(中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南250022）

0 引言

目前鐵路貨車專用拉鉚釘被廣泛應(yīng)用于鐵路貨車連接，從C70貨車的側(cè)柱、側(cè)墻、制動(dòng)梁、腳蹬等部位到鋁80敞車，幾乎全部用拉鉚釘連接，鉚釘連接解決了螺栓連接可靠性低，交變載荷下容易松動(dòng)、脫落等問(wèn)題。鐵路貨車專用拉鉚釘已逐步成為鐵路貨車最主要的緊固連接方式，但冷鐓工藝在我國(guó)應(yīng)用較晚，拉鉚釘進(jìn)口成本過(guò)高，市場(chǎng)供不應(yīng)求，從而促進(jìn)了冷鐓行業(yè)的迅速發(fā)展。

鉚釘按類型分為L(zhǎng)MY型——圓頭鉚釘、LMP型——平頭鉚釘、LMC型——沉頭鉚釘、LMB型——單面連接鉚釘四種型式，見(jiàn)圖1。其中鐵路貨車比較常用且用量較多的為L(zhǎng)MY型鉚釘。

下面以LMY-T16-12G（16代表鉚釘?shù)闹睆揭?guī)格，12代表標(biāo)記鉚接厚度）類型鉚釘為例進(jìn)行冷鐓工藝分析。

1 毛坯尺寸的確定

根據(jù)鉚釘成品尺寸，環(huán)槽部分取中徑來(lái)確定毛坯的外徑尺寸。毛坯圖見(jiàn)圖2。

圖1

根據(jù)運(yùn)裝貨車【2007】163號(hào)文件的規(guī)定，鉚釘材料應(yīng)符合GB/T 3077的規(guī)定，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似產(chǎn)品的選材參照，材料選45Mn2,規(guī)格根據(jù)毛坯光桿部位最大外徑和原材料供貨的參數(shù)規(guī)格確定為直徑

圖2

d=15.7 mm

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算鉚釘毛坯體積V1為

根據(jù)冷擠壓金屬流動(dòng)的體積不變定律，可知成型頭部的原材料坯料長(zhǎng)度和成型桿部原材料坯料長(zhǎng)度分別為

l頭=4V頭/（πd2）=21.44 mm

l桿=4V桿/（πd2）=85.51 mm

2 變形程度的計(jì)算

冷鐓的變形包含著鐓粗與擠壓兩方面的變形。鐓粗時(shí)軸向變形程度用鐓粗率表示，擠壓時(shí)的徑向變形程度用斷面收縮率表示。

頭部鐓粗率為

式中 h0——鐓粗前毛坯原始高度

H——鐓粗后工件高度

低碳鋼冷鐓材料的鐓粗率上限一般在50%～65%之間，本文中頭部鐓粗率取53.45%。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，這里頭部成型采用兩次成型。

桿部的斷面收縮率

式中 F0——冷鐓變形前毛坯的橫截面積

F1——冷鐓變形后毛坯的橫截面積

桿部需要兩次擠壓變形，兩次變形的端面收縮率分別為

通過(guò)查詢標(biāo)準(zhǔn)可知，45Mn2 原材料的斷面收縮率≥45%，桿部的變形程度遠(yuǎn)小于材料許用的變形程度。

3 冷鐓力的計(jì)算

鉚釘?shù)睦溏厡儆谡龜D壓（金屬被擠出的方向與加壓方向相同）。

正擠壓實(shí)心件單位擠壓力計(jì)算公式

式中 p——單位擠壓力，MPa

Kf——被擠壓材料的變形抗力，MPa

d0——毛坯直徑

d1——擠壓后直徑

h1——凹模工作帶高度

μ——摩擦系數(shù)

有潤(rùn)滑時(shí)，可取μ=0.1

擠壓力 P=p×πd02/4

上述為理論公式計(jì)算法，由于計(jì)算方法復(fù)雜，準(zhǔn)確度又差，因此很少使用。下面有一種較為方便且有相當(dāng)準(zhǔn)確性的經(jīng)驗(yàn)公式

式中 P——總擠壓力，N

p——單位擠壓力，MPa

Z——模具的形狀系數(shù)

n——擠壓方式及變形程度修正系數(shù)

σb——擠壓前材料的抗拉強(qiáng)度，MPa

F——凸模工作部分橫截面積，mm

查詢相關(guān)手冊(cè)，頭部成型

取Z=1.2、n=4.17、σb=885、F1=πD2/4=572.3，計(jì)算可得P=2534.5 kN。

桿部成型分兩步

取Z1=0.7、n1=1.57、σb=885、F1=πD12/4=198.0，計(jì)算可得P1=192.6 kN。

取Z2=0.7、n2=1.45、σb=885、F2=πD22/4=171.5，計(jì)算可得P2=154.1 kN。

因?yàn)槔溏厵C(jī)連續(xù)工作時(shí)各個(gè)工步同時(shí)受力，所以設(shè)備需要總的鐓鍛力為P總=P+P1+P2=2881.2 kN，約為294 t。

4 工藝圖的制定

根據(jù)上述計(jì)算，設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了鉚釘?shù)睦溏吂に噲D，見(jiàn)圖3。

圖3

5 冷鐓工藝主要模具設(shè)計(jì)

5.1 送料輪的設(shè)計(jì)

圖4中，R=Rmax+（0.05～0.15）mm，Rmax為原材料的最大直徑，mm

R的尺寸過(guò)小，會(huì)在材料表面壓印上四道痕跡，R 尺寸過(guò)大，會(huì)把原材料壓扁。都會(huì)直接影響產(chǎn)品成型和質(zhì)量。

圖4

5.2 切料模具設(shè)計(jì)

圖5、圖6中，剪模內(nèi)孔尺寸d模=dmax+(0.05～0.1)mm，為了方便原材料通過(guò)，剪模進(jìn)口端一般采用喇叭口形狀。

剪刀內(nèi)孔尺寸d刀取值和d模一致或稍大0.05 mm 左右。為了方便剪刀和剪模的配合，剪刀的端面有時(shí)會(huì)采取5°左右的弧度。

5.3 第一沖模具設(shè)計(jì)

第一沖模具，主要是鉚釘頭部的預(yù)成型，見(jiàn)圖7、圖8沖具?？诔叽缫话闳口=（1.25～1.5）d料mm，沖具仁底部直徑尺寸d底≈d料。第一模的頭部預(yù)成型好壞直接決定第二模的頭部成型的好壞，原則上為了延長(zhǎng)模具使用壽命，其變形與第二模變形程度相近為好。

5.4 第二沖模具設(shè)計(jì)

圖5 剪刀

圖6 剪模

第二模為鉚釘頭部的終成型。根據(jù)鉚釘頭部的尺寸，制作第二沖具仁，同時(shí)桿部底部成50°倒角，桿部直徑微漲，見(jiàn)圖9、圖10。

圖7 一模前仁

5.5 第三、四沖模具設(shè)計(jì)

圖8 一沖前仁和模殼組合圖

第三、四沖模具（見(jiàn)圖11、圖12、圖13）主要達(dá)到兩次桿部縮頸，模具結(jié)構(gòu)一致，尺寸不同，沖具相同。沖具采用平壓的方式，縮頸帶的導(dǎo)入角度由產(chǎn)品毛坯尺寸決定（如果產(chǎn)品毛坯無(wú)要求，取值在44°～66°之間，擠壓力最?。s頸帶的長(zhǎng)度一般取值為1～2 mm，長(zhǎng)度過(guò)短，會(huì)降低模具使用壽命，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致縮頸時(shí)阻力增大，成型難度變大，表面粗糙度降低。

6 影響模具使用壽命的因素和產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)

為了降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，增加冷鐓模具使用壽命，需要考慮影響模具使用壽命的因素，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

模具所承受的擠壓力的大小直接決定著模具壽命的長(zhǎng)短。下面討論影響冷擠壓壓力和產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。

6.1 變形金屬的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能

圖9 第二沖具仁

試驗(yàn)表明，含碳量越高，冷鐓時(shí)擠壓力越大，冷鐓性能越差，選用冷鐓材料應(yīng)優(yōu)先選擇低碳鋼。金屬的內(nèi)部組織越均勻，晶粒度越均勻（晶粒平均直徑在0.02～0.06 mm之間），成型后產(chǎn)品出現(xiàn)裂痕的概率越小。原材料表面質(zhì)量與潤(rùn)滑情況對(duì)最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量也會(huì)有直接影響。

6.2 冷鐓擠壓方式

復(fù)合擠壓壓力＜正擠壓壓力＜反擠壓壓力

6.3 金屬變形程度

圖10 第二模具仁

圖11 第三模具仁

圖12 第四模具仁

圖13 第三、四沖具仁，MPa

在其他條件相同的情況下，冷擠壓的變形程度越大，擠壓的變形抗力就越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起凸模、凹模的破裂。

6.4 摩擦條件

擠壓的變形過(guò)程是在工件與模具的表面之間存在外摩擦的情況下進(jìn)行的。外摩擦對(duì)變形后金屬組織的不均勻性、對(duì)工件的表面狀態(tài)和質(zhì)量都有很明顯的影響，變形功消耗增加，擠壓力上升。所以，一般原材料表面都會(huì)采取適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑措施，如磷化。

7 產(chǎn)品成型出現(xiàn)問(wèn)題的原因和解決方案

產(chǎn)品成型出現(xiàn)問(wèn)題的原因及解決方案見(jiàn)表1。

表1

8 總結(jié)

作為緊固件，鉚釘產(chǎn)品在鐵路貨車行業(yè)已經(jīng)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，其加工質(zhì)量與行車安全緊密相關(guān)。本文主要分析了鉚釘產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、模具設(shè)計(jì)制作、模具優(yōu)化，介紹了常見(jiàn)問(wèn)題的處理辦法，力求降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。目前，此工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，相信隨著生產(chǎn)裝備的改進(jìn)，生產(chǎn)技術(shù)的提高，原材料生產(chǎn)工藝的改善，冷鐓產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝也會(huì)隨之優(yōu)化。

由于條件和時(shí)間的限制，文中對(duì)冷鐓工藝的分析還有很多欠缺之處，如金屬流動(dòng)規(guī)律的研究以及其對(duì)冷鐓的影響，冷鐓過(guò)程中毛坯件溫度上升對(duì)冷鐓力的影響，加工硬化的影響等等，有待進(jìn)一步研究。