六角開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

（上海應用技術大學 機械工程學院，上海 200000）

1 引言

汽車工業(yè)在世界經(jīng)濟發(fā)展中有著至關重要的作用，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，六角開槽螺母就是汽車行業(yè)中常用的一類自鎖螺母。六角開槽螺母的作用是與帶孔螺栓和開口銷配合使用，以防止螺栓和螺母相對轉動，將車架和輪胎固定在一起。目前，絕大部分企業(yè)對該類六角螺母的加工都是采用熱鐓成型，然后通過機加工銑削成型螺母的凹槽，最后在攻絲機上攻螺紋，但是存在一系列問題，包括材料在加熱過程中的氧化和脫碳，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，降低零件的強度；零件表面質(zhì)量和力學性能較差；生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)等[1-2]。因此，企業(yè)要想在市場上具備競爭力就必須改進現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率。冷擠壓成型是一種少、無切削的先進加工工藝[3]，不僅生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量也更能得到保證，已成為國內(nèi)外關注的焦點，國內(nèi)外的科研機構及企業(yè)陸續(xù)研制并開發(fā)了多種型號的多工位冷鐓機來實現(xiàn)冷鐓成型[4-5]，送料、切料、壓角、沖孔各道工序一機完成，各工位同時成型。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[6]，節(jié)材、省時、機械性能好。為了縮短開發(fā)周期，節(jié)省現(xiàn)場試驗成本，在初步確定工藝路線和完成相應的模具設計后，采用有限元技術Deform-3D對六角開槽螺母的成型工藝進行數(shù)值模擬仿真，分析比較最大應力應變、損傷值等信息，研究其變形規(guī)律，以驗證成型方案的可行性，通過對比分析選擇出最佳的成型工藝方案。

2 六角開槽螺母冷鐓工藝分析

六角開槽螺母的零件圖，如圖1所示。螺母規(guī)格M24mm，材料為SCM435合金鋼，其力學性能，如圖表1所示。塑性較好，適合冷鐓成型。六角開槽螺母外形結構復雜，內(nèi)部為螺紋孔，外輪廓分為上下兩部分，上部是一個錐形回轉件，錐頂直徑為Φ22.7mm，錐底直徑為Φ29.5mm，高度為8.5mm，圓弧四等分點上設有4個凹槽，槽寬5mm，槽深8mm，下部為六角結構，加工較為困難。

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

表1 SCM435鋼力學性能Tab.1 Mechanical Properties of SCM435

根據(jù)六角開槽螺母的結構特點及性能要求，提出了兩種多工位冷鐓工藝方案，經(jīng)過計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，通過夾鉗將毛坯件翻轉180°，反擠壓成型螺母底部盲孔并縮徑成型上部回轉面；工位3，利用模具填充螺母下部六角形狀，并對上部回轉面進行整形；工位4，通過夾鉗將毛坯件翻轉180°，進行沖孔。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?？?，正向反擠壓成型凹槽；工位3，夾鉗把工位2毛坯件翻轉180°，送到工位3凹?？?，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180°，送到工位4凹模口預鐓六角；工位5，夾鉗把工位4毛坯件翻轉180°，送到工位5凹?？冢K鐓六角；工位6，夾鉗把工位5毛坯件翻轉180°，送到工位6凹模口，進行沖孔。

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 六角開槽螺母有限元模型的建立

根據(jù)兩種工藝方案分別進行簡單模具的設計，采用三維造型軟件UG8.5對坯料和模具進行三維實體建模，確定動、定模模型的裝配關系。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。由于六角開槽螺母是對稱零件，為了簡化有限元仿真模擬的計算量，取坯料的1/4作為模擬的研究對象，導入DEFORM-3D中進行仿真計算，模擬結束后通過對稱關系還原整個零件[7]。

兩種方案材料均選用材料庫中的JIS-SCM435材料，設為塑性體，零件成型過程中不考慮模具的變形，因此將上、下模具設置為剛體；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)格均設置為50000個四面體單元，步長增量為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)斷裂準則設置臨界損傷因子為0.45以及斷裂單元為4，網(wǎng)格設置為100000個四面體單元，步長增量為0.01mm；為了提高仿真的精度并節(jié)約模擬的時間，對沖孔部位進行網(wǎng)格細化；設置凹模固定，凸模以5mm/s向下勻速擠壓；為了模擬模具磨損，凸、凹模網(wǎng)格設置為35000個四面體單元，定義凸、凹模及坯料之間的接觸關系，設置熱傳導系數(shù)為0.004W/（m·K），摩擦因子為0.1；模具磨損模型選擇Archard模型，設置參數(shù) a=1，b=1，c=2，k=2×106；冷鐓溫度設為 20℃。

4 六角開槽螺母成型過程數(shù)值模擬分析

對方案1的4個工位和方案2的6個工位分別進行分析。由于方案1的第4個工位和方案2的第6個工位完全相同，屬于純剪切工位，分析的意義不大，因此不對其進行分析[8]。

4.1 應力應變分布

對于數(shù)值模擬結果關鍵是研究其應力、應變場。基于應力場分析能夠計算各工位的變形力及力能損耗，對冷擠壓設備的選擇、模具結構的設計及強度校核具有一定的參考價值。而應變場分析可根據(jù)應變分布的不均勻狀態(tài)程度來給毛坯及模具型腔的設計提供依據(jù)，避免在變形過程中出現(xiàn)充不滿和折疊等缺陷，與溫度場分析聯(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)值計算完成后，通過DEFORM-3D的后處理來直觀的分析模擬數(shù)值云圖，采用方案1時的六角開槽螺母在變形過程中的應力、應變分布，如圖4所示。從圖4中可以看出，變形時各個工位的最大應力均集中在圓角部位，其中最大應力為919MPa，最大應變出現(xiàn)在工位1的凹槽成型處，達到19.7mm/mm，零件變形量大。采用方案2時六角開槽螺母在變形過程中的應力、應變分布，如圖5所示。

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

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

各工位應力最大值均在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，最大應變?yōu)?.93mm/mm。雖然方案2有6個工位，需要多做兩副模具，但是零件所受最大應力和最大應變均比方案1小，分布也較為均勻，按方案2加工出來的零件質(zhì)量也比按方案1加工出來的零件質(zhì)量要好。

方案1、2的其他模擬仿真結果數(shù)據(jù)對比，如表2所示。坯料在擠壓過程中圓角處的損傷值最大，這與實際生產(chǎn)相符，在加工過程中很容易產(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加工出來的零件質(zhì)量更好。

表2 兩種方案仿真結果對照Tab.2 The Simulation Results Contrast of Two Plans

4.2 載荷分析

方案1零件變形過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，上模開始與坯料接觸，載荷迅速增加，隨著塑性變形進入穩(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，金屬流動困難，載荷急劇增加達到726kN；減徑及成型底部盲孔工位，前期載荷增加較為平穩(wěn)，模具行程達到10mm左右時，載荷迅速增加到900kN，并來回波動；填充六角工位，填充前期載荷增加平穩(wěn)，到了中期由于過渡圓角、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到峰值926kN。方案2零件變形過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，整個過程載荷比較平穩(wěn)，無波動現(xiàn)象，所受載荷均沒有超過800kN，其中工位5所受載荷最大，達到756kN。對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

通過對兩種方案的應變場、應力場、載荷等的對比分析，方案2的成型工藝明顯優(yōu)于方案1，加工出來的六角開槽螺母表面質(zhì)量更好，模具的使用壽命也更長，因此最終選擇方案2用于試驗生產(chǎn)。

5 工藝試驗

工藝試驗在企業(yè)的JNF-32B-6S多工位冷鐓機上進行。材料為SCM435材料，坯料為Φ29.4mm盤條線材，經(jīng)過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，與仿真結果存在誤差，誤差為7.67%，相對較小，說明數(shù)值模擬對工藝參數(shù)的制定及冷鐓機噸位的選擇具有一定的指導意義。

圖8 現(xiàn)場試驗照片F(xiàn)ig.8 Field Test Photos

6 結論

通過有限元軟件DEFORM-3D對六角開槽螺母的多工位冷鐓成型工藝進行了數(shù)值模擬計算，分析比較了兩種方案的應力應變值、模具載荷。采用方案2冷鐓工藝時，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，因此，采用方案2進行零件的試驗生產(chǎn)。DEFOEM-3D對于復雜緊固件的工藝制定及模具設計具有很好的參考價值，與實際生產(chǎn)相結合有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低現(xiàn)場試驗成本，具有很高的經(jīng)濟效益。

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