十字槽圓盤(pán)螺釘冷鐓頭部開(kāi)裂原因及預(yù)防

張衛(wèi)新，王鑫元，李 娜，章娟娟，楊 鋒，劉金洪

（浙江華遠(yuǎn)汽車(chē)零部件有限公司，浙江 溫州325000）

十字槽圓盤(pán)螺釘是浙江華遠(yuǎn)汽車(chē)零部件有限公司為某汽車(chē)廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品，在冷鐓過(guò)程中，機(jī)臺(tái)操作人員反饋該產(chǎn)品的開(kāi)裂比例較大，影響產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。圓盤(pán)頭部表面開(kāi)裂，是在冷鐓加工過(guò)程中，由于剪切和擠壓應(yīng)力的作用，產(chǎn)生的裂縫。2018年，作者接到反饋信息后，對(duì)此種開(kāi)裂原因全程進(jìn)行了參與。

1 開(kāi)裂現(xiàn)狀

2018年9月27日，使用國(guó)菱機(jī)械有限公司的冷鐓機(jī)臺(tái)型號(hào)FA-20C-02冷鐓產(chǎn)品09122-06001-S234 M6*1*16，冷鐓成品開(kāi)裂比例達(dá)到12.9%，開(kāi)裂位置存在于圓盤(pán)頭部，裂紋與圓周呈現(xiàn)出45°角度，并指向凹槽位置，產(chǎn)品開(kāi)裂外觀如圖1所示。盤(pán)條使用的是邢鋼SWRCH35K材質(zhì)，毛料尺寸Φ6.5 mm，材料爐號(hào)311801242，改制批號(hào)18-0244936。

2 開(kāi)裂原因分析

2.1 材料化學(xué)成分

使用德國(guó)斯派克光譜分析儀檢測(cè)，型號(hào)為MAXX05-F，檢測(cè)結(jié)果材料成分在正常范圍內(nèi)，化學(xué)成分如表1所示。

表1 化學(xué)成分

2.2 冷頂鍛

成品絲直徑d=5.23 mm,截取式樣高度為2 d,使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)做冷頂鍛1/4試驗(yàn)，材料并未發(fā)生開(kāi)裂，冷頂鍛試樣如圖2所示。

2.3 硬度

取螺釘光桿及圓盤(pán)處的開(kāi)裂試樣，通過(guò)洛氏硬度計(jì)測(cè)出，光桿芯部硬度85HRB，圓盤(pán)芯部硬度25HRC。

圖1 產(chǎn)品開(kāi)裂外觀

圖2 冷頂鍛試驗(yàn)

2.4 材料組織

金相觀察有裂紋和無(wú)裂紋圓盤(pán)的橫切面，其中，裂紋呈現(xiàn)V型，且呈現(xiàn)位錯(cuò)現(xiàn)象。20X顯微鏡下觀察，兩者都有魏氏組織遺傳，球化組織為5級(jí)。材料組織如圖3所示。

圖3 材料組織

2.5 裂口分析

觀察所有開(kāi)裂產(chǎn)品的圓盤(pán)處，開(kāi)裂位置都是在圓盤(pán)頭部表面，角度約45°。使用兩種爐號(hào)同樣材質(zhì)的盤(pán)條，在同一機(jī)床及模具下冷鐓相同產(chǎn)品，頂針使用圓錐形，隨機(jī)抽取100顆，統(tǒng)計(jì)開(kāi)裂比例，爐號(hào)311801242，改制批號(hào)18-0244936開(kāi)裂比例5%，爐號(hào)311802605，改制批號(hào)18-0247724開(kāi)裂比例4%，頂針使用圓柱形，311801242，改制批號(hào)18-0244936開(kāi)裂比例12.9%。圓盤(pán)開(kāi)裂表面一側(cè)較另一側(cè)厚，對(duì)比圓周最厚處尺寸，開(kāi)裂平均1.96 mm，未開(kāi)裂平均1.79 mm，對(duì)比圓盤(pán)直徑，開(kāi)裂平均13.63 mm，未開(kāi)裂平均13.73 mm。冷鐓成型后產(chǎn)品高度尺寸都為20.07 mm。尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，產(chǎn)品特征形貌如圖4所示。

圖4 不同頂針冷鐓后的產(chǎn)品

表2 螺釘圓盤(pán)直徑及圓周尺寸 mm

3 原理分析

3.1 受力分析

以圓柱體鐓粗為例研究冷鐓時(shí)的受力狀態(tài)，試樣在鐓粗時(shí)在外力的作用下受到壓縮，高度減小、截面積增加，金屬內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)遵循最小阻力定律。接觸面上存在摩擦力，阻礙金屬正常流動(dòng)，產(chǎn)生不均勻變形。

將變形區(qū)按變形程度分為三個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)為難變形區(qū)，受外力摩擦力影響最大；Ⅱ區(qū)為易變形區(qū)，與作用力約成45°角，變形程度最大，同時(shí)也承受較大的主剪切應(yīng)力；Ⅲ區(qū)為自由變形區(qū)，變形程度居中，是外側(cè)的鼓形區(qū)域。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)受力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力，Ⅲ區(qū)外側(cè)為自由表面，近似為單向壓應(yīng)力，由于Ⅱ區(qū)金屬向外流動(dòng)時(shí)，對(duì)Ⅲ區(qū)有徑向壓應(yīng)力，使得該區(qū)金屬收到切向拉應(yīng)力，越靠近坯料表面切向拉應(yīng)力越大[1]。切向拉應(yīng)力促進(jìn)晶間變形，加速晶界破壞，當(dāng)切向變形超過(guò)材料允許的變形程度時(shí)，便引起冷鐓表面開(kāi)裂。冷鐓受力分析如圖5所示。

圖5 冷鐓受力分析

3.2 冷鐓工序

材料使用邢鋼SWRCH35KΦ5.23 mm的成品絲進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)兩道工序成型。冷鐓成型工序及尺寸如圖6所示。

圖6 冷鐓成型工序及尺寸（mm）

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)開(kāi)裂原因分析后，材料組織硬度都在正常范圍內(nèi)，通過(guò)受力分析，十字圓盤(pán)螺釘開(kāi)裂發(fā)生在頭部表面，且裂紋起始于頭部圓周，從減少?gòu)较蚯袘?yīng)力入手，對(duì)冷鐓產(chǎn)品一序直徑變更。使用冷鐓機(jī)臺(tái)型號(hào)FA-20C-02冷鐓產(chǎn)品09122-06001-S234 M6*1*16，使用盤(pán)條改制批號(hào)18-0247724，進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Φ9.1mm開(kāi)裂比例41.7%，Φ11.0 mm開(kāi)裂比例0。初沖芯直徑變化如圖7所示。

圖7 初沖芯（mm）

5 預(yù)防措施

在材料成分、冷頂鍛、組織、硬度正常的情況下，產(chǎn)品在頭部45°方向開(kāi)裂，主要是受到壓應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生較大的徑向切應(yīng)力，使晶界破壞，超出材料的強(qiáng)度后，產(chǎn)生的裂紋。可以將初沖直徑由Φ9.1 mm改為Φ11.0 mm，可以明顯改變螺釘頭部開(kāi)裂的程度。

6 結(jié)語(yǔ)

在材料正常的情況下，冷鐓內(nèi)十字槽或內(nèi)梅花的產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)生的頭部裂紋，主要是在頭部成型時(shí)，會(huì)作用過(guò)大壓應(yīng)力和徑向切應(yīng)力，使頭部表面切向應(yīng)力大于材料本身可承受的應(yīng)力，造成晶界破壞。可以通過(guò)降低最后頭部成型高度和凹坑深度，進(jìn)而減少開(kāi)裂程度。