航標類緊固件十字槽發(fā)紋問題分析及解決措施

李紅進，王偉，汪亦凡，李濤，陳宏科

(1.安徽天航機電有限公司，安徽蕪湖 241000； 2.國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241000)

2018年11 月，某單位對航標類的緊固件全面執(zhí)行HB1-218-2011［1］復函要求（顯微組織檢查，頭部非支撐面折疊、發(fā)紋及夾雜允許法向最大深度為0.25mm）。當月，送檢的兩批十字槽螺栓在500倍金相顯微鏡下同時發(fā)現(xiàn)十字槽底部以下超過0.25 mm深處有較為嚴重的發(fā)紋現(xiàn)象，部分已經(jīng)達到裂紋。同年12月又發(fā)現(xiàn)了兩批次出現(xiàn)發(fā)紋現(xiàn)象，至此M3、M5、M6及M8四種常用規(guī)格的十字槽螺栓均發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象。但同樣工藝生產(chǎn)的45鋼、1Cr17Ni2等強度值較低的材質(zhì)，并未發(fā)現(xiàn)有發(fā)紋現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的都是以30CrMnSiA材質(zhì)加工的螺栓緊固件。為找到產(chǎn)生發(fā)紋的確切原因，徹底解決生產(chǎn)問題，進行了相關試驗，試驗均以M5螺紋規(guī)格所對應的十字槽作為標準。

1 技術要求

該航標類緊固件為光桿公差帶h8短螺紋十字槽90°沉頭螺栓，普通螺紋。原材料為30CrMnSiA，規(guī)格為φ18，原材料入廠復驗合格后投入生產(chǎn)。材料技術條件為GJB1951-1994，產(chǎn)品技術條件為HB1-134-2002，要求抗拉強度為1080Mpa～1280MPa，顯微組織檢查技術要求按HB1-218-2011。

2 分析與討論

2.1 原材料及熱處理狀態(tài)

外部廠家此類十字槽緊固件的加工原材料均為冷拉絲材，即ML30CrMnSiA。絲材冷拉狀態(tài)按GB/T 5953-1999標準要求強度值：490MPa～735MPa，對應HRC10～15［2］。取自制退火棒材進行了強度測試，強度值：790MPa～810MPa；硬度檢測，HRC12～16，將此材料進行退火處理再次測試硬度值，硬度值HRC10～15，說明原材料退火棒材狀態(tài)已經(jīng)達到最軟狀態(tài)。取料庫ML30CrMnSiA冷拉絲材測量硬度值，硬度值HRC12～15；從外部廠家截取一段ML30CrMnSiA冷拉絲材測量硬度值，硬度值HRC10～15。綜合以上對比，說明某廠在用的退火棒材與實際生產(chǎn)加工的冷拉絲材熱處理狀態(tài)相差不多，處于合理范圍內(nèi)，可以判定原材料及熱處理狀態(tài)對發(fā)紋的形成并未造成直接影響。

2.2 十字槽預沖孔大小

某廠由于采用棒料車削加工，為保證十字槽位置的準確性，在每個半成品端頭會加工一個預沖孔見圖1，此預沖孔一方面保證十字槽位置的準確性，另一方面保證沖制十字槽時，有較少的材料外擠，確保外徑尺寸符合要求。與外部廠家采用絲材的鐓制加工工藝相比較，最大的差異在于鐓制加工的十字槽是通過沖頭硬擠壓成型，并沒有預沖孔。所以從預沖孔孔徑Φd及深度h兩個方面來進行試驗驗證。制備多組試樣，預沖孔的大小分別為：無預沖孔、Φ1×1、Φ1×2、Φ1×3、Φ2×1、Φ2×2、Φ2×3及Φ3×1、Φ3×2、Φ3×3。通過多批次對比試驗發(fā)現(xiàn)，預沖孔的孔徑Φd大小未發(fā)現(xiàn)對發(fā)紋有直接影響；預沖孔深度h影響較為嚴重。從圖2的金相圖可以發(fā)現(xiàn)預沖孔越深，底部發(fā)紋或裂紋形成的會越明顯，分析認為：預沖孔加工過深，在沖頭沖擊力下，沿最底端周邊直接拉裂或形成微小發(fā)紋，相當于漲裂。此類裂紋和發(fā)紋均都從表面延伸到內(nèi)部，并且隨著深度h的增加，發(fā)紋的長度有所增加，如圖2所示。圖2所表示在500倍金相顯微鏡下，預沖孔深度h分別為無預沖孔、1 mm、2 mm和3 mm后形成的發(fā)紋或裂紋。

圖1 預沖孔大小及深度示意圖

圖2 不同預沖孔深度500倍金相圖

2.3 壓力機床速度

考慮到十字槽為小而深的塑形變形而形成，成型速度對金屬流動變形的影響較大。理論上降低速度是有利于材料塑形流動的，速度過快，材料的內(nèi)部流動來不及進行，就會被沖壓力直接撕裂，在持續(xù)的壓力下，撕斷的金屬層被疊加，最終形成內(nèi)部發(fā)紋。結合預沖孔深度對發(fā)紋的影響程度，此次對比試驗預沖孔深度選擇為零，即不加工預沖孔。在壓力機床電機轉速分別為400 r/min 和800 r/min條件下進行沖制，對加工而成的十字槽進行制備金相試樣。經(jīng)試驗對比發(fā)現(xiàn)，壓力機床的轉速對發(fā)紋的形成是有著直接影響的。400r/min轉速下，機床沖制時速度較低，并未形成發(fā)紋，800r/min速度下，機床沖制速度明顯加快，并且在試樣內(nèi)部中發(fā)現(xiàn)了發(fā)紋現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 壓力機床轉速400 r/min（左）和800 r/min（右）時的金相圖

2.4 十字槽沖頭模具

通過對外部廠家十字槽緊固件及自制件對比發(fā)現(xiàn)，自制槽型底部角度較小，通過測量，角度值約為119°，未到達HB 7369-2002［3］中規(guī)定的124°標準規(guī)定，如圖4所示。角度的變小，可能會導致兩個問題：①沿著沖頭軸向分力過大，法向分力過小，這就可能會導致金屬向下流動容易，向四周流動困難，加之成形速度較快，導致金屬流動層撕裂；②角度變小，頭部變尖銳，沖制時，底部容易出現(xiàn)尖點現(xiàn)象，尖點在沖壓力作用下進一步擴大，進而引起裂紋或發(fā)紋，如圖5所示。

圖4 標準十字槽沖頭角度尺寸

圖5 底部有尖點時的金相圖

3 工藝優(yōu)化

通過以上幾點對比試驗和分析，基本確定了此類發(fā)紋或裂紋的形成原理。再結合實際生產(chǎn)需要，從以下幾個方面做出改進優(yōu)化，進行試制和小批量生產(chǎn)，此類問題未再出現(xiàn)。

3.1 預沖孔

取消沖十字槽之前的預沖孔，改進后的預沖孔按Φ2.0×0.5加工，并且呈124°的錐形。此孔的目的只為導正，保證十字槽在零件的中央部位，避免因壓力機床震動導致的零件晃動而使位置偏離，造成零件報廢。此外124°錐形設計是保證錐面能夠與沖頭錐面貼合，使受力均勻，避免在十字槽底部產(chǎn)生尖點現(xiàn)象。

3.2 壓力機床速度

在加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量上，優(yōu)先保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此實際生產(chǎn)上控制壓力機床速度，要求壓力機床電機轉速標準為400 r/min，再遇到較大十字槽時，可適當增加速度，但最高速度不超過500 r/min，并且加工首件時需要進行金相檢查，確保十字槽底無發(fā)紋現(xiàn)象。

3.3 沖頭模具

對沖頭模具進行重新訂購，嚴格按標準進行入廠復檢。驗收后進行小批量試制，驗證情況符合預期，槽型底部角度符合標準要求，底部無明顯尖點，金相圖顯示無發(fā)紋現(xiàn)象。

4 結論

本文針對航標類緊固件的十字槽底部發(fā)紋問題，從原材料、預沖孔大小、壓力機床速度以及沖壓模具等方面對發(fā)紋形成原因進行逐項分析，并從預沖孔、壓力機床速度及沖頭模具提出解決措施，通過工藝試驗，解決了此類問題。生產(chǎn)過程中的影響因素較多，需要對每一個可能因素進行試驗及分析，找到每一個可能導致發(fā)紋產(chǎn)生的原因，只有這樣才能夠在生產(chǎn)過程中采取控制措施，徹底解決問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量。