摘要：在板料沖壓件上，按其料厚不同分別采用精沖小孔、變薄翻邊、冷沖擠等工藝方法，成形螺紋底孔。本文論述了上述螺紋沖壓成形工藝、沖模結構及其設計與制造技術。
主題詞：沖件螺紋底孔  沖小孔  變薄翻邊  冷沖擠  成形技術
 
螺紋聯接結構，尤其緊螺紋聯接結構，是各種機電與家電產品中零部件最主要的聯接結構型式。薄板沖壓件進行緊螺紋聯接，需要有大于料厚的聯接螺紋長度，以確保其聯接可靠性，增強其負載能力，才能達到使薄板沖件聯接牢靠、重量小的目的，從而使其成為結實、輕巧、緊湊的理想結構零件。

在儀器儀表、電子電器、各類家電、家用器具、玩具等產品的板料沖壓件上，經常采用M2-M10的小螺紋緊聯接結構。為提高效率并滿足大量生產的需求，采用精沖小孔、變薄翻邊、冷沖擠等工藝方法，沖壓成形這些小螺紋底孔，不僅能以沖壓制孔取代鉆孔而大幅度提高生產效率，同時能獲得尺寸精確、一致性好的底孔，并可使螺紋聯接有足夠的長度，從而確保其聯接可靠性及設計要求的承載能力。所以，用沖壓成形技術加工小螺紋底孔，具有優質高產的效果，也是一種成熟而值得推廣的工藝技術。

1　螺紋底孔的計算

合適螺紋底孔的大小，不僅取決于螺紋直徑，而且與其螺距有著密切的關系，通常可按下式計算：

當t_L≤1時，取：d_Z=d-t_L

當t_L>1時，取：d_Z=d-(1.04～1.06)t_L      (2)

式中  t_L-螺距，mm
d_z-螺紋底孔直徑，mm
d-螺紋直徑，mm

表1 螺紋底孔直徑的合理值(mm)

2　沖制螺紋底孔的基本工藝方法

用冷沖壓沖制板料沖壓件上螺紋底孔的主要工藝方法有如下幾種：

(1)厚料沖小孔與精沖孔

當沖件厚t可以滿足螺紋聯接所需長度時，可用沖壓制孔工藝解決。通常在這種情況下，多為厚料沖小孔，即沖制螺紋底孔的直徑dz≤t或稍大于t，見表2。螺紋聯接的最小有效長度取決于螺紋直徑、螺距并與聯接件的材料種類密切相關。

表2 厚板沖制小螺紋底孔參數(中碳鋼沖件)

從表2可以看出，一些t≥3～12mm的中厚板沖件，其料厚可以滿足螺紋直徑適中的一些緊螺紋聯接要求的螺紋聯接長度。故可用沖孔或精密沖孔、沖小孔諸工藝方法沖制螺紋底孔。

螺紋底孔不僅尺寸要求較晉嚴，孔壁也要垂直平整。否則，攻制螺紋時因絲錐較細而長，沖制孔壁因冷作硬化較硬，很易磨損與折斷。故一般用標準間隙或大間隙沖孔，均不能滿足攻絲要求，除非另加擴孔或鉸孔工序。而這樣做顯然不經濟。這里推薦用精沖孔或小間隙厚料沖小孔工藝對表2所列小螺紋底孔的沖制加工。這些沖壓制孔工藝都已在生產中推廣應用，比較成熟。即便使用普通國產標準壓力機進行精沖孔或厚料沖小孔工藝，國內使用也很普遍，尤其在儀表、開關電路行業、應用較多。

(2)變薄翻邊

對薄料沖件采用變薄翻邊沖制小螺紋底孔是目前國內使用廣泛的工藝方法。通過對薄料的變薄翻邊，增加螺紋底孔的軸向長度，使螺紋聯接長度加大，使螺紋聯接結構更堅固、可靠。同時，還能有效減小產品重量。利用變薄翻邊沖制螺紋底孔多用于料厚 t≥3mm的薄板沖件。其翻邊幾何尺寸參數列入表3，供參考。

表3變薄翻邊沖壓成形螺紋底孔推薦參數

(3)冷擠壓

對料厚t≤2mm的薄板沖件，采用冷擠壓的方法在板料上沖擠出類似翻邊的螺紋底孔。此工藝無須預沖孔，用閉式冷擠模沖擠。凸模壓入板料后，材料在凹模中圍繞在凸模周圍重新分配成環狀凸緣，從而獲得孔徑精確、高度足夠的螺紋底孔。孔的末端帶有薄薄的連皮，在改制螺紋時由絲錐沖去。這種工藝早在60年中期已在國外應用。其優點是冷擠孔凸緣壁厚比翻邊的厚而均勻，加上冷擠中比翻邊更劇烈的冷作硬化，使其螺紋聯接具有更高的負載能力。但該工藝至今尚未在國內推廣應用。

3　沖制小螺紋底孔的工藝技術

在t>3～12mm的中厚板上沖制d≤t的小孔作為螺紋底孔dz，不僅生產效率高，而且質量好，互換性強。同時，冷作硬化效應還能提高螺紋強度。為此，在料厚能保證螺紋聯接長度時，為確保制螺紋底孔的孔形及孔壁垂直度與光潔表面，即使dz>t仍采用沖小孔或精沖孔的工藝技術加工，可省去普通沖孔后增加擴孔與鉸孔工序，獲取良好的經濟效益。

厚料沖小孔及精沖孔與普通沖大孔在工藝技術上的主要區別在于：

(1)普通沖大孔的沖孔間隙Z值，以中碳鋼為例，Z=(5%～10%)t(單邊，下同)。故沖出孔徑上小下大帶有明顯的錐度，僅上部約料厚三分之一為光亮帶，孔口下部約料厚三分之二孔壁為粗糙的撕裂斷面。而沖小孔與精沖孔的沖孔間隙Z=(0.5%～ 1%)t,僅為普通沖大孔的十分之一左右，故沖出孔尺寸精確，孔壁垂直，孔壁表面粗糙度可達Ra0.8～Ra0.4。
(2)在中厚板上沖大孔，通常都采用硬性卸料板，板料在自由狀態下沖孔；沖小孔與精沖孔均采用強力壓料板，沖孔時在板料沖孔直徑周圍(5～8)d范圍內施加0.3～0.5σs的壓料力(σs為沖件材料的屈服極限)，約為普通彈壓卸料板壓料力的3～5倍，見圖2.a～m各圖。
(3)與眾所周知的普通沖大孔的分離變形過程不同，厚料沖小孔與精沖孔均使材料處在三向壓應力狀態下，以微間隙進行塑性純剪切或接近塑性純剪切的分離變形過程。沖孔廢料由同凸模強制沖擠進入凹模孔中。當要求較高的沖孔尺寸精度和孔壁表面質量時，必須適當的減小沖孔間隙，增加壓料力，以便產生更好的沖擠過程，見圖1。
(4)精沖及沖小孔的孔壁與凸模中心線平行，沒有普通沖大孔那樣的錐度，而且孔的尺寸較穩定。通常沖出孔直徑比凸模稍大，孔壁為100%光亮帶，其表面粗糙度Ra值為0.4～0.8μm。
(5)由于清沖孔，沖小孔的分離變形過程與普通沖大孔截然不同，見圖1。如使用普通標準機械壓力機實施精沖孔，沖小孔時，除計算最大沖孔力外，還應計算其沖裁功，以便準確地選定設備噸位。而在計算最大沖孔力時，采用眾所周知的傳統計算公式則不符合沖小孔、精沖孔的實際情況，推薦使用Timmerbeil公式：

Pmax=Loto(1-t'/t)σb (N) (1)

式中 Pmax--最大沖孔力，(N)
L--沖裁線長度即沖孔周長，(mm)
t--沖孔件料厚，(mm)
t'--沖孔初始階段，凸模擠入材料深度，(mm)
σb--沖孔件材料抗拉強度，(MPa)
(1-t'/t)--取決于沖件材料屈強比，即σs/σb比值。就05～20鋼而言，(1-t'/t)之值約在0.6～0.7之間。

只按最大沖孔力(沖裁力)選定壓力機噸位是很不夠的。因為，壓力機的輸出壓力取決于它的曲軸抗彎強度和齒輪齒廓的抗剪強度；而壓力機輸出的沖壓(有效)功則取決于它的飛輪儲備能量大小及其電機輸出功率大小和充許的超載能力。功率超載會使其飛輪轉速急劇下降，電機滑差，線圈過熱而燒毀。壓力機的公稱壓力是曲柄旋轉至下死點前30°、滑塊下行至下死點前6.7%的行和處所產生的整個行程的最大壓力。大于6.7%行程各點的壓力都小于公稱壓力，行程中間點壓力最小，僅為其公稱壓力的一半。壓力機輸出的沖壓功隨飛輪轉速下降而減少。電機驅動飛輪旋轉儲備能量。飛輪轉速達到額定轉速才能達到設計規定輸出的沖壓(有效)功。與上述公稱壓力一樣，電機功率、飛輪轉速及有效功等參數，壓力機使用說明書中都有詳細論述。計算時只要按下式求得的沖裁功小于所選壓力機額定輸出有效功，就可滿足要求。

A=kpt/1000 (J) (2)

式中　A--平刃中沖裁變形功，J
P--沖裁力，N
t--沖件料厚，mm
k--材料種類系數，見表4。

表4系數K數值

由于中厚板沖小孔、沖深孔與普通沖孔的變形過程、板料受力情況以及對沖壓力和功的需要是截然不同的，應予分別對待。

在普通沖裁過程中，對中厚低碳鋼板沖孔，如果沖孔間隙適當，凸模只需進入料厚的三分之一左右，沖孔就完成了，但由于此時間隙值達料厚的4%～13%t(單邊)，料厚的三分之二以上是拉斷、撕裂而不是剪切，故在沖擊孔的上邊，即貼近凸模的一面，孔的尺寸接近凸模；而下部孔的底面即貼在凹模表面的孔徑則按近凹模尺寸。故孔的上下兩端直徑相差兩邊的沖孔間隙。即便按4%t小間隙(單邊)計算，如t=5mm,沖孔直徑d=4mm,孔上、下部直徑差0.4mm。

國內目前在中厚板上沖小孔的工藝方法除強力齒圈壓板精沖孔外，還有在普通機械壓力機上進行光潔沖裁，包括小間隙圓刃口凹模、小間隙截錐形和圓錐形以及分段臺階式凸模精沖孔、小間隙強力壓料板壓料沖深孔等多種方法。

圖1示出在t=7mm低碳鋼板上沖制φ2.5mm小孔的過程。當強力壓料板通過凸模導向護套在板料上5～8d沖孔范圍內施加的壓料力和凸模端面加壓后使材料應力達到比例極限σn時，使材料進入彈性變形階段1。此時，凸模擠入材料0.5mm，材料受壓而聚集在凸模周圍，形成輕微的環關凸起；凸模及壓料板加大壓力，應力達到材料的屈服極限σ。使沖孔材料進入2塑性流動階段，凸模擠入材料2mm,材料產生定向塑性流動，開始進入凹模；凸模繼續下行，進入材料達33mm時，材料停止向孔周流動并大量擠入凹模。此時刃口部分材料應力達到其抗剪強度極限στ并發生顯微裂紋，即圖示3剪切變形階段；凸模再下行進入材料3.5mm深時，上述顯微裂紋擴展并沿凹模刃口出現剪切裂紋，開始剪裂，見圖1～4剪裂階段；凸模再繼續下行至凹模刃口上表面0.1～0.2mm時，完全剪斷。凸模把沖孔廢料推入凹模洞口，完成最后的5推卸階段。

中厚板沖小孔，包括沖孔直徑d=t或稍大于t的凸模，一般都采用圖2所示加固結構。但若沖制螺紋底孔，都采用圖2-a～g強力壓料及可伸縮(見圖2-a.b.)導套或卸料板導向結構型式。

圖2 沖小孔凸模的常用加固結構型式

a～g 系強力壓料沖孔凸模加固結構；
a.b-可伸縮凸模護套；
c～e-局部強力壓料；
f～g-導向壓料結構；
h～m 系固定卸料沖孔凸模加固結構；
e.m.j-用于細長凸模的加固結構；
h.k-普通沖孔凸模的加固結構。

4　變薄翻邊成形小螺紋底孔的工藝技術

據長期現場工作實踐經驗，就A3、08～20鋼、H62～H68黃銅及軟態紫銅等材料的薄板沖壓件變薄翻邊成形小螺紋底孔而言，控制和合理確定其變薄翻邊系數Ko、翻邊孔壁的變薄系數Eo等，是保證變薄翻邊成形合格螺紋底孔的關鍵。

推薦變薄翻邊系數：

Ko=do/dz=0.40～0.45 (3)

推薦預沖孔直徑：

do≥t (4)

推薦翻邊孔壁變薄系數：

Eo=[(Dz-dz)/2]/t=0.60～0.65 (5)

推薦按以下各式進行小螺紋底孔的變薄翻邊工藝計算：

預沖孔直徑：

do≈(0.45～0.50)dz (mm) (6)

翻邊孔外徑：

Dz=dz+1.3t (mm) (7)

翻邊高度：

Ho=[t(D2z-d2z)/(D2z-D2z)]+(0.1～0.3) (mm) (8)

在正常情況下，采用上述計算方法及推薦工藝參數，翻邊孔不會開裂，并具有足夠的翻孔壁厚和強底，達到較好的翻邊質量。

5　冷擠壓小螺紋底孔的工藝技術

在閉口結構冷鍛模中，通過無毛邊體積沖壓，實際上是冷擠壓，獲得尺寸精確、孔壁垂直的翻邊螺紋底孔。閉式模中冷沖擠所需壓力較大，推薦用下式計算其沖壓力PT：

PT=PσSVKT (N) (9)

式中 F--沖壓件的水平投影面積，mm2；
σS--沖件材料的屈服強度，MPa；
V--閉口冷態體積沖壓特性系數。
無毛邊沖擠取V=1.7～2；
KT--考慮沖壓結構型式及外摩擦系數，一般取KT=1.3～1.6。

冷沖擠薄板成翻邊小螺紋底孔時，凸模沖出底孔內徑，因無預沖孔，凸模沖下材料的體積，約大于凹模中圍繞凸模之環狀型腔容積的1～2%，即0.7854d2h=0.7854(D2-d2)(H-h)+0.02(0.7854d2h)。其中，d即dz，D即Dz。由于工作時，凸模直徑d及凹模腔直徑D都要承受驟裂摩擦，往往要經常加潤滑油，加上材料的彈性變形，d與D尺寸反映在沖件上總比計算dz與Dz有少許偏差。設計模具時應適當考慮這些因素。說明：dz小螺紋底孔的底部連皮很薄，在攻制螺紋時，由絲錐頂部沖去，無須另設專門工序去除。

6　沖模結構設計要點

在板料沖壓件上，用沖壓法獲取螺紋底孔，所用沖模結構有一些不同的特點，在設計這種沖模時，應注意以下一些要點：

(1)用沖壓制孔即沖孔獲取螺紋底孔時，用普通沖裁工藝沖孔，獲取的孔形及孔徑尺寸精度等均不能滿足作為螺紋底孔的起碼要求，除非增加擴孔與鉸孔工序。由于普通沖孔的孔壁有個較大的錐度，且僅孔深三分之一為光潔壁，余下三分之二撕裂孔壁，孔徑大，表面又粗糙，甚至是個臺階。所以，為一次沖制成螺紋底孔，通常都采用：沖深孔、光潔沖孔、精沖孔等工藝方法，以獲取孔徑尺寸精確、孔壁垂直、孔壁表面平整光潔，完全滿足作為螺紋底孔的各項精度要求。這些與普通沖孔工藝不同的上述各種沖孔工敢的工檢同特點是：沖孔間隙小，僅為普通沖孔的10%左右，一般取間隙Z=0.5%～1%t(單邊)；采用強力彈壓卸料板機構，不華裔能校平板料且可將板料壓牢在凹模表面，約為普通沖裁壓料力的2～3倍。在沖模結構設計上應體現這些特點。否則就沖不出合格的螺紋底孔。

(2)在t<3mm的薄板沖壓件上，通過變薄翻邊獲取小螺紋底孔，所用沖模多為一模成形的多工位連續式復合模。而且多數為沖孔、翻邊、落料三工位連續模。其中，翻邊凸模的設計、間隙的合理值確定并始終保持均勻是這類沖模設計的關鍵。此外，對細長沖孔、翻邊凸模的合理加固和進距限位裝置的選擇也十分重要。

(3)由于翻邊凸緣作為緊螺紋聯接的螺母基體，對其尺寸精度要求較高：變薄翻邊凸緣高度Ho、翻邊凸緣內孔即螺紋底孔dz、翻邊凸緣外徑Dz等，允許偏差均小于±0.05c～v±0.1mm。這對沖模的結構設計及有關工藝計算，都提出了較高要求。

(4)翻邊凸模的結構形狀設計及翻邊間隙的合理確定是這類沖模結構設計成敗的關鍵。圖5所示翻邊凸模常用的結構形狀，可供設計選用。

圖5 變薄翻邊凸模的結構形狀

有預沖孔翻邊凸模，見圖a～c；無預沖孔翻邊凸模(穿孔翻邊)，見圖d～e。圖中符號意義：t沖件料厚， d2翻邊凸緣內徑即螺紋底孔直徑，Dz翻邊凸緣外徑，Ho翻邊凸緣高度，do翻邊預沖孔直徑，Do翻邊凸模桿部直徑，d無預沖孔翻邊凸模穿孔直徑。

由于在薄板沖壓件上通過變薄翻邊獲得的小螺紋底孔，對Ho、dz以及翻邊凸緣壁厚to=(Dz-dz)/2≈0.65t等參數值要求精度較高，一般應控制在±0.05～±0.1mm。通常都優先選用圖5a凸緣口部平整度要求不高時，亦可用圖5b、c所示凸模型式。無預沖孔翻邊所獲凸緣口部不齊，多數情況下僅用于t<1.5mm薄料非螺紋底孔的翻邊成形以及對Ho尺寸無精底要求的粗淺螺紋底孔加工。

(5)進距限位裝置的選擇要與沖件料厚及其尺寸大小與精度、沖模結構等相匹配，對于單工位的翻邊模和沖孔、翻邊、落料復合模，以采用各種擋料裝置對送進材料進距限位為主，包括：固定擋料銷、固定擋料板(塊)及定位板、活動擋料銷、自動擋料裝置等。而翻邊件用多工位連續模，尤其變薄翻邊成形小螺紋底孔的連續模，由于沖件料厚t<3mm，又都采用導柱模架、強力彈壓卸料板結構，其進距限位裝置大多使用側刀。

側刀有標準的與非標準的兩大類。常用的標準側刃有普通帶導頭和不帶導頭的二類各有矩形、凹槽形及單面凹槽形計六種都已納入國際GB2865.1～4--81《冷沖模側刃和導料裝置--側刃》標準中，合計各38個規格，總計228個規格，可供設計選用；為了節省材料，利用沿邊廢料和沖件能夠進行無搭邊排樣等結構形狀的特點，用專用特殊形狀的側刃，進行條料側邊的成形沖切及落料部裁，即通稱的成形側刃、落料側刀。使用側刃的條件如下：

①用各種薄板金屬材料大量生產中小尺寸、高精度沖件并要求有更高的生產率。
②沖件尺寸精度在ITIO級以上并有相當或更高的形位精度要求。
③使用標準側刃，送料進距S≤50mm,送進誤差≤±0.15mm；使用非標準側刃，進距大小不受限制，沖切形狀也可按需要設定，但側刃切料長度通常均等于進距S。
④沖件料厚t≤0.5mm應優先選用側刃對進距限位；t>0.5～1.0mm時，推薦使用側刃；t>1.0mm使用側刃要與其他進距限位裝置比較選用。
⑤送料進距小，使用其他進距限位裝置皆有困難或達不到要求的限位精度。
⑥采用卷(帶)料進行高速連續沖壓。

在多工位連續模中，用側刃限位比用固定擋料銷、活動擋料銷等精確、可靠。但普通標準側刃只適用于有搭邊排樣，增加廢料量、加大了沖裁力，使用沖模結構趨于復雜。使用非標準成形側刃、落料側刃可以消減廢料消耗，克服標準側刃缺點，發揮其優勢。

7　沖模的典型結構淺識

以下簡介的幾套沖模結構經生產中長期使用效果不錯。現就其結構淺識如下：

圖6 沖深孔模典型結構
1 凹模框 2 定位板 3 導柱、導向卸料板 4 壓簧 5 墊板 6.11.18.20 螺釘 7 上模座 8 模柄 9 沖孔凸模 10.15 凸模可伸縮扇形塊護套 12 導柱 13 銷釘 14.17導套 16 凹模鋃塊 19 定位釘 21 下模座

圖7 變薄翻邊三工位連續式復合模
圖注：1.15壓簧 2.7.10.11.16.17.21.22.26各種螺釘 3.23銷釘 4.模柄 5 推入式活動模柄 6.25上下模座 8.墊板 9.小導柱 12.導料板 13.承料板 14.側刃 18.翻邊凸模 19.落料凸模 20.導料板
24.防護柵 28.卸料板 29.導套

(1)厚料沖深孔模

通常當沖孔直徑d≤(0.5～0.7)t時，在中厚板即t>3mm的板上沖孔，優先推薦采用這類沖深孔模。

該沖模使中加厚模座、加粗、導柱的強壓卸料板導向中間導柱模架，高精度浮動模柄，加厚卸料板，故模具整體剛度好，導向好。

僅φ2.5mm的細長凸模，因采用了全長導向的可伸縮扇形塊式護套，且與凸模直徑采用了(基軸制)h7/H8配合，單邊配合間隙控制在≤2%d較理想。

(2)變薄翻邊多工位連續式復合模

該沖模為薄料小尺寸沖件的沖孔、翻邊、落料三工位連續式復合模。沖件的翻邊凸緣高度

Ho=2.6±0.1mm,凸緣內徑即螺紋底孔dz=φ3.3±0.1mm，凸緣口部翻邊后不允許有裂紋。沖件外形尺寸=厚×長×寬=1×5×15mm，無更高的形位精度要求。

該沖模采用推入式活動模柄、加厚模座后側導柱模架，卸料板加小導柱導向，使模具不僅整體剛度好，而且導向精度。卸料板相應模孔與細長沖孔及翻邊凸模采用基軸制h6/H7配合，增強了這些凸模抗縱彎的穩定性。落料凹模采用鋃塊結構，也可采用整體凹模。則具有更佳的制造工藝性。為確保操作安全，該沖模在下模安裝了防護柵。