汽車輕量化連接用自流鉆螺釘擠壓成形工藝研究

施天寅，石小崗，潘黎，曹民業(yè)，胡成亮*

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120；2.內(nèi)德史羅夫緊固件（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300；3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，新能源汽車的輕量化問題得到了越來越多的重視[1-4]。如圖1 所示[5]，在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車身中，用高強鋼和鋁合金等輕質(zhì)材料替代一些結(jié)構(gòu)件，可以實現(xiàn)車身的高強度和輕量化[6-8]。然而，多元化車身材料的組合同時也給車身連接工藝帶來了挑戰(zhàn)[9-11]。

自流鉆螺釘可以實現(xiàn)對鋁合金、高強鋼等復(fù)合材料的單面連接，被廣泛應(yīng)用于鋼鋁混合車身的連接中[12-13]，其原理如下：當螺釘在一定壓力下高速旋轉(zhuǎn)時，其尾部摩擦熔融并穿透被連接材料，帶螺紋桿部旋入被連接材料，從而實現(xiàn)2 塊材料或者2 個構(gòu)件的無預(yù)制孔連接[14-15]。Skovron 等[16]介紹了自流鉆螺釘連接工藝流程，分析了擰緊力與鉆孔速度對連接工藝的影響。Gould 等[17]將自流鉆螺釘連接工藝與其他鋁合金連接工藝進行了比較。徐文歡等[18]主要對工藝參數(shù)進行了研究，最終總結(jié)出不同板材組合所對應(yīng)的合理工藝參數(shù)。林巨廣等[19]通過正交試驗設(shè)計方法對自流鉆螺釘連接工藝進行了優(yōu)化，研究了不同工藝參數(shù)對接頭連接質(zhì)量的影響。

國外對自流鉆螺釘成形和應(yīng)用的研究比較成熟?，F(xiàn)有工藝先采用兩工步冷鍛成形螺釘毛坯，然后采用切削加工或者熱滾壓成形螺釘尾部特征，最后利用搓絲機搓出螺紋。若采用切削加工工藝，必然會大幅降低生產(chǎn)效率；若采用熱滾壓成形工藝，需對螺釘進行加熱，但這樣容易在螺釘中形成晶粒粗大的顯微組織，同時增加了生產(chǎn)過程中管理的難度，不利于自流鉆螺釘穩(wěn)定生產(chǎn)[20]。此外，在實施熱滾壓成形工藝前需要對冷鍛成形螺釘毛坯進行脫磷處理，這會增加制造成本。

本文以自流鉆螺釘為研究對象，分析了其結(jié)構(gòu)形狀特點，最終確定了一種多工步冷擠壓成形工藝，具體的成形工藝如下：坯料擠圓整形、螺釘尾部擠壓成形、螺釘頭部鐓粗成形、螺釘桿部三角特征與頭部法蘭鐓擠復(fù)合成形。利用有限元軟件對該工藝過程進行模擬分析，最后根據(jù)模擬結(jié)果進行模具設(shè)計和小批量試制生產(chǎn)，以期對該類零件的冷擠壓成形工藝提供一定的指導(dǎo)意義。

1 成形工藝分析

1.1 自流鉆螺釘結(jié)構(gòu)特征

自流鉆螺釘材料為10B21 鋼，其化學(xué)成分如表1所示。對材料進行力學(xué)性能測試，得到其抗拉強度為449.8 MPa，斷面收縮率為76.3%，延伸率為28.3%，維氏硬度為146.3HV。

該零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，由螺釘頭部、帶螺紋桿部和特定形狀的螺釘尾部組成，如圖2 所示。螺釘頭部采用的是特殊的法蘭頭，在工作過程中與擰緊設(shè)備對應(yīng)的刀頭配合。螺釘頭部下端有一圈溝槽，它可以容納連接過程中板料向上變形流出的板材。桿部螺紋由緊固螺紋和攻絲螺紋組成，用于與板料形成緊密咬合。根據(jù)被連接材料特性設(shè)計螺釘尾部形狀，以在板件上順利鉆出孔洞。

圖2 自流鉆螺釘尺寸Fig.2 Dimensions of flow drill screws: a) part drawing; b) forging drawing

1.2 冷擠壓方案制定

結(jié)合自流鉆螺釘結(jié)構(gòu)特點和成形過程中的難點，提出了3 種自流鉆螺釘多工步冷擠壓成形工藝，工藝簡圖如圖3 所示。方案一的思路是減小頭部變形量，利用與螺釘頭部法蘭尺寸相近的棒料在模具內(nèi)正擠出螺釘桿部，然后成形螺釘尾部和頭部形狀。方案二、三的思路是減小桿部變形量，利用與螺釘桿部尺寸相近的棒料在模具內(nèi)成形螺釘尾部，然后成形桿部特征和頭部形狀。其中，方案二和方案三的區(qū)別在于方案三省去了坯料尾部擠圓角整形這道工序，且二者螺釘頭部預(yù)鍛形狀不同。

圖3 自流鉆螺釘冷擠壓成形工藝簡圖Fig.3 Schematic diagram of cold extrusion forming processes for flow drill screws

2 多工步冷擠壓成形工藝數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)

首先，確定坯料的尺寸。方案一選用的原始坯料直徑為8.0 mm，根據(jù)最終鍛件的體積，計算出坯料長度為12.0 mm。方案二、三選用的原始坯料直徑為4.44 mm，長度為39.8 mm。其次，建立自流鉆螺釘冷擠壓成形工藝的有限元模型，在Solidworks 中繪制出所需模具工作部分的三維模型，導(dǎo)入DEFORM-3D 中。最后，根據(jù)實際生產(chǎn)條件，選用曲柄壓力機并設(shè)置其運行參數(shù)，將摩擦因數(shù)設(shè)為0.12，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為5 N/(s·mm· ℃)[21-22]。為節(jié)省計算時間，坯料采用1/6 模型，并設(shè)置相應(yīng)對稱面，劃分網(wǎng)格數(shù)量為50 000，模具設(shè)置為剛體[23-25]。

2.2 方案一數(shù)值模擬結(jié)果

在DEFORM-3D 后處理中觀察自流鉆螺釘成形過程，如圖4 所示。棒料在第一工序凹模的模腔中擠出尾部圓角，為了改善后續(xù)擠壓過程中的材料流動情況，在尾部中心設(shè)計了錐形孔特征。隨后，坯料在第二工序凹模內(nèi)發(fā)生正擠變形，成形出螺釘桿部，當長度到位后停止擠壓。坯料在第三工序凹模內(nèi)擠壓成形桿部三角面，為顯示三角面特征的成形效果，對桿部進行局部網(wǎng)格細化。坯料在第四工序發(fā)生尾部縮頸和頭部鐓粗。最終，坯料在第五工序凹模內(nèi)擠壓出特定形狀尾部和頭部法蘭。

圖4 方案一數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of scheme 1

由于原始坯料直徑為 8 mm，鍛件尾部直徑為2.5 mm，所以正擠壓變形量較大。當坯料擠壓出螺釘桿部后，產(chǎn)生了加工硬化，變形抗力增大，再擠壓成形螺紋尾部難度變大。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，鍛件存在尾部填充不足和頭部法蘭處折疊的缺陷。分析螺釘?shù)某尚芜^程可知，各工序之間沒有中間退火，在擠壓過程中金屬不斷硬化，螺釘尾部在最后一道工序難以成形。頭部預(yù)鍛形狀會影響最終法蘭的成形質(zhì)量，在與模具接觸的2 個方向上金屬流速差異較大，金屬產(chǎn)生匯流，產(chǎn)生折疊缺陷。

2.3 方案二數(shù)值模擬結(jié)果

自流鉆螺釘冷擠壓成形方案二的模擬結(jié)果如圖5所示。該方案可分為4 個工序：坯料擠圓整形；螺釘尾部擠壓成形；螺釘頭部鐓粗成形；螺釘桿部三角特征與頭部法蘭鐓擠復(fù)合成形。第一道工序是將圓棒坯料一端擠壓出較大圓角，另一端同步整形獲得平整斷面，以便后續(xù)成形工步中的坯料定位。第二道工序是將經(jīng)過擠圓整形的坯料置入具有特定型面特征的擠壓模具中進行擠壓，成形出特定的尾部形狀。第三道工序是將尾部擠壓成形后所得坯料的另一端進行鐓粗變形，獲得頭部碗狀大臺階。第四道工序是將頭部鐓粗成形后的坯料置入具有浮動結(jié)構(gòu)的模具內(nèi)進行鐓擠復(fù)合成形，同步獲得螺釘桿部的三角特征和頭部帶內(nèi)梅花沉槽的法蘭形狀。

圖5 方案二數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of scheme 2

模擬結(jié)果顯示，坯料通過擠圓整形后能夠順利擠壓出螺釘尾部，在終鍛成形時，螺釘頭部法蘭處產(chǎn)生了折疊缺陷，如圖5 中局部放大圖所示。鍛件頭部法蘭最大直徑為12.95 mm，由直徑為4.44 mm 的細長坯料直接成形難度較大，因此，先將坯料頭部鐓粗，獲得碗狀大臺階后再成形法蘭。螺釘頭部預(yù)鍛形狀會影響其在終鍛模具內(nèi)的金屬流動情況，在凹模臺階處金屬徑向流動阻力較大，材料流動不均勻，成形后期會產(chǎn)生折疊缺陷。

2.4 方案三數(shù)值模擬結(jié)果

自流鉆螺釘三工步冷鍛成形模擬結(jié)果如圖7 所示。第一道工序是將圓棒坯料一端直接擠壓出螺釘特定的尾部形狀，該工序所需成形力為42.4 kN。第二道工序是將螺釘頭部鐓粗，該工序所需成形力為58.2 kN。第三道工序是終鍛成形，該工序所需成形力為287.4 kN。模擬結(jié)果顯示，終鍛成形時坯料先在下凹模內(nèi)成形桿部三角特征，然后在上凹模內(nèi)成形頭部法蘭特征，在成形后期，螺釘頭部逐漸充滿模具型腔，載荷急劇增大。螺釘鍛件充填飽滿，無折疊缺陷。

圖7 方案三各工序成形結(jié)果與凸模載荷Fig.7 Forming results and punch load of each process in scheme 3

綜合上述分析可知，在方案一中，由圓棒料成形螺釘桿部再成形螺釘尾部，需經(jīng)2 次正擠壓變形，2次正擠壓變形量分別為68.4%和69.1%。經(jīng)第一次正擠壓后，材料產(chǎn)生了加工硬化，塑性降低，螺釘尾部填充不滿，頭部法蘭產(chǎn)生了折疊缺陷。在方案二中，由高徑比大的細棒料通過四工步擠壓成形，正擠壓變形量為67.8%，螺釘尾部填充飽滿，頭部法蘭產(chǎn)生了折疊缺陷。方案三減少了坯料擠圓整形工步，并調(diào)整了螺釘頭部預(yù)鍛形狀，螺釘鍛件充填飽滿，無折疊缺陷。

3 工藝試驗

自流鉆螺釘三工步冷擠壓終鍛成形模具的裝配圖如圖8a 所示。坯料在上凹模內(nèi)成形頭部法蘭，在下凹模內(nèi)成形桿部三角特征。三工位擠壓模具實物如圖8b 所示，實現(xiàn)了自流鉆螺釘多工位連續(xù)生產(chǎn)。

圖8 自流鉆螺釘冷擠壓模具Fig.8 Cold extrusion die of flow drill screws: a) diagram of final forging die assembly; b) three station extrusion die

將加工完成的擠壓模具安裝于數(shù)控機床上進行模具調(diào)試和工藝試驗，按照方案三的工藝參數(shù)進行生產(chǎn)試制，試驗得到的自流鉆螺釘不同工序成形后的鍛件實物如圖9 所示。

圖9 自流鉆螺釘三工步冷擠壓成形鍛件實物Fig.9 Drawing of three step cold extrusion forming forgings for flow drill screws

對成形后的自流鉆螺釘頭部法蘭進行檢測，發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品存在折疊缺陷。分析發(fā)現(xiàn)，折疊產(chǎn)生于第三道工序，在成形桿部三角特征時同步成形頭部法蘭會使坯料在模具內(nèi)發(fā)生輕微晃動，導(dǎo)致局部材料流動失穩(wěn)、產(chǎn)生折疊。將終鍛模具改為具有浮動結(jié)構(gòu)的模具，通過控制凸模浮動行程使螺釘桿部在凹模腔內(nèi)先成形，然后上凹模下壓完成螺釘頭部法蘭成形。模具改進后生產(chǎn)的螺釘充填飽滿，無折疊缺陷，檢測結(jié)果如圖10 所示。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，新工藝生產(chǎn)的自流鉆螺釘在同樣板材、同樣設(shè)備情況下顯著提升了自流鉆螺釘樣件的滑牙扭矩，在有效解決了安裝過程中自流鉆螺釘容易產(chǎn)生滑牙失效的同時，提高了自流鉆螺釘?shù)谋砻鎻姸纫约鞍惭b后的剪切力、剝離力、拉伸力。

圖10 自流鉆螺釘鍛件法蘭處金相檢測結(jié)果Fig.10 Metallographic inspection results at flange of flow drill screw forgings: a) with folding; b) without folding

4 結(jié)論

1）通過有限元模擬，確定了自流鉆螺釘三工步冷擠壓成形工藝，提出了能夠避免折疊產(chǎn)生的預(yù)制坯形狀和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2）通過試驗驗證，確定了穩(wěn)定的成形工藝參數(shù)和可靠性較高的模具結(jié)構(gòu)，試驗鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷，且已實現(xiàn)該產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

3）與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，新工藝生產(chǎn)的自流鉆螺釘?shù)谋砻鎻姸纫约鞍惭b后的剪切力、剝離力、拉伸力得到了顯著提高。