Transcript 冷镦基础知

冷镦（挤压）成型工艺
主讲人：程从志
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紧固件成型工艺中，冷镦（挤）技术是一种主要加工工艺。冷镦（挤）
属于金属压力加工范畴。在生产中，在常温状态下，对金属施加外力，
使金属在预定的模具内成形，这种方法通常叫冷镦。实际上，任何紧
固件的成形，不单是冷镦一种变形方式能实现的，它在冷镦过程中，
除了镦粗变形外，还伴随有正、反挤压、复合挤压、冲切、辗压等多
种变形方式。因此，生产中对冷镦的叫法，只是一种习惯性叫法，更
确切地说，应该叫做冷镦（挤）。冷镦（挤）的优点很多，它适用于
紧固件的大批量生产。它的主要优点概括为以下几个方面：
a．钢材利用率高。冷镦（挤）是一种少、无切削加工方法，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（挤）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。
b．生产率高。与通用的切削加工相比，冷镦（挤）成型效率要高出
几十倍以上。
c．机械性能好。冷镦（挤）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。
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d．适于自动化生产。适宜冷镦（挤）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。
总之，冷镦（挤）方法加工紧固件、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、研制出科学合理的紧固
件冷镦（挤）加工工艺，是本章的目的和宗旨所在。
1
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金属变形的基本概念
1.1 变形
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。
1.1.1 变形的种类
a.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。
b.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。
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1.1.2 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：
Lk  Lo

 100% （公式36-1）
Lo
Fo  Fk

 100% （公式36-2）
Fo
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。
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(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：
Ho  Hk
c 
 100%（公式36-3）
Ho
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。
(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。

1.1.3 影响金属塑性及变形抗力的主要因素

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6～8 kg/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：

d （公式36-4）
W 
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
dt

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。

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。
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
1.1.4 提高金属塑性及降低变形抗力的工艺措施
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。

1.2 金属塑性变形的基本规律
1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 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。

图36-6为环形坯件的镦粗示意图。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。
2




金属冷镦（挤）工艺
2.1 冷镦（挤）工艺基本概念
2.1.1 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。







2.1.2 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）。

2.1.3 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。
h
S o
即：
（公式36-5）
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。如图36-8所示。





第二种方法用镦锻率（ε）
即：
h h
F  Fo
 o
 100%
 100%（公式36-7）
（公式36-6） 
ho
F
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。
ε%
钢 材 牌 号
ε%
30
T10、T12
70～75 15Cr、Y12
35～50
50、60Mn、40CrNiMo
75～80 30、35、40Cr
55～60
40、45、30MnSi、
GCr15
80～90 10（0.03%Si）、10F、
15
65～70
20（0.17～0.37%Si）
钢 材 牌 号




2.1.4 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：

当




ho
≤2.5时，可一次镦锻；
do
ho
当2.5<
≤4.5时，镦锻两次；
do
h
当4.5< o ≤6.5时，镦锻三次。
do
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。

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。









2.1.5 冷镦工艺中力的计算方法
2.1.5.1 冷镦力
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。







2.1.5.2 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（mm2）
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：
F
бt   b ln
（kg/mm2）
(公式36-9)
Fo


式中 бb——钢材抗拉强度极限（kg/mm2）
Fo——镦锻前坯料断面积（mm2）
d 

P  Z  n   b 1    F N 
4h 







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：
d 

P  Z  n   b 1    F N 
（公式36-10）
4h 

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（mm2）





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
бb(N/mm2)
Z变形系数
n工具形状系数
α冷镦部分形状系数
μ摩擦系数
牌号
数值
工序
形状
系数
凹陷
棱角
系数
条件
系数
面
润滑
10
340
预
简单
1.0～2
无
无
1.0
圆柱形
1.3
研磨
20
420
精
简单
1.2～1.5
有
无
1.75～2.0
正方形
六角形
2.0
研磨
25
460
精
复杂
1.5～1.8
有
有
2.5
矩形
2.5
精加工
0.15～0.2
30
500
非对称形
复杂形
2.5～3.0
粗加工
0.20～0.30
石
墨
无
系数
0.05～0.10
0.1～0.15









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。
2.1.5.3 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（mm2）
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
抗剪强度τ（N/mm2）
间隙（%）
材料
材料
软钢
硬钢
6～9t
8～12t
硅钢
不锈
钢
硬
软
黄铜
抗剪强度
τ
220～300
6～10t
550～900
硬
450～560
软
5～8t
70～110
硬
6～10t
130～180
350～400
铝
7～11t
420～560
软
铜
320～400
间隙
（%）
材料
180～220
6～10t
250～300
注：t——坯料截面（剪切面）厚度,mm
铝合
金
软
硬
220
6～10t
380





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
P冲  Tdh( N )...........(公式8 1 13)








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/mm2）
F——缩径前杆部截面积（mm2）








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。
2.1.5.4 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<5，Kt=0.1～0.12
头部高度≥5，Kt=0.12～0.15
2.2 冷镦工艺中工序、工位变形形状的分析

紧固件产品的冷镦（压），由压力机、自动冷镦机来完成。分序冷压、
单工位、多工位冷镦中，上序或上工位镦（压）的半成品形状，直接
影响着下序或下一工位的成形。因此,在合理分配变形比的基础上如
何确定正确的变形形状，对以后的变形以及产品质量都有着直接关系。

2.2.1 杆状紧固件的冷镦（压）工艺

杆状紧固件冷镦（压）加工，应考虑各工序（工位）的有关参数。主
要参数有镦锻比， Lo、do分别为毛坯镦锻部分的原始长度和原始直
径;D、H分别表示镦锻后工件的直径和高度，参见图36-7。

Lo/do是衡量毛坯镦粗变形的纵向稳定性，即毛坯镦粗部分在镦粗时
的抗纵向弯曲能力。 Lo/do的值越小，越有利于头部的镦锻成形；
Lo/do的值过大时，毛坯镦锻部分产生纵向弯曲。影响坯件镦粗变形
的纵向稳定性除Lo/do的值以外，还有其他因素。无论是自动冷镦机，
还是切料机，无论是刀板切料，还是套筒刀切料，坯件的切断面都不
能与其轴心线垂直，应有一个1°～5°角的倾斜。这样在冷镦（压）
时，初冲对坯件的着力点不在中心，而会出现偏心，使坯件受力不均，
从而产生变形不均，导致头部成形时因纵向弯曲而出现折迭。对于切
断面倾斜角小的，变形中产生的纵向弯曲不明显，不至于达到影响头
部质量的程度。在冷镦（压）工艺中，在切断以后，安排一个坯件整
形，其主要目的就在于此。

此外，初冲型腔的底端是对坯件施加镦锻力的传递面，如果中心偏移，
合力的作用中心势必产生偏移，同样道理，也是影响产生纵向弯曲的
因素。在初冲中采取带弹簧的顶杆（参见图36-13），就可缓解这种
影响。其它如机床的运行精度、操作者对工装安装调整水平也对初冲
成形有影响。

为了使初冲变形中，改变坯件的稳定性，尤其对于低碳钢这类切断性
较差的钢种，为了增加坯件在变形中的稳定性，在初冲小端工作型腔
中除了锥形外，还要有高为1.5～2mm的圆柱形型腔,如图36-12所示。

据经验，当Lo/do ≤2.3时，只需要一次镦锻就可成形，不会出现纵向
弯曲，当Lo/do ≤4.5时，要经过两次镦锻完成头部成形；当Lo/do ≤8
时，则要通过三次镦锻完成头部成形。总之， Lo/do的值愈大，需要
镦锻的次数愈多。对于中碳钢、合金钢而言，由于镦锻带给的冷作硬
化，使以后的变形工序难以进行，这时需要将连续冷镦（压）改成分
序冷压，在工序间的半成品经过软化退火处理，使半序品硬度降低，
并去除工序变形中产生的内应力。

D/H的比值愈大，镦锻成形难度就愈大。实际上，可将表示D、H的
产品变形终了尺寸算成体积，再算出所需毛坯的长度Lo和直径do ，
用Lo/do的值来确定镦锻次数。

(1) 六角头螺栓头部初镦形状的确定

初镦的形状确定合理，将有利于金属在型腔里的流动，使金属纤维流
动不紊乱，有利于下一工位的变形。

初镦的形状为锥形，初镦锥形模腔有两种形式，一为不带弹簧顶杆
（针），一为带弹簧顶杆（针）,见图36-13。


在三击镦锻时，需要镦两次锥形，第一次
锥形，锥角特别小，α为2°～3°，基本
起着整形作用，使它在第二次初镦变形中，
有一个良好的对中性和稳固性。锥形冲模
工作型腔的尺寸，可根据要镦制头形的体
积、线材直径、冲模与凹模之间的距离来
计算出来。由图36-15可见，整个锥形头
部的体积由体积V1和V2两部分组成，即
V锥=V1+V2，而V锥等于产品头部精镦后
的体积即V。V可由产品尺寸计算出，则
V1=V-V2。
不带弹簧顶杆的锥形冲模用于
长杆工件的镦制；带弹簧顶杆
的冲模用于杆部较短的工件。
不带弹簧顶杆初冲的锥形型腔
锥角适当大一些，使工件容易
脱离初镦模，一般α取
8°～16°，初镦冲头的内腔
形状,见图36-14。

从图36-15可看出，V2的制约因
素较多，如冲模与凹模的间隙距
离、凹模工作凹穴的深度，以及
金属在里面的充填形状、形成V2
的桶形直径等，所以一般都采用
经验公式：

V1=KV（mm3） （公式36-17）

式中 V——形成产品头部的体积

K——产品形状系数

对于六角头螺栓及六角头导颈螺
栓，K=0.75～0.85；

对于半圆头螺钉，K=0.7～0.8；

对于沉头螺钉，K=0.5～0.6。

锥形体的小端直径dM等于原材料
的最小尺寸或略小于最小尺寸，
锥形体的大端直径DK取1.2～
1.3dM。

当DK=1.2dM时，锥形体的体积V1为：
H 1  d M2
DK d M DK2 


V1 


3  4
4
4 
H 1  d M2 1.2d M2 1.44d M2 





3  4
4
4 
（公式36-18）
2.85
2

H 1d M
3
1.05V
则
H1 
1
d M2 （公式36-19）
如取DK=1.3dM时 H1 
0.96V1
（公式36-20）
2
dM
模腔锥角α   arctg DK  d M


2H 1
（公式36-21）



(2) 机器螺钉初镦形状的确定

机器螺钉种类很多，主要区别于头部的几何形状。总的说，机器螺钉
头部成形的镦锻比（S=Lo/do和D/h），值比较小，比较容易镦锻。
对于简单头形的机器螺钉，单击冷镦生产的工件,如图36-16，可采用
一次镦锻。但是，不少品种的机器螺钉，头部槽型比较复杂。为十字
槽型等，头部成形则需要两次及以上的镦制。要按标准镦制符合槽型
要求的产品，初冲的造型起着决定性的作用。

在精镦头部成形时，同时对槽型产生镦挤，这时产品头部的变形，除
了金属因镦粗而流动充满头部大端以外，还会伴随槽型的挤压而有一
个反受力方向流动的趋势，从而影响大端边缘金属的充满。尤其在槽
型方向有明显“缺肉”的现象。为了解决这个局部不充满的缺陷，将

冲的顶端做成圆弧形，对于平圆头十字槽螺钉的初冲做成圆锥形的顶
端, 并带一个120°～150°的锥角体,见图36-17。其目的是为了减少
变形中金属的反向流动，有利于头部大端的充满。

(3) 内六角圆柱头螺钉初镦形状的确定
冷镦内六角圆柱头螺钉(头部镦锻比小于1.5)，由
于头部带较深的内六方孔，几何形状复杂，产品
性能要求高，为8.8、10.9、12.9级，使用的钢材
为中碳钢、合金钢、冷成形性能差，头部变形复
杂，镦粗、正挤压、反挤压都有。因此，这类产
品初冲成形，一般应经过初镦和第二次预镦。图
36-18列出了几种生产中常用的初镦形状。在二
序预镦中，头部镦出内六角预成形凹穴，是为下
一工位精制内六方孔时，减少变形量，金属在反
挤压变形中流动阻力小一些，使六角冲头承受的
载荷尽可能减小，并且使金属流动比较均匀地充
满头部上、下端的边缘。





(4) 杆状紧固件的精镦
杆状紧固件的精镦是将预镦成形的坯件头部在上、下模间的工作型腔
里进行镦制，获得产品头部的最终形状和尺寸。
头部的变形因产品头部几何尺寸不同而不一样，大体有以下几种形式：
a 六角头、四方头的螺栓
图36-19所示成形区有三个区域，头部高度的1/3在上模型腔成型，

1/3～2/5在下模型腔成形，其余
在上、下模间的间隙形成飞边，最
后由切边工艺完成六角头、四方头
的切边。

b 半圆头、平圆头类型的机器
螺钉，头部完全在上模（光冲）型
腔成形。

c 内六角圆柱头螺钉、凹穴六角
头螺栓类产品，头部在下模型腔里
成形。因为是精镦，上、下模的工
作型腔皆要满足产品头部尺寸的要求。

(5) 杆状紧固件的缩径工艺

六角头螺栓是应用很普遍的紧固件，它的强度级别范围大，从3.6～
12.9级都有生产。对于中、低强度级别的六角头螺栓，一般采用两种
工艺生产，一为细杆工艺，一为粗杆缩径工艺。所谓细杆，是用相当
于螺纹坯径尺寸的线材进行冷镦，线材尺寸变化很小，杆部可以直接
搓制螺纹；粗杆是用大于螺纹外径尺寸的线材，冷镦工艺中安排一
次、二次或二次以上的缩径，使螺纹长度部分的杆部达到螺坯尺寸。
 内六角圆柱头螺钉按国家标准规定是8.8级及其以上级别的高强度产
品，尽管头部变形程度不大，但使用线材强度较高，塑性相应要小，
因此普遍采用粗杆缩径工艺，冷镦中经过一次及以上次数的缩径，使
螺纹长度的杆部直径达到螺坯尺寸。
 六角头螺栓采用细杆工艺，冷镦时头部变形程度相对于粗杆来说有所
增加，它适用于短规格全螺纹产品的生产。
 细杆工艺生产螺栓，常存在以下问题：
 a. 头部变形程度大，容易产生裂口，有时
切六方边裂口也不能完全去除。
 b. 头部在镦粗中，常因变形程度大而产生
纵向弯曲，在距支承面1/3处出现折迭,见图
36-20，并导致螺栓掉头。
 c. 头部与杆部结合强度较差，成为细杆螺
栓掉头的隐患。采用粗杆缩径工艺，避免了
以上问题。但是，由于需要缩径，它不仅增
加了缩径力，使模具结构也相应复杂了。

它必须有缩径模，一般用硬质合金加工，增加了模具成本。

此外，对线材的表面润滑、材料硬度也有特殊要求。生产中采用的线
材大部分都经过磷化、皂化处理。线材经过球化退火,硬度应为75～
85 HRB。

总的说来，粗杆缩径工艺虽然对线材、模具要求高，增加了生产成本，
但是就产品质量而言，它可减少由于材料塑性不好而产生的产品开裂。
提高了材料利用率，保证了产品的强度要求，综合经济效率还是好的。

图36-21 螺栓两次缩径工艺图示例

图36-22是圆柱头内六角螺钉工艺图示例

(6) 螺栓头部切边

六角头螺栓有头部带凹穴的及头部平顶的两种型式。从生产和使用角
度看，头部平顶的六角头螺栓，要占总量的90%以上。头部带凹穴的
螺栓，由于头部直接冷镦（压）成形，对线材塑性要求高，六角棱边
充满差，常呈秃角，在扳拧使用中容易打滑，这点在设备自动装配线
上反映更敏感，客观上限制了这种头型螺栓的生产。

头部平顶的螺栓，六方是由切边形成的，切边可安排在多工位自动冷
镦机按多工位生产工艺完成，也可由专用的切边机上来完成。

2.2.2 螺母冷镦（压）工艺

1．常用螺母冷镦工艺分类

六角螺母也是一种使用面很广的紧固件，它的生产方法较多，M24以
下规格的螺母普遍采用冷镦（压）方法生产。常用的螺母冷镦工艺有
以下几种：

a. 用较小直径的线材冷镦生产螺母

这是一种冷镦生产螺母中用得最多的生产方法。使用线材直径
do=0.60s～0.70s，s—螺母对方尺寸。采用切料、整形、镦球、压
六方、冲孔的工位（工序），见图36-23。在三工位、四工位自动冷
镦机生产，也可在压力机上分序生产。在三工位冷镦机上生产可省去
整形，但大于M12以上规格的螺母，不经整形，端面质量及秃角的均
匀性都不好控制。




b. 用较大直径的线材冷镦生产螺母
这种工艺使用线材直径do≈0.9s，经切断、整形、初镦、预成形、精
成形、冲孔而成，一般在五工位自动冷镦机上生产，夹钳带翻转机构,
见图36-24。
c. 六方钢成形工艺
这种工艺方法用的较少，一般用于M20以上大规格螺母的生产，在压
力机上用分序冷压的方法完成。工艺流程按切料、初压、精压、冲孔
进行生产。




2．螺母冷镦（压）工艺分析及工艺参数
a. 切断
在自动冷镦机多工位生产或压力机上分序生产，切断都是第一道工序，
也是较关键的工序。因为切料断口的平整性、切刀板压下所形成的马
蹄印大小(见图36-25)，都对下序的整形、镦球有直接的影响。由公
式36-22可计算出切料长度。
Lo 
V型
Fo
（公式36-22）
式中 Lo——切料长度mm V型——螺母冲孔前坯料体积（mm3）

Fo——线材截面积mm2

这仅是一个计算值，实际生产中还要通过调整档料柱来修正切断长度。
有时还用称重法来衡量切料是否准确，即坯料重相当于切断的料柱重。
切断模的孔径应比料的最大直径大0.05～0.1mm，刀板与切断模之间
的间隙为0.1mm左右。

b. 整形

如图36-26所示，整形是把料柱的端面镦平，在下端镦（压）出1～
2×45°的倒角，目的是将切料的缺陷进行修整，保证下一压球工序
的质量。

整形的尺寸


d=do+(0.1～0.25)(mm)
式中 do——线材直径mm。
c. 镦球
 镦球是将整形后的料柱镦（压）成鼓形球状,见图36-27，它的质量影
响螺母的端面、秃角、棱边的清晰和质量。在确定鼓形球几何尺寸时，
按经验，在倒角40°确定的情况下，dM、h尺寸应尽可能小。这样，
在压六方时，相应部位的摩擦力要小，金属在压型力的作用下，金属
流动性好，容易充满六方。如果dM、h偏大，则在压六方时，不易充
满六角。如果为了使六方充满而增加压型力，则螺母端面就会产生飞
边。
 鼓形球尺寸按经验数据如下：
 dM=(0.7～0.8)d径
 Dmax≤Smin
式中 d径——螺母公称直径mm
Dmax——鼓形球最大直径mm
smin——螺母s方最小尺寸mm
 根据dM、D的尺寸和螺母坯料体积，
鼓形球的其它尺寸可通过计算得出：

h
V  0.2618( D 2  Dd M  d M2 )  ( D  d M )tg 40
（公式36-23）
 D2
4
H=h+(D--dM)tg40°
(公式36-24)

d. 压型

压型,即镦压成型螺母的六方，使之满足六方螺母外形尺寸的要求。
变形尺寸是否合理，直接影响产品的质量和模具的寿命。

压六方的尺寸要考虑的主要因素有：六方坯在六方凹模里的脱模及下
序冲孔的胀方。因此，要求螺母侧面要有一个倾斜角γ（见图36-28），
其大小随规格的增加而偏大，如M10以上的螺母，γ一般取0°.30′～
1°，如γ角过大，六方凹模上、下端口尺寸相差较多，会使六方下冲
（又称压型下模）在套模内定位不稳，容易造成镦压螺母坯料偏心，
使螺母的垂直度（β）超差，同时经冲孔胀方后s尺寸也达不到标准
要求。γ取0°.30′～1°实际是由生产实际经验摸索而定的。








压型除这个尺寸以外，还有很多尺寸与
螺母的外形尺寸及产品的外观等有直接
关系（见图36-29）,表示出了螺母压型坯
件的尺寸。其中，两端凹穴的几何形状
尺寸很重要。d1是一个关键尺寸，偏
小，冲孔容易产生毛刺;偏大，冲孔容易
出现喇叭口，影响内螺纹的完整。经验
数据为：
＜M8：d1=d小max+(0.02～0.04)mm
M8～M14：d1=d小max+(0.05～0.10)mm
M14～M18：d1=d小max+(010～0.15)mm
M18～M24：d1=d小max+(0.15～0.30)mm
式中： d小max——螺母内螺纹小径最大尺寸（mm）
d=(1.05～1.1)d径
式中 d径——螺母公称直径（mm）

d尺寸过小，不利于螺母镦压成型，不利于金属流动，六棱角不清晰；
d尺寸过大，螺母支承面减小，影响外观及紧固强度。

d1和d尺寸确定后，按标准螺母内倒角≈120°，一般取为106°，其
原因是内倒角取小一点，按公式计算，h尺寸就可大一些，这样既可
节省钢材，螺母压型时变形有利，又可缩小冲孔连皮（即冲孔冲出的
铁豆）厚度，有利于冲孔。

h=(d--d1)tg37°

凹穴中另一重要尺寸为h1和α角，它们对螺母镦压成型后，从六角凹
模顶出的六方下冲有影响。h1不宜过高，过高将影响螺母六方型坯
及时从六方下模冲脱开，接着下一个型坯又进入凹模，从而引起重帽，
而产生故障。经验数据为：

<M6：

M8～M10： h1=（0.4～0.5）mm

M10～M16： h1=（0.6～1.0）mm

M18～M24： h1=（1.2～1.6）mm

对M20以上螺母，压型上模的h1可比下模高（0.30～0.50）mm，更
有利于冷镦变形。
（公式36-25）
h1<0.30mm

α一般取10°～15°。

h1、α确定后，d2尺寸可按下式计算：

d2=d1-2h1tanα

凹穴顶部为一圆锥，锥角取为150°，则圆锥的角度为tg15°，整个
凹穴的高度为：

(公式36-26)
h2=h+h1+tg15°
(公式36-27)

凹穴尺寸一般不作为检验依据，由模具的尺寸来保证。

上述数据依据为GB/T 6170-2000标准螺母。对于其他型式的螺母不
完全适用。

e. 冲孔

冲孔尺寸大小、质量，都是为了满足下序攻螺纹的要求。螺母内孔直
径一般按小径最大尺寸决定。考虑到钢材硬度要影响冲孔质量，孔径
可定在螺母小径最小尺寸与最大尺寸之间，由操作者在其公差范围内
灵活掌握。实际上考虑到攻丝的因素，冲孔尺寸的公差要小于小径的
公差。

冲孔必须注意以下两方面的问题：

（1）螺母冲孔后s方胀方问题

冲孔实际上是对坯料进行冲切。内孔冲裁表面有冲切面还有撕裂面
（图36-30）。孔冲对内孔产生的冲切力导致孔冲与内孔的接触面产
生摩擦力，与孔冲向下冲切方向相反，这样形成的附加应力所导致径
向张力，使s方径向扩张，即胀方。很显然，胀方的大小与孔冲刚度、
刃部锋利情况有关，还与螺坯的材质有关。低碳钢比中碳钢胀方要大，
普碳钢比相同含碳量的优质钢胀方要大。这可从钢材的切削性能随含
碳量的增加而提高,得到解释。当然，由于钢材含碳量增加，强度增
加，它对孔冲的强韧性要求也更高。

此外，胀方与螺母对方尺寸（即对边
宽度）s与螺母高度m的比值有关，表36
-4列出了部分规格螺母冲孔后的胀方值。




即使注意到了这些问题，但往往由于螺
母材质发生变化(材质为中碳钢或合金
钢)，一般也解决不了因胀方而使s方超
差的问题，在M16及以上规格更突出。
为了解决s方因冲孔胀方而超差的问题，
可采取以下措施：
a. 减小冲孔尺寸，增加铰孔，铰孔余量
在0.5～1mm；
b. 采用两次冲孔，第二次冲孔余量在1
毫米左右。第二次冲孔不存在胀方；
c. 冲孔孔模前加一六方凹模片，可防止
螺母s面胀方，六方凹模片厚度略高于螺
母高度m，模口倒圆角，以利于坯料进
入凹模。模腔要有0°10′～0°15′的出
模锥度。采用此种结构，即使是六角厚
螺母（GB/T
56D=16,m=25;D=20,m=32;D=24,m=38
），也可用冷镦生产。
表36-4 部分规格螺母冲孔后的胀方值。
冲孔膨胀值（mm）
螺母材料
硬度HB
max
冲孔连皮厚度
（mm）
M6
10/4.9
2.5
0.06～0.23
A3
103～107
M8
13/6.44
3.56
0.01～0.06
ML20
152～217
M10
16/8.04
5.1
0.01～0.06
ML20
200～246
M12
18/10.37
6.33
0.35～0.40
ML20
M14
21/12.1
7.85
0.23～0.33
ML20
180～204
M16
24/14.1
7.85
0.28～0.40
ML35
175～207
M20
30/16.9
10.1
0.70～0.80
ML20
规格（GB/T
6170）
s/m

镦压螺母的六方凹模要有锥度，一是使螺坯容易顶出脱模，一是补偿
冲孔的胀方值，使螺母s方尺寸不因胀方而超差。如图36-31所示，
M10以上γ角取0°30′～1°，随着螺母规格的增大，γ角也增大，最
大不宜超过1°。
d. 改进压六方冲头的凸台尺寸，即螺母压型后坯料两端凹穴尺寸中
的h1（参见图36-29）。适当加高h1部位，即减少冲孔连皮厚度，可
改善冲孔时的胀方情况，但h1不宜过高，过高对坯料脱离凸台不利，
容易产生重料（即第一个坯料没脱离开，第二个坯料就来了）而造成
事故。
 e. 采用反冲孔，可解决胀方问题。
 （2）孔的粗糙度和圆整度
为了使粗糙度达到最小及得到较圆整
的内孔，冷镦螺母冲孔凸凹模之间的
间隙要求比一般冲裁模的间隙要小，
希望孔内壁80%以上呈光亮带（参见
图36-30），撕裂带不超过孔壁的20
%。采用小间隙冲孔，有时会出现另
一个质量问题：“槽孔”，见图36-32。
“槽孔”是由于冲孔时产生二次光亮带
引起的。

冲孔内孔的质量与采用冲孔凸凹模的几何形状及凸凹模间隙有关。生
产中使用的冷镦螺母冲孔凹模大体有三种型式：
 a. 凸台式冲孔凹模
 如图36-33所示，这种凹模刃口部分有一凸台，适用于M12以下的中、
小规格螺母冲孔用，凸凹模间隙取（0.03～0.15）mm。它的优点
是冲孔时容易定位，冲出的孔断
裂带少，“喇叭口”不严重。缺点是，
当冲孔速度较慢时会产生“槽孔”，
当更换新孔冲，孔冲的刃口较锋利时，
也可能出现“槽孔”，这时，只要用砂纸
将孔冲刃口砂成圆角，可在冲孔时起
挤光冲切面的作用，可避免“槽孔”
的出现。采用这种凹模，压六方的下
冲头凸台h1不宜太高，过高，冲孔时
容易产生铁屑，粘在凹模面上，使螺
母端面产生压痕，影响外观。

b. 平直式冲孔凹模
 如图36-34所示，这类凹模的间隙可稍大
于上述凹模，寿命也较长。缺点是：在冲孔
速度较慢时容易产生毛刺，或单面撕裂一块
，超过普通断裂带，有时一直延伸到螺母内
倒角处，（参见图36-30），造成攻丝时扣
不完整。这种现象在低强度螺母冲孔时容易
发生，造成质量不稳。
 c. 带圆角的冲孔凹模
 如图36-35所示，这类凹模内孔端口有一
r=（2～3）mm的圆角，凸、凹模间隙可取
得大一些，一般用于M14以上。缺点是冲出
的孔断裂带较大，即“喇叭口”大，一般通
过
铰孔，使孔圆整光洁，达到尺寸要求。对低
强度螺母冲孔时，也会单面撕裂到内倒角处
。优点是模具寿命较长。
