CN102151786B - 梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法 - Google Patents

梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法 Download PDF

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Abstract

一种机械零件制造技术领域的梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法，制备得到头部带有梅花形(六角星形)扳手槽的螺钉，使用时在轴向不存在反作用力，从而保证了扳手最大的接触面积和对应最小的单位压力，大幅度提高了螺钉使用寿命。

Description

梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法
技术领域
本发明涉及的是一种机械零件制造技术领域的工艺及装置，具体是一种梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法。
背景技术
在机器制造业中广泛使用头部带有十字形槽的螺钉，如图1所述。由于结构特别是槽型结构，它们不能承受太大的扭矩。在螺钉拧入时，扳手接触表面的锥形和螺钉的十字槽引起了不必要的附加轴向力。为了保证有最大接触面积，该轴向力随着拧紧力矩的增大而增加。在相反条件下，扳手拧出的轴向力，减少了接触面积。这就导致增加接触应力，也就导致了十字槽的剪切而破坏。
经过对现有技术的检索发现，美国专利号4,384,812记载了一种螺钉头，该技术中涉及的螺钉头顶部有由两个等边8角形所形成的星形孔，8角形置于正8边形和与其内接的正4边形之间，8边形和4边形同轴、一个置于另一个之上且相位错开约45°，故有8个凸角和8个凹角交错排布。但是该技术未涉及6角星垂直内孔及具体成形工艺，也未涉及螺钉孔受力分析，同时该技术螺钉的形状结构导致其使用寿命较短。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种梅花头螺钉头模锻装置及其模锻方法，制备得到头部带有梅花形(六角星形)扳手槽的螺钉，使用时在轴向不存在反作用力，从而保证了扳手最大的接触面积和对应最小的单位压力，大幅度提高了螺钉使用寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种梅花头螺钉头模锻装置，包括：垫板、第一凸模、导向套、弹簧、凹模、导向轮和模座，其中：第一凸模、导向套和弹簧由内而外依次设置于凹模内部，凹模垂直设置于模座内且顶部与水平设置的垫板相接触，导向轮转动设置于模座内并与凹模的外侧相啮合。
所述的第一凸模的底部开口为锥形喇叭口结构和柱形喇叭口结构，其中：
锥形喇叭口结构由圆柱体部分和截锥体部分组成，其中：圆柱体部分的直径为d0，高度为0.3mm，截锥体部分的上端直径为
Figure GDA00002234852300011
高度0.3mm；下端直径为d0+1mm，高度为0.3mm，d0为原始毛坯外径，在此为
Figure GDA00002234852300012
柱形喇叭口结构为直径为D0，即椭球体外径
Figure GDA00002234852300013
高度为3.55mm的圆柱体。
本发明涉及上述装置的制造工艺，包括以下步骤：
第一步、在第一凸模上加装弹簧，然后以模锻镦粗系数为K＝l/d＞3.3预镦头部；
第二步、使用带六角星形第一凸模采用开式冲孔原理，采用10～20塑性钢、热强钢12Mn、20Mn2或38CrMnNiMo作为原材料进行分步式模锻；
所述的分步式模锻是指：
工步Ⅰ)选取直径为
Figure GDA00002234852300021
长度为37.1mm的圆柱体棒材作为坯料，置于所述模锻装置中，当采用10～20塑性钢，即平均含碳量为万分之10～20，作为原材料时则一次镦粗方式得到头部具有椭球体的螺钉坯，或者当采用热强钢12Mn、20Mn2或38CrMnNiMo作为原材料时则通过两次镦粗方式，先制成头部具有厚度为3.55mm、
Figure GDA00002234852300022
高为4mm、锥角为52°的截锥体小头的螺钉坯，然后再进一步二次镦粗为头部具有椭球体的螺钉坯；
所述的椭球体的直径为
Figure GDA00002234852300023
厚度为3.55mm。
所述的螺钉坯的头部高径比K＝1.2＜＜2.8；截面参数采用l1/2高度处内外径差值之半：ΔS＝D-D1，式中D为外形中径；D1为型腔最大直径；稳定性参数K＝2.8或K＝2l1/(D-D1)。
工步Ⅱ)将螺钉坯置于螺钉头模具中，以开式冲孔方式进行锻造，得到具有六角星形的梅花头螺钉头。
所述的螺钉头模具包括上模具和下模具，其中：上模具上设有第二凸模，下模具上设有通孔，所述螺钉坯竖直设置于通孔内并正对第一凸模和第二凸模。
所述的第二凸模的内径与第一凸模动配合且端面为120°截锥体，高度为1mm。
本发明涉及上述方法制造得到的梅花头螺钉，其头部具有梅花花瓣状的六角星形扳手槽，其中：六角星形外接圆直径为扳手槽的深度为1.6mm。
附图说明
图1为头部带有十字形槽的螺钉示意图。
图2为头部带有梅花形扳手槽螺钉示意图；
图中：(a)为侧视图，(b)为俯视图。
图3为第一凸模带有弹簧的模具结构示意图。
图4为头部带有梅花形槽螺钉头部成形模具示意图。
图5为改变常规工步Ⅰ镦成椭球形头后的模锻件示意图。
图6为消除高强度钢螺钉头部裂纹改进后的工艺工步示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图3所述，以下实施例涉及的梅花头螺钉头模锻装置，包括：垫板1、第一凸模2、导向套3、弹簧4、凹模5、导向轮6、轴瓦7、模座8，其中：第一凸模2、导向套3和弹簧4由内而外依次设置于凹模5内部，凹模5垂直设置于模座8内且顶部与水平设置的垫板1相接触，导向轮7转动设置于模座8内并与凹模5的外侧相啮合。
所述的第一凸模2的底部经改进后如图3b所示的柱形喇叭口结构，其中：
锥形喇叭口结构由圆柱体部分8和截锥体部分9组成，其中：圆柱体部分8的直径为d0，高度为0.3mm，截锥体部分9的上端直径为d0，下端直径为d0+1mm，高度为0.3mm，d0为原始毛坯外径。
柱形喇叭口结构为直径为D0，即椭球体外径，高度为3.55mm的圆柱体10。
如图4所示，为螺钉头模具，包括上模具11和下模具12，其中：上模具11上设有第二凸模13，下模具12上设有通孔14，所述螺钉坯0竖直设置于通孔14内并正对第二凸模13。
所述的第二凸模13的内径与第一凸模2动配合且端面为120°截锥体，高度为1mm。
实施例1
本例中选取塑性材料，如10～20钢。
第一步、在第一凸模上加装弹簧，然后以模锻镦粗系数为K＞3.3预镦头部；
第二步、如图5所示，使用带六角星形第一凸模采用开式冲孔原理，进行模锻；
工步Ⅰ选取直径为
Figure GDA00002234852300031
长度为37.1mm的圆柱体棒材作为坯料，置于图3所示梅花头螺钉头模锻装置中，以镦粗方式进行锻造，得到头部具有厚度为3.55mm，直径为
Figure GDA00002234852300032
椭球体的螺钉坯；
工步Ⅱ将螺钉坯置于图4所示螺钉头模具中，以开式冲孔方式进行锻造，得到具有六角星形状特征的梅花头螺钉头，由于工步Ⅰ所镦粗的螺钉头部形状由锥形改为椭球形，故在工步2中没有出现失稳，半成品毛坯头部高径比K＝1.2＜＜2.8。
(镦粗的稳定性可以通过镦粗部分的高度l与其截面积之比来评定。为此，如图4所示，工步Ⅱ中截面参数采用l1/2高度处内外径差值之半(图4b)：ΔS＝D-D1，式中D为外形中径；D1为型腔最大直径，l1为锥形高度。
稳定性参数可用K＝2l1/(D-D1)，若第2工步使用图1Ⅰ所述的头部为锥形坯时，在此处K＝2.8，会因失稳造成夹层，如图2b。)
实施例2
为了制造更高强度等级螺钉8.8甚至更高的，使用热强钢12Mn、20Mn2、38CrMnNiMo和其它钢种。经热处理后，这些零件的强度达到8.8、10.8，甚至更高。由于高强度材料变形抗力大，若仍以塑性材料以2个工步完成变形，会出现裂纹。为此，增加一个制坯工步：
第一步、在第一凸模上加装弹簧，然后以模锻镦粗系数为K＝l/d＞3.3预镦头部；
第二步、如图6所示，使用带六角星形第一凸模采用开式冲孔原理，进行模锻；
工步Ⅰ选取直径为
Figure GDA00002234852300041
长度为37.1mm的圆柱体棒材作为坯料，置于图3a所示梅花头螺钉头模锻装置中，以镦粗方式进行锻造，得到如图6中的I所示的头部具有厚度为5mm，其中圆柱体直径为
Figure GDA00002234852300042
高为1mm，截锥体小头直径为
Figure GDA00002234852300043
高4mm，锥角为52°的坯料；
工步Ⅱ将工步Ⅰ半成品毛坯置于图3b所示梅花头螺钉头模锻装置中，将螺钉坯锥形头部镦成如图6中的II所示的椭球体头部螺钉坯
Figure GDA00002234852300044
工步Ⅲ将工步Ⅱ半成品坯置于图4所示螺钉头模具中，以开式冲孔方式进行锻造，得到如图6中的III所示的具有六角星形状特征的梅花头螺钉头，头部
Figure GDA00002234852300045
总长28.2mm；六角星形梅花槽尺寸：外接圆
Figure GDA00002234852300046
上述实施例在模锻过程中能够解决头部在工步I镦粗时因坯料高径比K＞2.5时而产生失稳，以及常规将螺钉头部在工步I镦粗成锥形，而在第Ⅱ工步易失稳形成折叠的弊端，一反常规将头部镦粗成椭球形(对塑性材料)，从而使其在第Ⅱ工步高径比K＝2.8骤降到1.2，保证第Ⅱ工步六角星形凹槽成形的稳定性。

Claims (6)

1.一种梅花头螺钉头模锻装置，其特征在于，包括：垫板、第一凸模、导向套、弹簧、凹模、导向轮和模座，其中：第一凸模、导向套和弹簧由内而外依次设置于凹模内部，凹模垂直设置于模座内且顶部与水平设置的垫板相接触，导向轮转动设置于模座内并与凹模的外侧相啮合；
所述的第一凸模的底部开口为锥形喇叭口结构或柱形喇叭口结构，其中：
锥形喇叭口结构由圆柱体部分和截锥体部分组成，其中：圆柱体部分的直径为d0，高度为0.3mm，截锥体部分的上端直径为d0，下端直径为d0+1mm，高度为0.3mm，d0为原始毛坯外径；
柱形喇叭口结构为直径为D0，高度为3.55mm的圆柱体。
2.一种采用权利要求1所述装置制备梅花头螺钉头的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在第一凸模上加装弹簧，然后以模锻镦粗系数为K＞3.3预镦头部；
第二步、使用带六角星形第二凸模的螺钉头模具采用开式冲孔原理，进行模锻，得到梅花头螺钉头。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征是，所述的模锻是指：
工步Ⅰ）选取直径为φ3.48mm，长度为37.1mm的圆柱体棒材作为坯料，置于所述模锻装置中：
a)当采用10~20塑性钢，即平均含碳量为万分之10~ 20，作为原材料时则一次镦粗方式得到头部具有椭球体的螺钉坯，得到头部具有厚度为3.55mm，直径为φ7.07mm椭球体的螺钉坯；或者
b)当采用热强钢12Mn、20Mn2或38CrMnNiMo作为原材料时则通过两次镦粗方式先制成头部具有厚度为5mm，其中圆柱体直径为φ3.48高为1mm，截锥体小头直径为φ3.48,高4mm，锥角为52°的坯料，然后再进一步二次镦粗为头部具有椭球体的螺钉坯；
工步Ⅱ）将螺钉坯置于所述装置中，以开式冲孔方式进行锻造，得到具有六角星形的梅花头螺钉头。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征是，根据步骤a)中得到的所述的椭球体的直径为φ7.07mm，厚度为3.55mm；根据步骤b)中得到的所述的椭球体为φ7.07×3.52mm。
5.根据权利要求3所述的工艺，其特征是，所述的螺钉头模具包括上模具和下模具，其中：上模具上设有第二凸模，下模具上设有通孔，所述螺钉坯竖直设置于通孔内并正对第二凸模。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征是，所述的第二凸模的内径与第一凸模动配合且端面为120°截锥体，高度为1mm。
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