铁路货车专用铆钉冷镦工艺分析

(中车山东机车车辆有限公司，山东 济南250022）

0 引言

目前铁路货车专用拉铆钉被广泛应用于铁路货车连接，从C70货车的侧柱、侧墙、制动梁、脚蹬等部位到铝80敞车，几乎全部用拉铆钉连接，铆钉连接解决了螺栓连接可靠性低，交变载荷下容易松动、脱落等问题。铁路货车专用拉铆钉已逐步成为铁路货车最主要的紧固连接方式，但冷镦工艺在我国应用较晚，拉铆钉进口成本过高，市场供不应求，从而促进了冷镦行业的迅速发展。

铆钉按类型分为LMY型——圆头铆钉、LMP型——平头铆钉、LMC型——沉头铆钉、LMB型——单面连接铆钉四种型式，见图1。其中铁路货车比较常用且用量较多的为LMY型铆钉。

下面以LMY-T16-12G（16代表铆钉的直径规格，12代表标记铆接厚度）类型铆钉为例进行冷镦工艺分析。

1 毛坯尺寸的确定

根据铆钉成品尺寸，环槽部分取中径来确定毛坯的外径尺寸。毛坯图见图2。

图1

根据运装货车【2007】163号文件的规定，铆钉材料应符合GB/T 3077的规定，并根据国内外类似产品的选材参照，材料选45Mn2,规格根据毛坯光杆部位最大外径和原材料供货的参数规格确定为直径

图2

d=15.7 mm

通过计算机软件计算铆钉毛坯体积V1为

根据冷挤压金属流动的体积不变定律，可知成型头部的原材料坯料长度和成型杆部原材料坯料长度分别为

l头=4V头/（πd2）=21.44 mm

l杆=4V杆/（πd2）=85.51 mm

2 变形程度的计算

冷镦的变形包含着镦粗与挤压两方面的变形。镦粗时轴向变形程度用镦粗率表示，挤压时的径向变形程度用断面收缩率表示。

头部镦粗率为

式中 h0——镦粗前毛坯原始高度

H——镦粗后工件高度

低碳钢冷镦材料的镦粗率上限一般在50%～65%之间，本文中头部镦粗率取53.45%。为保证产品的质量，这里头部成型采用两次成型。

杆部的断面收缩率

式中 F0——冷镦变形前毛坯的横截面积

F1——冷镦变形后毛坯的横截面积

杆部需要两次挤压变形，两次变形的端面收缩率分别为

通过查询标准可知，45Mn2 原材料的断面收缩率≥45%，杆部的变形程度远小于材料许用的变形程度。

3 冷镦力的计算

铆钉的冷镦属于正挤压（金属被挤出的方向与加压方向相同）。

正挤压实心件单位挤压力计算公式

式中 p——单位挤压力，MPa

Kf——被挤压材料的变形抗力，MPa

d0——毛坯直径

d1——挤压后直径

h1——凹模工作带高度

μ——摩擦系数

有润滑时，可取μ=0.1

挤压力 P=p×πd02/4

上述为理论公式计算法，由于计算方法复杂，准确度又差，因此很少使用。下面有一种较为方便且有相当准确性的经验公式

式中 P——总挤压力，N

p——单位挤压力，MPa

Z——模具的形状系数

n——挤压方式及变形程度修正系数

σb——挤压前材料的抗拉强度，MPa

F——凸模工作部分横截面积，mm

查询相关手册，头部成型

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

杆部成型分两步

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

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

因为冷镦机连续工作时各个工步同时受力，所以设备需要总的镦锻力为P总=P+P1+P2=2881.2 kN，约为294 t。

4 工艺图的制定

根据上述计算，设计并经过试验验证，得到了铆钉的冷镦工艺图，见图3。

图3

5 冷镦工艺主要模具设计

5.1 送料轮的设计

图4中，R=Rmax+（0.05～0.15）mm，Rmax为原材料的最大直径，mm

R的尺寸过小，会在材料表面压印上四道痕迹，R 尺寸过大，会把原材料压扁。都会直接影响产品成型和质量。

图4

5.2 切料模具设计

图5、图6中，剪模内孔尺寸d模=dmax+(0.05～0.1)mm，为了方便原材料通过，剪模进口端一般采用喇叭口形状。

剪刀内孔尺寸d刀取值和d模一致或稍大0.05 mm 左右。为了方便剪刀和剪模的配合，剪刀的端面有时会采取5°左右的弧度。

5.3 第一冲模具设计

第一冲模具，主要是铆钉头部的预成型，见图7、图8冲具模口尺寸一般取d口=（1.25～1.5）d料mm，冲具仁底部直径尺寸d底≈d料。第一模的头部预成型好坏直接决定第二模的头部成型的好坏，原则上为了延长模具使用寿命，其变形与第二模变形程度相近为好。

5.4 第二冲模具设计

图5 剪刀

图6 剪模

第二模为铆钉头部的终成型。根据铆钉头部的尺寸，制作第二冲具仁，同时杆部底部成50°倒角，杆部直径微涨，见图9、图10。

图7 一模前仁

5.5 第三、四冲模具设计

图8 一冲前仁和模壳组合图

第三、四冲模具（见图11、图12、图13）主要达到两次杆部缩颈，模具结构一致，尺寸不同，冲具相同。冲具采用平压的方式，缩颈带的导入角度由产品毛坯尺寸决定（如果产品毛坯无要求，取值在44°～66°之间，挤压力最小），缩颈带的长度一般取值为1～2 mm，长度过短，会降低模具使用寿命，长度过长，会导致缩颈时阻力增大，成型难度变大，表面粗糙度降低。

6 影响模具使用寿命的因素和产品质量的改进

为了降低生产成本，提高产品的市场竞争力，增加冷镦模具使用寿命，需要考虑影响模具使用寿命的因素，改进产品质量。

模具所承受的挤压力的大小直接决定着模具寿命的长短。下面讨论影响冷挤压压力和产品质量的主要因素。

6.1 变形金属的化学成分、组织结构与机械性能

图9 第二冲具仁

试验表明，含碳量越高，冷镦时挤压力越大，冷镦性能越差，选用冷镦材料应优先选择低碳钢。金属的内部组织越均匀，晶粒度越均匀（晶粒平均直径在0.02～0.06 mm之间），成型后产品出现裂痕的概率越小。原材料表面质量与润滑情况对最终产品的表面质量也会有直接影响。

6.2 冷镦挤压方式

复合挤压压力＜正挤压压力＜反挤压压力

6.3 金属变形程度

图10 第二模具仁

图11 第三模具仁

图12 第四模具仁

图13 第三、四冲具仁，MPa

在其他条件相同的情况下，冷挤压的变形程度越大，挤压的变形抗力就越大，严重时会引起凸模、凹模的破裂。

6.4 摩擦条件

挤压的变形过程是在工件与模具的表面之间存在外摩擦的情况下进行的。外摩擦对变形后金属组织的不均匀性、对工件的表面状态和质量都有很明显的影响，变形功消耗增加，挤压力上升。所以，一般原材料表面都会采取适当的润滑措施，如磷化。

7 产品成型出现问题的原因和解决方案

产品成型出现问题的原因及解决方案见表1。

表1

8 总结

作为紧固件，铆钉产品在铁路货车行业已经逐渐占据了主导地位，其加工质量与行车安全紧密相关。本文主要分析了铆钉产品的生产工艺、模具设计制作、模具优化，介绍了常见问题的处理办法，力求降低生产成本，提高产品质量稳定性。目前，此工艺已经实现批量生产，相信随着生产装备的改进，生产技术的提高，原材料生产工艺的改善，冷镦产品的生产工艺也会随之优化。

由于条件和时间的限制，文中对冷镦工艺的分析还有很多欠缺之处，如金属流动规律的研究以及其对冷镦的影响，冷镦过程中毛坯件温度上升对冷镦力的影响，加工硬化的影响等等，有待进一步研究。