专利名称：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Cltl， 高度为0. 3mm，截锥体部分的上端直径为do=(p3.48mm,高度0. 3mm ；下端直径为dQ+lmm，高度为0. 3mm, d0为原始毛坯外径，在此为(p3.48mm。柱形喇叭口结构为直径为Dtl，即椭球体外径(p7.07mm，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 = Ι/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(p3.48mm，长度为37. Imm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、(p3.48mm、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φ7.07,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I1A高度处内外径差值之半Δ S = D-D1,式中D为外形中径讽为型腔最大直径；稳定性参数K = 2. 8或K = 21/(04)。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<p3.95mm:扳手槽的深度为1.6mm。
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。
具体实施例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北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Cltl，高度为0. 3mm,截锥体部分9的上端直径为(Itl，下端直径为屯+lmm，高度为0. 3mm, d0为原始毛坯外径。 柱形喇叭口结构为直径为Dtl，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 Imm0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 = Ι/d > 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(p3.48mm，长度为37. Imm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 (p7.07mm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1与其截面积之比来评定。为此，截面参数采用1/2高度处内外径差值之半(图4b) Δ S = D-D1,式中D为外形中径讽为型腔最大直径。稳定性参数可用K = Zl1AD-D1)，若第2工步使用图II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 = Ι/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(p3.48mm，长度为37. Imm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；工步II将工步I半成品毛坯置于图北所示梅花头螺钉头模锻装置中，将螺钉坯锥形头部镦成椭球体头部螺钉坯<p7.07x352mm;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，得到具有六角星形状特征的梅花头螺钉头，头部(PSxi^mm5S* 28. 2mm ；六角星形梅花槽尺寸外接圆<p3.95xl.6mm。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。
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的梅花头螺钉头模锻装置，其特征是，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Cltl，高度为0. 3mm，截锥体部分的上端直径为Cltl，下端直径为屯+lmm，高度为0. 3mm, d0为原始毛坯外径；柱形喇叭口结构为直径为Dtl，即椭球体外径，高度为3. 55mm的圆柱体。
3.一种根据上述任一权利要求所述装置的制造工艺，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 = Ι/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，进行模锻，得到梅花头螺钉头。
4.根据权利要求3所述的制造工艺，其特征是，所述的模锻是指工步I)选取直径为<p3.48mm，长度为37. Imm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、(p3.48mm、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；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。
5.根据权利要求4所述的制造工艺，其特征是，所述的椭球体的直径为φ7.07，厚度为5mm 。
6.根据权利要求4所述的制造工艺，其特征是，所述的螺钉坯的头部高径比K=1.2 <<2.8 ；截面参数采用1/2高度处内外径差值之半Δ S = D-D1，式中D为外形中径；Dl 为型腔最大直径；稳定性参数K = 2. 8或K = 21/(0^)。
7.根据权利要求4所述的制造工艺，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。
8.根据权利要求7所述的制造工艺，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。
9.一种根据上述任一权利要求所述的梅花头螺钉，其特征在于，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(P3.95mm;扳手槽的深度为1.6mm。
全文摘要
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。
文档编号B21K1/46GK102151786SQ20111010766
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者吕景林, 张海英, 王以华, 舒霆, 陈波 申请人:上海保捷汽车零部件锻压有限公司