螺栓冷鐓缺陷分析與模具改進

株洲聯(lián)誠集團有限公司 (湖南 412001)劉幫平

中國南方航空工業(yè)集團有限公司 (湖南株洲 412002)諶曲平 袁 鵬

冷鐓具有生產(chǎn)率高、材料利用率高、零件表面質(zhì)量和內(nèi)在綜合性能好、金屬流線連貫合理等優(yōu)點。相對于機加工零件，冷鐓零件機械性能一般可提高10%左右，有的甚至達20%，加工效率可達50 倍以上，而材料利用率可提高近100%。螺栓、螺釘、鉚釘?shù)染o固件的生產(chǎn)幾乎80%以上采用冷鐓方法，它是緊固件加工的首選工藝。然而冷鐓作為一門獨立的工藝卻沒有得到足夠的重視，專門介紹冷鐓工藝及模具設(shè)計方面的資料極少。并且相對于民品緊固件材料大部分為碳素鋼，航空發(fā)動機緊固件由于使用環(huán)境更惡劣、性能要求更高，故材料很多為高強度結(jié)構(gòu)鋼、高溫合金或鈦合金等，加大了冷鐓的難度。某航空發(fā)動機公司目前冷鐓零件毛坯基本加工過程如圖1 所示。近年來，由于緊固件裂紋等原因而導(dǎo)致的航機事故也偶有發(fā)生?？梢?，看似形狀簡單的緊固件的質(zhì)量仍然不容小視。本文通過分析某航空發(fā)動機公司某六角頭螺栓質(zhì)量問題，找出引起冷鐓缺陷的主要原因，并利用有限元體積模擬軟件模擬冷鐓過程，進而優(yōu)化模具設(shè)計，使產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高，也為冷鐓模設(shè)計提供了較好的參考價值。

圖1 某航空發(fā)動機公司冷鐓零件加工圖

1.冷鐓缺陷現(xiàn)象

某材料為GH2132 的六角頭螺栓，在一模兩沖冷鐓機CH-6L 上冷鐓，冷鐓后螺栓頭部外圓周折痕現(xiàn)象明顯，甚至有裂紋產(chǎn)生，類似缺陷如圖2 所示。由于缺陷太深，車除加工余量后，仍然不能滿足相應(yīng)驗收要求，導(dǎo)致生產(chǎn)無法繼續(xù)進行。

圖2 折痕/裂紋

2.原因分析

冷鐓過程中產(chǎn)生折痕/裂紋的原因很多，有材料自身原因，如材料偏析嚴(yán)重、硬度過高、表面有過劃痕等;有冷鐓模具原因，如粗鐓模具型腔設(shè)計不合理、精鐓模體積不正確、陰模腔間隙過大/過小、剪刀模送進距離大/小、剪刀模夾持過緊、凸凹模腔錯位等;同時，坯料切斷面斜角過大，潤滑效果差，冷鐓機不穩(wěn)定都可能造成折痕/裂紋。由于材料入廠復(fù)驗各項指標(biāo)均符合相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備運行較穩(wěn)定，故主要從模具方面著手解決折痕/裂紋缺陷問題。

(1)坯料成形分析 對于一定規(guī)格的材料，鐓鍛比愈小加工愈容易;鐓鍛比較大時，在制定工藝時應(yīng)該適當(dāng)增加鐓鍛次數(shù)，一般鐓鍛比與鐓鍛次數(shù)的關(guān)系如表1 所示。

表1 鐓鍛比與鐓鍛次數(shù)的關(guān)系表

某六角頭螺栓冷鐓前總長L=25.5mm，直徑為3.1mm，冷鐓后毛坯要求桿部長12.5mm，螺栓頭高2.65mm。通過計算，此六角頭螺栓鐓鍛比S=13/3.1≈4.19，冷鐓變形程度ε=(13 -2.65)/13×100%≈79.6%。鐓鍛比S 已接近二次鐓鍛的極限，并且，一般材料鐓鍛比達3 時，鐓粗就容易產(chǎn)生雙鼓形;大于3 后，坯料就容易產(chǎn)生類似于壓桿失穩(wěn)的縱向彎曲。加之坯料切斷面不可能完全平整，這樣粗鐓時坯料就受到一個垂直于軸線的分量力的干擾，加劇了縱向彎曲趨勢。圖3 所示為慢速調(diào)整過程中粗鐓后的坯料變形情況(試驗時只關(guān)注螺栓頭部的變形情況，故圖中非變形區(qū)的桿部長度有不一致的現(xiàn)象)。從圖中可看出，粗鐓時側(cè)彎十分明顯(速度太慢也在一定程度上會加劇此種缺陷)，導(dǎo)致精鐓時根本不可能彌補此缺陷，于是極易形成類似于圖2所示的折痕。同時零件變形程度大，精鐓后坯料局部接近或超過材料許用變形程度從而使螺栓頭部產(chǎn)生裂紋。

圖3 粗鐓試驗后的毛坯

(2)Deform3D 模擬分析 Deform3D 有限元系統(tǒng)是美國SFTC 公司開發(fā)的一套專門用于金屬塑性成形的軟件，是當(dāng)今國際上最流行的金屬加工數(shù)值模擬軟件之一。在模具設(shè)計階段，有限元模擬可以分析材料的流動規(guī)律，預(yù)測是否產(chǎn)生缺陷，從而檢驗?zāi)＞咝螤钆c尺寸設(shè)計的合理性，優(yōu)化模具設(shè)計和其他工藝參數(shù)。

首先依據(jù)工藝要求的實際尺寸，在Pro/E3.0 中對坯料、粗鐓模、精鐓模、冷鐓凹模造型，保存為.stl 格式(由于只分析材料成形，故模具外觀形狀可簡化，而坯料是指經(jīng)切斷模切斷后的部分)。然后導(dǎo)入Deform3D 軟件中，模擬過程中，為了減少計算量，假設(shè)模具為剛體，在冷鐓過程中不發(fā)生變形。坯料材料選擇軟件材料庫中的美國牌號A286 (相當(dāng)于此六角頭材料GH2132)。設(shè)置模擬各參數(shù)，依零件冷鐓成形過程進行模擬，模擬結(jié)果如圖4 所示。從圖4可見，模擬結(jié)果與坯料冷鐓生產(chǎn)結(jié)果基本一致。所以，為了解決折痕/裂紋缺陷，粗鐓側(cè)彎必須盡量減小或避免。

3.模具新型設(shè)計

圖4 Deform3D 模擬結(jié)果

粗鐓模的設(shè)計原則是:首先，要求有盡可能大的變形比，為第二次鐓鍛成形做準(zhǔn)備;其次，要避免金屬纖維產(chǎn)生縱向彎曲。傳統(tǒng)的粗鐓模型腔都是簡單的圓錐結(jié)構(gòu)，為了使粗鐓盡可能產(chǎn)生較大變形使兩次成形均勻，只得通過加大圓錐角，但隨著角度的增加，坯料成形過程中縱向彎曲的傾向也在加大。為了兼顧兩方面，在試驗摸索基礎(chǔ)上，提出了圓柱腔+彈簧結(jié)構(gòu)粗鐓模設(shè)計方案。在保證粗鐓較大變形量的同時，通過在粗鐓模型腔小端增加一個圓柱形型腔來加強定位導(dǎo)向作用，增加坯料在變形中的穩(wěn)定性，如圖5 所示。針對加定位腔在一定程度上使坯料粘模傾向加大的問題，采用彈簧頂桿結(jié)構(gòu)。這樣既有利于減弱坯料端面不平帶來的影響，也能避免模具潤滑不好時坯料粘模狀況的發(fā)生。

圖5 粗鐓模結(jié)構(gòu)改進過程

新型粗鐓模具的主要參數(shù)β、h、y 和dm。粗鐓模錐角β 可參考表2，由于此六角頭螺栓鐓鍛比及變形率均很大，在保證粗、精鐓變形量基本合理的情況下，盡量采用大角度。通過Deform3D 模擬粗鐓模型腔角度不同情況下粗鐓成形后的坯料形狀，確認一個基本的角度范圍。再結(jié)合范圍內(nèi)各角度下采用0.5mm、1.0mm、2.0mm 和2.5mm 的定位腔高度時，模擬坯料粗鐓試驗狀況?？芍?，在一定范圍內(nèi)隨著定位腔高度增大，定位導(dǎo)向作用增強，側(cè)彎逐漸被消除。而對于兩次鐓鍛成形的零件，一般粗鐓后高度為原變形部分總高度的2/3。所以h 值過大，會導(dǎo)致粗鐓變形量減少;而錐角β 過大，也會削弱坯料成形過程中的穩(wěn)定性。通過比較模擬試驗，此六角頭螺栓，定位腔高度h=1.8～2.3mm，錐角β 為3°～4°為宜。結(jié)合冷鐓機床設(shè)備合模情況，在確定模具定位腔及錐角β 的同時，考慮坯料鐓鍛前后體積基本不變原則上求出圖5 中的y 值。

表2 鐓鍛比與粗鐓模鍛角關(guān)系表

4.新型結(jié)構(gòu)設(shè)計效果

通過采用新型粗鐓模設(shè)計方案，坯料在成形過程中，由于圓柱腔加強了對坯料定位導(dǎo)向作用，成形過程更穩(wěn)定，大鐓鍛比的某六角頭螺栓粗鐓側(cè)彎現(xiàn)象完全得到消除，加上彈簧存在頂出作用，粘?，F(xiàn)象也沒有發(fā)生，產(chǎn)品最終鐓粗尺寸合格，外表質(zhì)量符合相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)語

(1)通過采用新型粗鐓模:圓柱腔+彈簧頂出結(jié)構(gòu)，解決了一模二沖設(shè)備冷鐓某大鐓鍛比大變形量螺栓側(cè)彎缺陷問題，為今后類似零件的冷鐓模設(shè)計提供了很好的思路。

(2)有限元數(shù)值模擬軟件Deform3D 給冷鐓成形問題的分析及模具設(shè)計提供了非常好的參考價值，可在冷鐓成形領(lǐng)域發(fā)揮很大的作用。