一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法及模具

本发明涉及紧固件成形，尤其涉及一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法及模具。

背景技术：

1、高温高强内六角头螺栓被广泛应用于航空航天、船舶、石油化工等高温高压工作环境中，其可靠性和耐用性对于保障设备的安全运行至关重要。然而，由于高温合金材料的特殊性质，传统的加工方法难以满足其复杂形状和高精度的要求，因此需要采用更为先进的加工工艺。在室温条件下，高温高强合金强度高，塑性差，材料变形抗力大，加工成形时容易产生破裂缺陷，因此，需采用先加热后成形的工艺方法，提高材料塑性，获得较大的变形量。传统的多道次成形需要反复加热，降低了生产效率，本发明采用一次加热，双工位迅速成形方法，避免了坯料冷却和二次加热，有效提高生产效率。

2、现有的螺栓成形方法常采用杆部保持不变，镦制头部成形的工艺方式。如文献“申请公布号是cn103240359a的中国发明专利”公开了一种高强度六方通孔螺栓近净成形方法，其顺序包括(1)、管材下料；(2)、冷挤压、机加工，热处理退火、表面处理及润滑；(3)、将处理好的空心坯料放入一种高强度内六方通孔螺栓近净成形模具的成形凹模的模腔中，内六方通孔和螺栓头部的凸台一次成形，成形完后，挤压件可以从凹模中顺利地顶出；(4)将已近净成形好的挤压件机加工切削端面及螺纹制成一个标准的内六方通孔螺栓。

3、不难看出，文献公开的一种高强度六方通孔螺栓近净成形方法采用了螺栓的内六方通孔和头部的凸台一次成形的工艺，提高了成形效率；但杆部未加工成形，因此性能较差。本发明则采用正挤压成形螺栓杆部和反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构的双工位成形工艺，挤压杆部成形可有效提升杆部性能，使杆部表层晶粒细化，有利于提高材料强度，实现螺栓头部和杆部级进精确塑性成形，具有成形性能优异、生产效率高的优点；同时，通过正反挤压成形提高材料塑性，有效解决了带空心扳拧结构螺栓成形挤压制品不均匀，产品质量低等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法及模具。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，包括上模板、下模板和凸模，凸模包括挤压冲头和和反挤压凸模；

3、上模板与下模板之间设置有冲压设备导柱，冲压设备导柱上设置有导套，上模板上设置有反向压板，反向压板内设置有聚氨酯橡胶垫块，凸模通过聚氨酯橡胶垫块、反向压板固定在上模板上，并通过紧固螺栓连接进行固定；

4、下模板上设置有凹模垫块，凹模垫块上设置有挤压芯模，挤压芯模外套设有中预应力圈，中预应力圈外套设有外预应力圈，挤压芯模的型腔减径处设置有倒角，挤压芯模的型腔减径处下方设置有通孔贯通于凹模垫块和下模板。

5、进一步地，挤压冲头和反挤压凸模由头部区挤压凸模、中部区圆柱结构及尾部区圆柱结构形成四级台阶型圆柱结构，头部区挤压凸模直径与挤压芯模直径相同，中部区圆柱直径大于头部圆柱直径，尾部区圆柱直径大于中部区圆柱直径，头部区挤压凸模、中部区圆柱结构及尾部区圆柱结构的直径大小呈阶梯上升趋势。

6、进一步地，挤压冲头下方带有锥形凸台，挤压成形杆部的同时反挤压成形头部锥形凹槽，有利于二工位头部内六方空心扳拧结构的成形，反挤压凸模下方带有正六方形凸台。

7、进一步地，中预应力圈和外预应力圈均为圆环结构，中预应力圈外壁和外预应力圈内壁均设置有1°锥角。

8、进一步地，当凸模采用反挤压凸模时，下模板的通孔中安装有顶杆。

9、本发明还公开了一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法，包括上述任意一项所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，该成形方法包括一工位正挤压成形螺栓杆部和二工位反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构，具体包括以下步骤：

10、(1)下料：取一根tc4钛合金棒材，使用机床设备加工出坯料；

11、(2)加热坯料：将正挤压圆柱形坯料放入箱式电炉中加热，加热温度为960℃±10℃，保温15min±5min；

12、(3)凸模采用挤压冲头时，该模具为一工位正挤压成形模具；将加热好的坯料放入一工位正挤压成形模具的挤压芯模的型腔中；

13、(4)上模板连接导套，冲压设备导柱带动上模板向下运动，同时挤压冲头向下运动

14、(5)挤压冲头在向下运动过程中，在挤压芯模的约束作用下持续对坯料施加外力，材料在挤压冲头和挤压芯模的共同作用下向下流动，待挤压行程到一定位置时，正挤压圆柱坯料成形螺栓杆部；

15、(6)冲压设备导柱带动上模板向上运动，待冲压设备回程完毕，将凸模更换为反挤压凸模，在下模板的通孔中安装顶杆，防止在反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构时杆部区域材料发生流动；

16、(7)冲压设备导柱带动上模板向下运动，反挤压凸模同时向下运动；

17、(8)反挤压凸模在向下运动过程中，持续对螺栓坯料头部进行反挤压，成形头部的空心扳拧结构，变形区材料处于强烈三向压应力状态，提高材料塑性，获得较大变形量；待行程到一定位置时，螺栓头部内六角头空心扳拧结构成形完成；

18、(9)成形完毕后，冲压设备导柱带动上模板向上运动，待冲压设备回程到位，取出卸下下模板通孔中的顶杆，使用直径小于凹模垫块中通孔直径的脱模顶杆将成形完成的螺栓由下向上顶出，并将其机加工切削端面及滚压螺纹制成一个标准的内六方空心扳拧螺栓。

19、本发明有益效果：

20、本发明利用成形模具，实现一工位正挤压成形螺栓杆部成形和二工位反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构成形；对于高温高强材料，采用一次加热，双工位迅速成形方法，避免了坯料冷却和二次加热；本发明一道工序实现螺栓头部和杆部级进精确塑性成形，具有成形性能优异、生产效率高的优点。

技术特征：

1.一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：包括上模板(1)、下模板(11)和凸模，凸模包括挤压冲头(6-1)和和反挤压凸模(6-2)；

2.根据权利要求1所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：挤压冲头(6-1)和反挤压凸模(6-2)由头部区挤压凸模、中部区圆柱结构及尾部区圆柱结构形成四级台阶型圆柱结构，头部区挤压凸模直径与挤压芯模(7)直径相同，中部区圆柱直径大于头部圆柱直径，尾部区圆柱直径大于中部区圆柱直径，头部区挤压凸模、中部区圆柱结构及尾部区圆柱结构的直径大小呈阶梯上升趋势。

3.根据权利要求1所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：挤压冲头(6-1)下方带有锥形凸台，挤压成形杆部的同时反挤压成形头部锥形凹槽，有利于二工位头部内六方空心扳拧结构的成形，反挤压凸模(6-2)下方带有正六方形凸台。

4.根据权利要求1所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：中预应力圈(8)和外预应力圈(9)均为圆环结构，中预应力圈(8)外壁和外预应力圈(9)内壁均设置有1°锥角。

5.根据权利要求1所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：当凸模采用反挤压凸模(6-2)时，下模板(11)的通孔中安装有顶杆(12)。

6.一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法，包括权利要求1-5任意一项所述的一种双工位正-反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形模具，其特征在于：该成形方法包括一工位正挤压成形螺栓杆部和二工位反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种双工位正‑反挤成形带空心扳拧结构螺栓的成形方法及模具，该模具包括上模板、聚氨酯橡胶垫块、反向压板、导套、冲压设备导柱、凸模、挤压芯模、中预应力圈，外预应力圈，凹模垫块及下模板，顶杆；该成形方法包括：一工位正挤压成形螺栓杆部和二工位反挤压成形螺栓头部空心扳拧结构；一工位正挤压模具主要使用挤压冲头和挤压芯模成形，二工位反挤压模具主要使用反挤压凸模和挤压芯模成形。对于高温高强材料，采用一次加热，双工位迅速成形方法，避免了坯料冷却和二次加热；本发明一道工序实现螺栓头部和杆部级进精确塑性成形，具有成形性能优异、生产效率高的优点。

技术研发人员：曾祥,米忠宝,黄乐亨,徐雪峰,李宏伟,陈霄霄,罗杰,余绍伟
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17