六角開(kāi)槽螺母的冷鐓工藝優(yōu)化及數(shù)值模擬

張東民，盛育東，張金玉，劉子贏

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200000）

1 引言

汽車工業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用，而汽車緊固件是汽車上最重要的一環(huán)，直接影響車輛行駛的安全，六角開(kāi)槽螺母就是汽車行業(yè)中常用的一類自鎖螺母。六角開(kāi)槽螺母的作用是與帶孔螺栓和開(kāi)口銷配合使用，以防止螺栓和螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將車架和輪胎固定在一起。目前，絕大部分企業(yè)對(duì)該類六角螺母的加工都是采用熱鐓成型，然后通過(guò)機(jī)加工銑削成型螺母的凹槽，最后在攻絲機(jī)上攻螺紋，但是存在一系列問(wèn)題，包括材料在加熱過(guò)程中的氧化和脫碳，后續(xù)需要增加去氧化皮工序；材料利用率低；銑削凹槽容易切斷材料纖維組織，降低零件的強(qiáng)度；零件表面質(zhì)量和力學(xué)性能較差；生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)等[1-2]。因此，企業(yè)要想在市場(chǎng)上具備競(jìng)爭(zhēng)力就必須改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。冷擠壓成型是一種少、無(wú)切削的先進(jìn)加工工藝[3]，不僅生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量也更能得到保證，已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)陸續(xù)研制并開(kāi)發(fā)了多種型號(hào)的多工位冷鐓機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷鐓成型[4-5]，送料、切料、壓角、沖孔各道工序一機(jī)完成，各工位同時(shí)成型。多工位冷鐓成型是螺母、螺栓、螺釘?shù)染o固件的主要成型技術(shù)[6]，節(jié)材、省時(shí)、機(jī)械性能好。為了縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，在初步確定工藝路線和完成相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)后，采用有限元技術(shù)Deform-3D對(duì)六角開(kāi)槽螺母的成型工藝進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析比較最大應(yīng)力應(yīng)變、損傷值等信息，研究其變形規(guī)律，以驗(yàn)證成型方案的可行性，通過(guò)對(duì)比分析選擇出最佳的成型工藝方案。

2 六角開(kāi)槽螺母冷鐓工藝分析

六角開(kāi)槽螺母的零件圖，如圖1所示。螺母規(guī)格M24mm，材料為SCM435合金鋼，其力學(xué)性能，如圖表1所示。塑性較好，適合冷鐓成型。六角開(kāi)槽螺母外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部為螺紋孔，外輪廓分為上下兩部分，上部是一個(gè)錐形回轉(zhuǎn)件，錐頂直徑為Φ22.7mm，錐底直徑為Φ29.5mm，高度為8.5mm，圓弧四等分點(diǎn)上設(shè)有4個(gè)凹槽，槽寬5mm，槽深8mm，下部為六角結(jié)構(gòu)，加工較為困難。

圖1 六角開(kāi)槽螺母零件圖Fig.1 Hexagonal Slot Nut Part Drawing

表1 SCM435鋼力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of SCM435

根據(jù)六角開(kāi)槽螺母的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能要求，提出了兩種多工位冷鐓工藝方案，經(jīng)過(guò)計(jì)算兩種方案的變形程度分別為71.66%、62.65%、1.13%、43.96%和60.13%、30.22%、8.78%、46.06%、2.40%、43.96%，均在SCM435材料許用變形程度75%范圍內(nèi)，因此，在理論上多工位冷鐓工藝方案是可行的。第1種方案各工位變形圖，如圖2所示。工位1，反擠壓成型上部盲孔及凹槽，鐓倒角；工位2，通過(guò)夾鉗將毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，反擠壓成型螺母底部盲孔并縮徑成型上部回轉(zhuǎn)面；工位3，利用模具填充螺母下部六角形狀，并對(duì)上部回轉(zhuǎn)面進(jìn)行整形；工位4，通過(guò)夾鉗將毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行沖孔。第2種方案各工位變形圖，如圖3所示。毛坯件形狀和尺寸與第1種方案的完全相同，但增加兩個(gè)工位，工位1，反擠壓盲孔成型，并在凹模內(nèi)鐓倒角；工位2，夾鉗把工位1毛坯件送到工位2凹模口，正向反擠壓成型凹槽；工位3，夾鉗把工位2毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，送到工位3凹模口，將毛坯件底部鐓粗、頸部減徑；工位4，夾鉗把工位3毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，送到工位4凹模口預(yù)鐓六角；工位5，夾鉗把工位4毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，送到工位5凹模口，終鐓六角；工位6，夾鉗把工位5毛坯件翻轉(zhuǎn)180°，送到工位6凹模口，進(jìn)行沖孔。

圖2 方案1冷鐓工藝Fig.2 Cold Heading Process of the First Plan

圖3 方案2冷鐓工藝Fig.3 Cold Heading Process of the Second Plan

3 六角開(kāi)槽螺母有限元模型的建立

根據(jù)兩種工藝方案分別進(jìn)行簡(jiǎn)單模具的設(shè)計(jì)，采用三維造型軟件UG8.5對(duì)坯料和模具進(jìn)行三維實(shí)體建模，確定動(dòng)、定模模型的裝配關(guān)系。為了保證兩種方案模擬條件相同，模具的尺寸、倒角、圓角均保持一致性。由于六角開(kāi)槽螺母是對(duì)稱零件，為了簡(jiǎn)化有限元仿真模擬的計(jì)算量，取坯料的1/4作為模擬的研究對(duì)象，導(dǎo)入DEFORM-3D中進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬結(jié)束后通過(guò)對(duì)稱關(guān)系還原整個(gè)零件[7]。

兩種方案材料均選用材料庫(kù)中的JIS-SCM435材料，設(shè)為塑性體，零件成型過(guò)程中不考慮模具的變形，因此將上、下模具設(shè)置為剛體；方案1除第4工位，方案2除第6工位以外，其余各工位網(wǎng)格均設(shè)置為50000個(gè)四面體單元，步長(zhǎng)增量為0.02mm，而方案1第4工位及方案2第6工位為沖孔工位，需根據(jù)斷裂準(zhǔn)則設(shè)置臨界損傷因子為0.45以及斷裂單元為4，網(wǎng)格設(shè)置為100000個(gè)四面體單元，步長(zhǎng)增量為0.01mm；為了提高仿真的精度并節(jié)約模擬的時(shí)間，對(duì)沖孔部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；設(shè)置凹模固定，凸模以5mm/s向下勻速擠壓；為了模擬模具磨損，凸、凹模網(wǎng)格設(shè)置為35000個(gè)四面體單元，定義凸、凹模及坯料之間的接觸關(guān)系，設(shè)置熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.004W/（m·K），摩擦因子為0.1；模具磨損模型選擇Archard模型，設(shè)置參數(shù) a=1，b=1，c=2，k=2×106；冷鐓溫度設(shè)為 20℃。

4 六角開(kāi)槽螺母成型過(guò)程數(shù)值模擬分析

對(duì)方案1的4個(gè)工位和方案2的6個(gè)工位分別進(jìn)行分析。由于方案1的第4個(gè)工位和方案2的第6個(gè)工位完全相同，屬于純剪切工位，分析的意義不大，因此不對(duì)其進(jìn)行分析[8]。

4.1 應(yīng)力應(yīng)變分布

對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果關(guān)鍵是研究其應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)。基于應(yīng)力場(chǎng)分析能夠計(jì)算各工位的變形力及力能損耗，對(duì)冷擠壓設(shè)備的選擇、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核具有一定的參考價(jià)值。而應(yīng)變場(chǎng)分析可根據(jù)應(yīng)變分布的不均勻狀態(tài)程度來(lái)給毛坯及模具型腔的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免在變形過(guò)程中出現(xiàn)充不滿和折疊等缺陷，與溫度場(chǎng)分析聯(lián)合使用，可分析產(chǎn)品成形后晶粒度和硬度的變化[9-10]。數(shù)值計(jì)算完成后，通過(guò)DEFORM-3D的后處理來(lái)直觀的分析模擬數(shù)值云圖，采用方案1時(shí)的六角開(kāi)槽螺母在變形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，如圖4所示。從圖4中可以看出，變形時(shí)各個(gè)工位的最大應(yīng)力均集中在圓角部位，其中最大應(yīng)力為919MPa，最大應(yīng)變出現(xiàn)在工位1的凹槽成型處，達(dá)到19.7mm/mm，零件變形量大。采用方案2時(shí)六角開(kāi)槽螺母在變形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，如圖5所示。

圖4 方案1等效應(yīng)力應(yīng)變分布云圖Fig.4 The Equivalent Stress and Strain Distribution Nephogram of the First Plan

圖5 方案2的等效應(yīng)力應(yīng)變分布云圖Fig.5 The Equivalent Stress and Strain Distribution Nephogram of the Second Plan

各工位應(yīng)力最大值均在905MPa左右，同方案1相同，零件圓角處及凹槽部位所受變形量最大，最大應(yīng)變?yōu)?.93mm/mm。雖然方案2有6個(gè)工位，需要多做兩副模具，但是零件所受最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均比方案1小，分布也較為均勻，按方案2加工出來(lái)的零件質(zhì)量也比按方案1加工出來(lái)的零件質(zhì)量要好。

方案1、2的其他模擬仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。坯料在擠壓過(guò)程中圓角處的損傷值最大，這與實(shí)際生產(chǎn)相符，在加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生表面裂紋、圓角和六角形處填充不滿，從表中可以看出方案2的損傷值最大值明顯小于方案1損傷值的最大值，因此能夠降低表面裂紋、圓角和六角形處填充不滿等缺陷發(fā)生的幾率。按方案2加工出來(lái)的零件質(zhì)量更好。

表2 兩種方案仿真結(jié)果對(duì)照Tab.2 The Simulation Results Contrast of Two Plans

4.2 載荷分析

方案1零件變形過(guò)程中各工位模具載荷示意圖，如圖6所示。反擠壓盲孔及凹槽工位，上模開(kāi)始與坯料接觸，載荷迅速增加，隨著塑性變形進(jìn)入穩(wěn)定階段，模具載荷增加較小，成型終了階段，坯料與模具接觸面積增大，并受到下模約束，模具行程小，金屬流動(dòng)困難，載荷急劇增加達(dá)到726kN；減徑及成型底部盲孔工位，前期載荷增加較為平穩(wěn)，模具行程達(dá)到10mm左右時(shí)，載荷迅速增加到900kN，并來(lái)回波動(dòng)；填充六角工位，填充前期載荷增加平穩(wěn)，到了中期由于過(guò)渡圓角、凹槽及六角頭部等部分填充較難，載荷迅速增加，在成型基本完成后載荷達(dá)到峰值926kN。方案2零件變形過(guò)程中各工位模具載荷示意圖，如圖7所示。零件各工位變形量分配較為合理，整個(gè)過(guò)程載荷比較平穩(wěn)，無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象，所受載荷均沒(méi)有超過(guò)800kN，其中工位5所受載荷最大，達(dá)到756kN。對(duì)比之后選擇所受載荷較小的方案2的成型工藝，有利于延長(zhǎng)模具壽命。

圖6 方案1各工位載荷示意圖Fig.6 The Load Diagram for Each Station of the First Plan

圖7 方案2各工位載荷示意圖Fig.7 The Load Diagram for Each Station of the Second Plan

4.3 最終成型方案的確定

通過(guò)對(duì)兩種方案的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、載荷等的對(duì)比分析，方案2的成型工藝明顯優(yōu)于方案1，加工出來(lái)的六角開(kāi)槽螺母表面質(zhì)量更好，模具的使用壽命也更長(zhǎng)，因此最終選擇方案2用于試驗(yàn)生產(chǎn)。

5 工藝試驗(yàn)

工藝試驗(yàn)在企業(yè)的JNF-32B-6S多工位冷鐓機(jī)上進(jìn)行。材料為SCM435材料，坯料為Φ29.4mm盤條線材，經(jīng)過(guò)軟化退火及磷化皂化處理，如圖8（a）所示。多工位模具，如圖8（b）所示。冷鐓后獲得的六角開(kāi)槽螺母，如圖8（c）所示。填充較為飽滿，冷鐓成形力為698kN，與仿真結(jié)果存在誤差，誤差為7.67%，相對(duì)較小，說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)工藝參數(shù)的制定及冷鐓機(jī)噸位的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Field Test Photos

6 結(jié)論

通過(guò)有限元軟件DEFORM-3D對(duì)六角開(kāi)槽螺母的多工位冷鐓成型工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析比較了兩種方案的應(yīng)力應(yīng)變值、模具載荷。采用方案2冷鐓工藝時(shí)，各工位變形程度分配更為合理，模擬得到的零件表面質(zhì)量更佳，模具使用壽命更長(zhǎng)，因此，采用方案2進(jìn)行零件的試驗(yàn)生產(chǎn)。DEFOEM-3D對(duì)于復(fù)雜緊固件的工藝制定及模具設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值，與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合有利于縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

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