头均有材料不变形）的一种镦粗工序。

图6-17 冷镦变形

1—毛坯 2—上模板 3—工件 4—凹模

图6-18 中间镦粗

1—毛坯 2—上模板 3—工件 4—凹模

直径为D₀的长杆形毛坯中的H₀段材料，上端头部H₁段上不变形，在上模板与凹模间的毛坯中间部分进行压缩变形，横向上被扩展成直径为D、高度为H的零件。与端部冷镦相比，只是头上保留了一段材料不变形。因此，其变形实质也是与镦粗相同的。

1.变形程度

冷镦时，毛坯高度减小，直径增大，变形程度用下式表示：

式中 ε_h——冷镦时变形程度（%）；

H₀——毛坯镦粗前的高度（mm）；

H——毛坯镦粗后的高度（mm）。

一次冷镦的最大初始高度，即H_max的最大值，应按顶镦规则，通常要小于或等于三倍的直径，即H_max≤3D₀。显然，一道冷镦的变形程度有一个许用范围，超出这个范围，在冷镦毛坯的桶形表面上，便会产生斜裂纹。因此，确定出许用变形程度范围的数值，在工程应用上是很重要的。确定许用变形程度的一种简单方法，通过调整冷镦模具的闭合高度，使冷镦毛坯的高度不断减小，直至出现首条裂纹为止。

表6-4列出了常用材料冷镦时的许用变形程度。

表6-4 常用材料冷镦时的许用变形程度

如果工件所需要的变形程度大于所用材料的许用数值时，应进行两次或几次冷镦工序，但工序间需进行中间退火工艺，以消除每次冷镦后的材料变形硬化。

2.确定毛坯变形高度和工件直径

（1）冷镦时毛坯许用变形高度 过长的毛坯冷镦时，会发生纵向弯曲。一次冷镦不发生纵向弯曲的许用变形量见图6-19。

若毛坯直径d₀＞15mm时，许可变形高度可按图中所列的许用值乘以1.2。

（2）冷镦后工件直径和高度 圆柱形毛坯在平板间冷镦（见图6-17）时，冷镦后工件直径和高度可按体积不变定律进行如下计算：

式中 ε_h——许用变形程度（%），由表6-4查得。

（3）环形件毛坯在平板间镦粗 环形件在平板间镦粗时，一部分金属沿径向向中心移动，另一部分向外移动，因而就增加了外径，同时减小了内径，如图6-20所示，故环状毛坯在镦粗中存在一个中性层（中性层直径d_H），该层在每一工件的镦粗中保持其一定的位置。

图6-19 冷镦时不出现纵向弯曲的许用变形量

知道中性层直径d_H后，如已知镦粗变形程度ε，可用下式计算出镦粗后工件的外径D和内径d。

式中 ε——环形件镦粗变形程度（%）；

D₀——环形件外径（mm）；

d₀——环形件内径（mm）；

d_H——中性层直径（mm），可查图6-21求得。

（4）带挤入型腔的镦粗 当镦粗带挤入型腔的工件时，如图6-22所示。按比值D₀/H₀的不同，有如下三种情况。

1）对比值D₀/H₀≥2的毛坯镦粗时，使金属发生了向板孔内强烈的流动，因而增加了工件总的高度（H_K′＞H₀）。

2）对比值D₀/H₀＜1.5的毛坯镦粗时，工件总的高度总是小于毛坯的高度（H_K′＜H₀）。

图6-20 环形毛坯镦粗

图6-21 环形试样在镦粗时中性层直径的位置

此外，金属在轴向流动的急剧程度视孔径的相对数值d/D₀和变形程度而定。

3）毛坯的直径应为孔径的2～4倍，因为在D₀=1.2d的情况下将不是镦粗，而是毛坯外层的揉压和压榨。

（5）圆柱形毛坯的压扁镦粗 在冷变形中，常使用圆柱形毛坯在侧面上加压力镦粗，如图6-23所示。用这种方法能达到很高的镦粗程度。

图6-22 带挤入型腔的镦粗

a）一端挤入型腔 b）两头挤入型腔

图6-23 圆柱形毛坯压扁

工件尺寸按下式计算：

式中 d——压扁前毛坯直径（mm）；

h——压扁后工件的高度（mm）；

b₁——压扁后工件的最小宽度（mm）；

b₂——压扁后工件的最大宽度（mm）；

b——压扁后工件的平均宽度（mm）；

ε_b——压扁镦粗程度（一般为ε_b=0.5～0.6），由计算。

例如，当ε_b=0.6时，可得h=0.4d，b≈2d≈5h。

3.计算冷镦力

（1）圆柱形毛坯 根据变形力的工程计算，圆柱形毛坯在平板间自由镦粗时所需单位压力由下式确定：

式中 p——自由镦粗的单位压力（MPa）；

σ——变形终了时变形抗力（MPa），由值查图6-24；

f——摩擦因数，一般取f=0.1，更精确的数值见表6-5；

D_K——镦粗变形后的直径（mm）；

H_K——镦粗变形后的高度（mm）。

钢材镦粗时，不同润滑剂的摩擦因数f见表6-5。

图6-24 不同材料的变形抗力

表6-5 镦粗时不同润滑剂的摩擦因数(www.xing528.com)

计算了冷镦单位压力p以后，可按下式求出冷镦力P：

P=pA=0.785pD² （6-9）

式中 A——镦粗后工件的横截面积（mm²）；

D——工件镦粗后直径（mm）。

（2）其他形式镦粗 同样，冷镦变形力的计算由下式确定：

P=Ap=Acσ_max （6-10）

式中 P——最大冷镦变形力（N）；

A——镦粗终了时受压面积（mm²）；

p——单位压力（MPa）；

σ_max——镦粗终了时的真实变形抗力（MPa），按图6-24查得；

c——约束导数。

冷镦时约束系数与工件的形状、应力状态、润滑剂及毛坯表面等有关，其值可按下式计算：

c=znm （6-11）

而

式中 z——取决于冷镦形状的系数；

n——取决于应力影响的系数；

m——取决于摩擦影响的系数；

a——取决于冷镦平面形状的系数；

f——摩擦因数；

u——冷镦后工件的周边长度（mm）；

h——冷镦后工件的高度（mm）；

A——冷镦后工件的投影面积（mm²）。

各约束系（因）数值见表6-6。

表6-6 约束系（因）数

4.模具设计

由于冷镦变形方式不同，其模具工作部分的设计有不同的特点。

（1）端部冷镦 冷镦端部时的金属积聚，根据成形部位在模具中所处的位置不同，可将其分为以下三种基本模具结构（见图6-25）：①在凸模中积聚金属；②在凹模中积聚金属；③在凸模和凹模中积聚金属。

图6-25 三种端部金属的积聚模具

a）在凸模中 b）在凹模中 c）在凸模和凹模中

模具设计的特点主要有以下几点：

1）凹模要有夹持好毛坯不变形部分的功能，其孔口边缘应成圆角。

2）冷镦平端和圆柱头部时，上模板工作部分的形状与冷镦模冲头相同。

3）冷镦外凸曲面形镦头件时，上模板工作部分的形状要有相应的内凹曲面形状。

图6-26 上模板中心处的出气孔

4）当冷镦件头部外曲面的端面表面粗糙度要求不高时，上模板内凹中心外一般设计有一个小出气孔，如图6-26所示。如果其端面表面粗糙度要求较高时，则上模板不能加工出气孔。此种情况下，一般可采用增加一次预成形，或毛坯端面用切削的方法，加工出符合表面粗糙度要求的相应圆弧端面再冷镦。这样既减小了冷镦力，又能达到端面表面粗糙度的要求。

5）形状复杂的头部要设计多次冷镦变形工艺和模具。

例如，冷镦螺栓的工艺流程如图6-27所示。这些工艺在附有搓螺纹装置的Z47系列多工位冷镦机上实现，其模具特点见表6-7。这种冷镦工艺流程是一种较为标准的工艺。

表6-7 冷镦螺栓工艺过程的模具特点

（续）

图6-27 冷镦螺栓工艺流程

a）下料 b）镦头 c）镦球头 d）镦六角及缩挤杆部 e）搓螺纹

又如冷镦六角螺母，材料为Q235普通碳素钢，也是一种较为标准的工艺，其流程是：下料→镦球→镦六角→冲孔→攻螺纹，如图6-28所示。

图6-28 冷镦六角螺母工艺流程

a）下料 b）镦球 c）镦六角 d）冲孔 e）攻螺纹

（2）中间冷镦 同样，冷镦中间部位时的金属积聚，根据成形部位在模具中所处位置的不同，也有以下两种基本模具结构，如图6-29所示。图6-29a所示是利用带芯杆的组合凹模，在毛坯的中间部位进行冷镦来聚集金属的；图6-29b所示是利用径向挤压的方法，使中间部分的截面加大的。

图6-29 两种中间部位金属的积聚模具

冷镦毛坯中间部位模具工作部分的设计要点如下：

1）凹模功能及工作部分设计原则同端部冷镦。

2）上模板工作部分要有容纳毛坯不变形部分长度的相应内孔，且上模板和凹模孔口边缘要成圆角（见图6-18）。

图6-30 开式冷镦头部模具

1—模板 2—垫块 3、5—上、下压圈 4—上模 6—下模 7—导向套 8—顶料杆 9—支撑 10—垫圈 11—模座 12—顶杆

3）要镦制中间成圆柱体形零件，应采用半封闭式冷镦方式，上模板与凹模应有相应的型腔。

4）形状复杂的零件，同样要设计多次中间冷镦工艺和模具。

整体冷镦模具结构形式，按变形方式不同可分为开式、半封闭式冷镦头部模具及中间冷镦的模具。开式冷镦头部模具如图6-30所示。该模具的上下工作部分（上模4和下模6），均采用独立的预应力圈加强，下部顶料杆8兼有封闭挤压的作用。图6-31所示是半封闭式冷镦头部模具。它的上下两部分都是成形型腔，分别用独立的预应力圈加强，并利用自身结构进行导向。在毛坯的中间部位进行中间冷镦的模具，如图6-32所示。该模具采取双重卸料和顶杆结构，上下模具都镶有硬质合金，并利用特设的模圈导向套7进行导向。

图6-31 半封闭式冷镦头部模具

1—模板 2—垫块 3—芯杆 4、7—上、下压圈 5—上模 6—下模 8—支撑 9—顶料杆 10—垫圈 11—模座 12—顶杆

图6-32 冷镦中间部位的模具

1—打料杆 2—模柄 3—退料杆 4—圆形螺母 5—上模套 6—上模 7—导向套 8—下模 9—下垫块 10—顶料杆 11—顶杆座圈 12—下模板 13—顶杆