2 塑性的评定方法

塑性的好坏通过伸长率、断面收缩率、屈服极限来表示。

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：

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)镦粗试验又称压扁试验

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：

式中Ho——圆柱形试样的原始高度。Hk——试样在压扁中，在侧表面出现第1条肉眼可见裂纹时的试样高度。

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。

3 影响金属塑性及变形抗力主要因素

金属的塑性及变形抗力的概念：金属的塑性可理解为在外力作用下，金属能稳定地改变自己的形状而质点间的联系又不被破坏的能力。并将金属在变形时反作用于施加外力的工模具的力称为变形抗力。

影响金属塑性及变形抗力的主要因素包括以下几个方面：

a．金属组织及化学成分对塑性及变形抗力的影响

金属组织决定于组成金属的化学成分，其主要元素的晶格类别，杂质的性质、数量及分布情况。组成元素越少，塑性越好。

例如纯铁具有很高的塑性。

碳在铁中呈固熔体也具有很好的塑性，而呈化合物，则塑性就降低。

如化合物Fe3C实际上是很脆的。一般在钢中其他元素成分的增加也会降低钢的塑性。

钢中随含碳量的增加，则钢的抗力指标（бb、бp、бs等）均增高，而塑性指标（ε、ψ等）均降低。在冷变形时，钢中含碳量每增加0.1%，其强度极限бs大约增加6～8kg/mm2。

硫在钢中以硫化铁、硫化锰存在。硫化铁具有脆性，硫化锰在压力加工过程中变成丝状得到拉长，因而使在与纤维垂直的横向上的机械指数降低。所以硫在钢中是有害的杂质，含量愈少愈好。

磷在钢中使变形抗力提高，塑性降低。含磷高于0.1%～0.2%的钢具有冷脆性。一般钢的含磷量控制在百分之零点零几。其他如低熔点杂质在金属基体的分布状态对塑性有很大影响。

总之，钢中的化学成分愈复杂，含量愈多，则对钢的抗力及塑性的影响也就愈大。这正说明某些高合金钢难于进行冷镦（压）加工的原因。

b．变形速度对塑性及变形抗力的影响

变形速度是单位时间内的相对位移体积：

不应将变形速度与变形工具的运动速度混为一谈，也应将变形速度与变形体中质点的移动速度在概念上区别开来。

一般说来，随着变形速度增加，变形抗力增加，塑性降低。

冷变形时，变形速度的影响不如热变形时显著，这是由于无硬化消除的过程。

但当变形速度特别大时，塑性变形产生的热（即热效应）不得失散本身温度升高会提高塑性、减少变形抗力。

c．应力状态对塑性及变形抗力的影响

在外力作用下，金属内部产生内力，其单位面积之强度称之为应力。受力金属处于应力状态下。

从变形体内分离出一个微小基元正方体，在所取的正方体上，作用有未知大小但已知方向的应力，把这种表示点上主应力个数及其符号的简图叫主应力图。

表示金属受力状态的主应力图共有九种，其中四个为三向主应力图，三个为平面主应力图，两个为单向主应力图，如图36-1所示。

主应力由拉应力引起的为正号，主应力由压应力引起的为负号。

在金属压力加工中，最常遇到的是同号及异号的三向主应力图。在异号三向主应力图中，又以具有两个压应力和一个拉应力的主应力图为最普遍。

同号的三向压应力图中，各方向的压应力均相等时（б1=б2=б3），并且，金属内部没有疏松及其它缺陷的条件下，理论上是不可产生塑性变形的，只有弹性变形产生。

不等的三向压应力图包括的变形工艺有：体积模锻、镦粗、闭式冲孔、正反挤压、板材及型材轧制等。

在生产实际中很少迂到三向拉伸应力图，仅在拉伸试验中，当产生缩颈时，在缩颈处的应力线，是三向拉伸的主应力图，如图36-2所示。

在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图36-3所示。

总之，受力金属的应力状态中，压应力有利于塑性的增加，拉应力将降低金属的塑性。

在镦粗时，由于摩擦的作用，也呈现出三向压应力图，如图36-3所示。

总之，受力金属的应力状态中，压应力有利于塑性的增加，拉应力将降低金属的塑性。

d．冷变形硬化对金属塑性及变形抗力的影响

金属经过冷塑性变形，引起金属的机械性能、物理性能及化学性能的改变。

随着变形程度的增加，所有的强度指标（弹性极限、比例极限、流动极限及强度极限）都有所提高，硬度亦有所提高；塑性指标（伸长率、断面收缩率及冲击韧性）则有所降低；电阻增加；抗腐蚀性及导热性能降低，并改变了金属的磁性等等，在塑性变形中，金属的这些性质变化的总和称作冷变形硬化，简称硬化。

e．附加应力及残余应力的影响

在变形金属中应力分布是不均匀的，在应力分布较多的地方希望获得较大的变形，在应力分布较少的地方希望获得较小的变形。

由于承受变形金属本身的完整性，就在其内部产生相互平衡的内力，即所谓附加应力。当变形终止后，这些彼此平衡的应力便存在变形体内部，构成残余应力，影响以后变形工序中变形金属的塑性和变形抗力。

4 提高金属塑性及降低变形抗力的措施

针对影响金属塑性及变形抗力的主要因素，结合生产实际，采取有效的工艺措施，是完全可以提高金属塑性及降低其变形抗力的，生产中，常采取的工艺措施有：

a．坯料状况

冷镦用原材料，除了要求化学成份、组织均匀，不要有金属夹杂等以外，一般要对原材料进行软化退火处理，目的在于消除金属轧制时残留在金属内部的残余应力，使组织均匀，降低硬度，要求冷镦前金属的硬度HRB≤80。

对中碳钢，合金钢一般采取球化退火，目的是除消除应力、使组织均匀外，还可改善金属的冷变形塑性。

b．提高模具光滑度及改善金属表面润滑条件

这两项措施都是为了降低变形体与模具工作表面的摩擦力，尽可能降低变形中由于摩擦而产生的拉应力。

c．选择合适的变形规范

在冷镦（挤）工艺中，一次就镦击成形的产品很少，一般都要经过两次及两次以上的镦击。

因此必须做到每次变形量的合理分配，这不仅有利于充分利用金属的冷变形塑性，也有利于金属的成形。

如生产中采用冷镦、冷挤复合成形、螺栓的两次缩径、螺母的大料小变形等。

金属塑性变形的基本规律

1 最小阻力定律

金属在变形中，变形体的质点有向各方向移动的可能，变形体质点的移动是沿其最小阻力方向移动，称为最小阻力定律。

在六角头螺栓多工位冷镦中，第二工位精镦时，金属向上、下模开口处流动并形成飞边是最小阻力定律起作用的体现。

图36-4表明坯件在模具中镦锻时，它在充满上、下模腔的同时还向上、下模构成的间隙向四周流，只有当往飞边流动的阻力大于在模腔其它部分的阻力时，金属充满模腔才有可能。

在上模向下运动中，飞边上金属流动阻力随飞边厚度的减小而增加，这时才能保证最后充满上、下模腔。

2 体积不变定律

金属塑性变形中，其密度改变极为微小，可以忽略。塑性变形的物体之体积保持不变，金属坯件在塑性变形以前的体积等于变形后的体积。

体积不变定律是根据产品形状尺寸、计算出体积，据此再确定所需坯件的具体尺寸。

最小阻力定律则是金属变形次数如何确定，每次变形量如何分配、工模具结构形状确定的设计最主要的依据。

3 变形中影响金属流动的主要因素

a．摩擦的影响

在变形中模具和坯件间的接触面上不可避免的有摩擦力存在，由于摩擦力的作用，改变了金属流动的特征。

如图36-5所示，在平板间镦粗矩形坏料时，由于摩擦力的作用，使各向阻力不同，变形中，断面不能继续保持矩形。

按最小阻力定律，它会逐渐趋于圆形。若无摩擦力作用，则坯件处于理想的均匀变形状态，变形前后在几何形状上仍然相似。

当无摩擦时，环形件在高度上被压缩，根据体积不变条件，不论是外层还是内层，金属的直径都有所增加，即所有金属都沿径向辐射状向外流动。由于有摩擦的存在，流动受到阻碍。

越接近内层金属向外流动的阻力越大，比向内流动时还要大，因而改变了流动的方向，如图所示，在环形件中出现了流动的分界面（dN）。

b．工模具形状的影响

由于工模具形状不同，所施加给坯件的作用力，以及模具与坯件接触的摩擦力也不一样，引致金属在各方向流动阻力的差异，从而金属在各方向流动体积的分配也有所差异。

c．金属本身性质不均的影响

金属本身的性质不均，反映出金属成份的不均、组织不均、以及在变形中内部温度的不均等。

这些性质的不均匀性，在金属内部出现互相平衡的附加应力，由于内力的存在，使金属在各自流动的阻力有所差异，变形首先发生在阻力最小的部分。

二、金属冷镦（挤）工艺

冷镦（挤）工艺基本概念

1 冷镦、冷压

在室温状态下，将坯料置于自动冷镦机或压力机的模具中，对模具施加压力，利用上、下模的相对运动，使坯件在模腔里变形，高度缩小，横截面增加，这样的压力加工方法，对自动冷镦机而言叫冷镦，对压力机而言叫冷压。

实际生产中，紧固件冷成型工艺，在冷镦的过程中，常常伴随有挤压的方式。因此，单就紧固件产品的冷镦工艺，实际是既有冷镦，也有挤压的一种复合工艺的加工方法。

2 冷镦（挤）的变形方式

a．冲裁 使坯件的一部分与主体分割开。如线材的切断、螺母的冲孔、六角头螺栓的头部切边等。

b．镦粗 使坯件高度缩短、横截面增加的加工方法，如螺母的镦球、螺栓头部成型的预镦、精镦等。

c．正挤压 坯件在冷镦压中，坯件在下模中变形时，金属的流动方向与上模的运动方向一致。冷镦螺栓、圆柱头内六角螺钉中的粗杆缩径就是一种正挤压。

d．反挤压 坯件在变形中，金属的流动方向与上模的运动方向相反。圆柱头内六角螺钉头部成形就属反挤压。

e．复合挤压坯件在变形中金属的流动方向一部分与上模的运动方向相同，一部分又相反。

即变形中既存在正挤压，也存在反挤压。如圆柱头内六角螺钉在同一工位变形中既有杆部缩径（正挤压）又有头部成型（反挤压）。

3 冷镦（挤）变形程度

a．变形程度

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。

b．变形程度的表示方法

第一种方法用镦锻比(S)，如图36-7所示。

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。如图36-8所示。

第二种方法用镦锻率（ε）

即：

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

c．许用变形程度

当冷镦变形程度超过金属本身的变形限度时，变形的工件侧面会出现裂纹，而造成不良品，其模具使用强度也会受到影响，降低使用寿命，严重时可使模具开裂而损坏。

金属的许用变形程度与金属本身的塑性有关,塑性好的金属,许用变形程度要高于塑性较差的金属。碳钢含碳量愈高，它的塑性愈低，许用变形程度也会愈小。

在生产中，对于塑性较差的金属，如中碳钢、合金钢的冷镦常采取对钢材进行退火软化处理、增加模具的强韧性、金属表面润滑等，目的就在于使金属的许用变形程度得到提高。

表36-1列出了部分钢材的许用变形程度

4 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：

a．镦锻比

即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，如图36-9所示。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：

b．考虑工件头部直径D与高度H的比值。

如图36-10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h0/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。

c．考虑工件的表面粗糙度要求及外部几何形状的复杂程度

如半圆头、圆柱头等形状的机螺钉，虽然头部所需坯料的ho/do值一般都小于2.5，但为了头部在变形中能充满，达到标准要求，一般都采用两次镦击。预镦锥形头部为精镦头部成形创造良好的金属流动条件。

又如用大直径小变形的线材镦制螺母，采用线材直径为0.9s（s为六角螺母对边尺寸），一般产品的变形程度为25%左右，但由于六角螺母形状比较复杂，镦制中变形方式较多，它既有冷镦又有复合挤压和冲孔，为了有利于变形中金属流动，因此选用3～4次镦击成形。

图 36-10

值得强调的，不是对所有形状比较复杂的产品都靠增加镦锻次数来解决。往往有的产品，镦锻次数增加了，在第一次、第二次镦锻中很容易成型，但由于冷作硬化的原因，使产品在以后的镦锻中难以进行。表现在工件在镦锻中出现开裂或者损坏模具。

解决这类问题的关键在于减少变形量，增加钢材的塑性，采取更加有效的润滑。螺栓、螺钉在冷镦工艺中选用大直径线材、小变形工艺。一般线材直径与螺钉螺纹直径D相接近，用一次或两次杆部缩径达到螺坯尺寸。

对中碳钢、合金钢而言，在材料改制中用球化退火来改善钢材的冷镦塑性，用磷化、皂化处理来保证钢材的表面润滑，使之变形中尽可能减少摩擦。另外在模具上增加强韧性，使它承受复杂的变形中有刚性，又有足够的韧性和耐磨性。

5 冷镦工艺中力的计算方法

冷镦力是确定工艺参数、设计模具、设计冷镦机和专用设备选型的主要依据。

决定冷镦力大小的因素较多，主要有以下几个方面：

a．金属的机械性能

冷镦力随材料强度、硬度的增加而增加。

b．工件形状、变形程度

冷镦力随工件变形量的增加而增加。

c．摩擦

由于模具和工件间的接触面有摩擦力，不同程度地改变了作用力的方向和大小，从而产生对冷镦力的影响。

d．工模具形状

工模具形状的不同，造成金属在各方向流动阻力的差异，从而影响冷镦力。

6 冷镦力的计算方法

常用的冷镦力的计算公式有：

a．经验公式

P=Kбt·F（公斤）（公式36-8）

式中

F——工件镦锻终止时的投影面积（mm ²）

K——头部形状复杂系数，按图36-11选择。

对六角头螺栓一般选K=2.0～2.4

бt——考虑冷作硬化后的变形阻力，可由下式计算：

бt （kg/mm ²）(公式36-9)

式中 бb——钢材抗拉强度极限（kg/mm ²）

Fo——镦锻前坯料断面积（mm ²）

b．近似理论推导的计算公式

在考虑影响冷镦力大小的主要因素的基础上，并根据经验进行修正，得出如下的冷镦力计算公式：

式中

d——镦锻后工件头部最大直径（mm）

h——镦锻后工件头部高度（mm）

F——工件头部投影面积（mm ²）

Z——变形系数

n——工具形状系数

α——工件变形部分形状系数

μ——摩擦系数

Z、n、α、μ可按表36-2选取

表36--2 冷镦力计算系数

就计算的精确度而言，第二个公式比第一个公式计算结果要精确一些，但计算不如经验公式简单，一般常采用经验公式计算，最后预以修正。

7 辅助工艺力的计算方法

1．剪切力的计算

冷镦过程中，坯料的切断、头部切边、螺母冲孔等，都是使一部分材料从基体中冲、切开来。影响剪切力大小的主要因素有钢材机械性能、剪切面面积。

其它如上、下切刀板的间隙、切刀刃口的锋利程度等对剪切也发生影响，但计算中忽略不计。实际生产中，由于刀板刃口的磨损、刀板间间隙大小，都会引致剪切力增加。

a．毛坯切断力的计算

P剪=F·τ（N）（公式36-11）

式中 F——坯料剪切面面积（mm ²）

τ——钢材抗剪强度

表36-3列出了常用钢材的抗剪强度。

表36-3 常用材料剪切加工一般所采用的间隙和τ值

b．切边力的计算公式

P切=LHτ（N）（公式36-12）

式中

L——切边周长（mm）

H——切边高度（mm）

c．螺母冲孔力的计算公式

式中：

d——冲孔直径（mm）

h——冲孔连皮厚度（mm）

（注：冲孔连皮是指螺母坯料冲孔时，需要冲出的铁豆厚度，它小于螺母的高度。）

2．缩径力的计算

冷镦螺栓一般都采用粗径线材缩径工艺，即将大于螺纹外径的线材，经过一次或两次缩径，达到搓制螺纹坯料的尺寸。就缩径而言，实际是一个正挤压，可应用正挤压实心件的计算公式：

P=p·F（N）（公式36-14）

式中：

P——单位挤压力（N/mm ²）

F——缩径前杆部截面积（mm ²）

P可根据含碳量不同，变形程度ε不超过30%时，可取P=600～900N/mm²。

8 顶料力

螺栓在冷镦成形中的预镦、精镦、缩径、切边，螺母在镦球、压型等过程中，都需要将所镦锻的坯件从凹模中推出，需要一定的顶料力。

影响顶料力大小的主要因素有：钢材种类、工件轮廓形状、尺寸大小、模腔接触表面的粗糙度、润滑等。

在正常情况下，一般顶料力不大，当工件与凹模接触面产生“粘滞”，摩擦力将大大增加，还有螺母球在凹模中产生重料（两个螺母球坯），顶料力就会成倍增加，严重时还会损坏模具，影响机器运转。

所以自动冷镦机的顶料机构一般都有与主机联锁的保险装置，一旦顶料出现故障，能自动停车。顶料力的计算主要用于校核顶料机械中顶料杆、顶料凸轮的强度。

a 凹模顶料力

PT=бt·F（N）（公式36-15）

式中бt——单位面积上的顶料力。经验数据бt=500～600N/mm2

F——冷镦工件杆部断面积mm2，冷镦螺母取相应的坯件的投影面积mm2

b 切边顶料力

PT=P·Kt（N）（公式36-16）

式中P——切边力（N）

Kt——系数

头部高度