空心铝铆钉冷挤压工艺及其模具的研究
来源：佳工机电网作者：赵升吨 冯国明 刘华
一、引言
空心铝铆钉广泛应用于抽芯铆钉之上，近年来市场对这一产品的需求量日益剧增。国内某厂人员在国际市场上考察后发现，瑞士近年来推出的一种多功能抽芯铆钉在国际市场上很抢手，该产品技术含量高，生产难度大，但利润极高。加之，国内目前仍无此产品问世，因此该厂委托本文作者开发研制该产品，制订冷挤压工艺方案，进行模具设计、制造、调试及试生产。考虑到试生产造价问题，上述所有工作均围绕着小冲床进行。
二、空心铝铆钉冷挤压工艺方案的制订
图1为对国外的空心铝铆钉实测所得的零件图。由图可看出，该空心铝铆钉比一般的空心铝铆钉头部形状复杂且尺寸大。图1中宽度为7.5mm，高度为2.0mm的两平面是用来夹持铝铆钉使其旋转的，中间φ3mm的孔是用来安装抽芯零件的。该零件采用防锈铝LF5作为材料。
图1空心铝铆钉零件图
1.冷挤压毛坯类型的确定
因为铝铆钉为标准件，且为大批量生产，要求制造成本低，因此，所用原料的成本不能太高。而市场上空心小尺寸铝管材极少，故采用实心铝棒材作为冷挤压的原料。
2.试生产冷挤设备的选择
冷挤压所用的设备主要是冷镦自动机和机械压力机两种类型。
冷镦自动机广泛用于如螺栓、螺母、铆钉及销钉等标准件的大批量生产，其生产率很高，生产成本低，但设备投资太大，不太适应小批量生产，并且产品的尺寸精度不如机械压力机上冷挤压的产品尺寸精度高。同时，冷镦自动机不太适合带有复杂顶料机构的反挤压成形，因此，空心铝铆钉φ3mm的孔不易成形。
机械压力机特别是小吨位的机械压力机设备本身造价低，其上所用模具造价不高，调试方便。加之该产品又为试生产，市场销售情况不明，试制费用有限，因此决定采用小机械压力机作为开发研制的设备。
3.冷挤压件图的制定
经大量分析计算，得到如图2所示的冷挤压件图。空心铆钉头部中间的SR3的球窝在镦头时完成，SR3球窝有利于镦头时材料沿径向的流动，得到比不镦球窝更好的充填模具型腔的性能。因此，在进行空心铝铆钉镦头时，应同时将中心的SR3的球窝镦锻出来。
图2空心铆钉冷挤压件图
中间所留1.0mm的连皮，目的是为了避免镦头时难变形区也参与变形，导致冷挤力的剧烈增加。在冷挤压结束后，这部分连皮可用车削钻孔或在冲床上冲压切掉。
4.冷挤压工艺方案的制订
经大量分析计算，得到了如图3所示的冷挤压工艺方案，现对各道工序做一简单分析计算。
图3空心铝铆钉冷挤压工艺方案
(a)下料(b)反挤(c)镦头
为了能顺利将坯料放入模具孔之内，每道工序中毛坯和模具之间的间隙均取0.1mm。因为下料后还需反挤和镦头两道工序才能完成该件的冷挤压，因此，图3中下料工序中毛坯的直径应取为4.8mm，反挤后坯料的外径应取为4.9mm。而一般铝材厂没有外径为φ4.8mm的规格，因此，应通过在拉拔机上获得外径为φ4.8mm的铝材。
下好料的毛坯接着要进行退火软化，消除其内部的应力，降低其硬度。在该件的冷挤压中，作者发现LF5防锈铝的软化处理效果的好坏对以后的成形质量影响特别大。如果按文献［1］中推荐的在360°～400℃保温5h，然后炉冷的方法进行退火软化，软化效果不好，在最后一道镦头时，在φ10外径处有微裂纹存在，经对软化后的毛坯进行金相组织分析表明，材料内仍存在较多的织构组织。这是由于铝材本身的织构现象较严重，加之在下料前，又将φ5mm的线材拉拔到φ4.8mm，更使织构现象严重。经反复试验发现，需要将温度进一步提高到390～410℃，保温时间延长到6h，然后随炉冷却到室温，此时的金相组织表明，织构现象得到良好的改善，这样，在最后一道镦头时，再也没有发现φ10mm的外径处出现微裂纹。
经良好软化处理后的毛坯，采用文献［1］中推荐的润滑配方(猪油8%、汽缸油22%、石蜡油22%、十四醇3%、四氯化碳35%)进行润滑处理，取得了很好的效果。
图3b中反挤压的变形程度为ε反＝40%，而由文献［1］查得LF5的反挤许用变形程度为［ε］反＝90%～99%，因ε反＜［ε］反，故这一反挤工艺是可行的。
将反挤后的工件再进行润滑处理。由于反挤时底部高度为8.73mm，故在反挤时几乎没有发生塑性变形，因而未产生加工硬化现象。反挤后镦头又是仅对这部分未变形的材料进行的，所以反挤后不必再软化就可进行镦头。
镦头变形时的平均变形程度为ε镦＝71%，而外径为φ10mm高度为0.5mm处的变形程度最大，达ε镦＝76%。按文献［1］查得［ε］镦＝90%～99%，因此可顺利进行镦头变形，特别是中心SR3的球窝反挤，更提高了金属向四周流动充填型腔的能力。
经计算反挤时的力为7kN，镦头时的力为100kN，虽然此力很小，但工作行程及模具高度太大，故选用400kN的开式压力机作为成形设备。
三、延迟—急回顶出机构的研制
由于400kN小机械压力机工作台下方无顶出动力，因此，进行冷挤压时，应在模具上设计顶出机构，顶出动力依靠滑块向上的运动来提供。
1.顶出机构应满足的要求
冷挤带有内孔的零件时，首先在冷挤结束后应使反挤凸模从反挤孔中拔出，然后再将冷挤工件从凹模孔内顶出。通常在冷挤压时，机械压力机均采用单次操作规范，这样可保证在滑块停在上死点时有足够长的时间将坯料放入凹模孔内，这就要求顶料杆在将毛坯从凹模孔内顶出后，在滑块到达上死点前就应自动缩回到冷挤压开始时的下死点。因此，在顶出结束后而滑块到达上死点前的时间内，顶杆应急回到原位，即在顶料阶段之后，应存在顶杆急回阶段，如图4所示的曲柄转角α急回所包含的范围就是该阶段。图中的α延迟对应的是延迟顶出阶段，该阶段如前所述是指反挤凸模从反挤孔内拔出阶段，顶出杆不顶料，或镦头凸模从镦粗孔内拔出阶段。
图4冷挤压一个周期的组成
如果没有顶杆急回阶段，则在滑块处于上死点时，顶料杆和凹模内孔平面齐或高出凹模内孔平面，这样，在滑块停在上死点的较长时间内，操作工人无法将毛坯准确放到位，而只能在滑块向下空行程阶段(即图4中曲柄转角α空下范围内)，将坯料放入凹模孔内。因为一般小机械压力机的行程次数较高，因此α空下曲柄角对应的时间很短，加之冷挤压时毛坯和凹模孔的间隙只有0.1mm，这些都加大了准确放料入凹模孔内的难度，如果料没放准，则快速下行的滑块可能使坯料从模具平面内迸出对工人造成伤害，或倒在模具平面内使设备发生故障。
综上所述，在进行图3所示的两道冷挤压工序时，顶出过程应由延迟顶出阶段，顶料阶段和顶杆急回阶段3个阶段组成。模具上的顶出机构应具有上述3个明显的阶段。
2.新型延迟—急回顶出机构
文献［3，4］中提供的机械拉杆式联动顶出装置不存在顶杆急回阶段。而该文献中所述的凹轮式顶出装置由于在实际设计时静凹块要求固定在机身上，使模具本身不成为一个封闭系统，且该静凸块较难在机身上找到合适的固定位置，因此这里不便采用。而该文献中所述的带活动板的顶出装置由于存在活动板复位准确性差，可靠性低而不便采用。
图5新型延迟—急回顶出机构
当滑块冷挤结束越过下死点向上运动一段距离a时，反挤凸模完成了从反挤孔内拔出的要求，再向上运动(b－a)距离时结束了延迟顶出阶段。这样就要求图5中的b＞a。
当延迟顶出阶段结束后，上模通过左右拉杆8带动顶料横梁10，再通过滑板15、传力顶杆6、顶料杆5使冷挤件3向上运动一段距离hｏ完成顶料动作。顶料阶段上模板移动的距离一定要大于hｏ。
当顶料阶段结束，图5中的静楔块7和动楔块9相碰，迫使滑板15沿着顶料横梁10向左运动，当滑板10向左移动一段距离c时，滑板10中的长圆孔18和顶料横梁中心的孔17对齐，传力顶杆6及顶料杆5在自重的作用下落入该孔中，从而完成了顶杆急回的要求，再运动滑块停在上死点不动。
由于使用的设备为J23-40型压力机，该设备工作台下方无顶出动力。所以图5所示的模具放在工作垫板之上。图6为顶出机构布置图。下模板依靠前、后支承块支承，顶料横梁处于两支承块之间，在两空档之间上、下运动。由于该铝件变形抗力小，所以不会造成下模板较大的变形。
图6顶料装置布置图
采用了图5所示的模具，成功地进行了该铝铆钉的冷挤压成形。
四、结论
(1)在镦头的同时，伴随着中心孔的反挤成形，有利于提高变形材料充填模具的能力。
(2)对该空心铝铆钉，可采取下料、反挤和镦头的冷挤压工艺方案。
(3)进行铝制品的冷挤压时，应对坯料进行良好的软化退火，特别是要尽量减少织构组织对冷挤压变形的影响。
(4)在小吨位机械压力机上进行冷挤压时，模具上应设置可产生较大顶出力的机构。并且顶料力的动力来自于滑块的向上运动，模具顶出机构应尽可能布置在工作垫板上方，尽量避免在压力机工作垫板和工作台板上打孔，模具上所有零件应自成为一封闭系统。
(5)通常的轴类零件的顶出过程应由延迟顶出阶段、顶料阶段、顶杆急回阶段组成。
(6)本文所提出的弹簧—滑板—楔块式顶出机构顶出过程由延迟顶出、顶料及顶杆急回3个阶段组成，工作可靠，结构简单，很适合工作台下方无顶出动力的压力机上进行冷挤压件顶出之用。