六角法蘭面鎖緊螺母冷鐓開裂原因及預防措施

張衛新， 李 芳， 張銀芳， 雷 奎， 覃小均

（1.太原理工大學材料科學與工程學院， 山西 太原 030024； 2.重慶金海標準件有限公司，重慶 402260； 3.武漢市硚口區市政工程總公司， 湖北 武漢 430035；4.計算機科學與技術學院， 重慶 400065）

法蘭面螺母具有較大的支撐面，在預緊力的作用下，可以增加防松能力。2017年，作者擔任重慶金海標準件熱處理工程師期間，發現螺母在冷鐓成型過程中，法蘭面位置容易出現開裂現象，分析并參與了整個防止開裂的過程。

1 螺母開裂現狀

2018年4月，重慶金海標準件螺母車間，冷鐓成型的六角法蘭面鎖緊螺母中，開裂比例達到近30%，造成了原材料浪費、人工篩選的支出以及產品成本的增加。

觀察冷鐓每個工序，法蘭面位置表面狀態，如圖1所示。所使用設備為浙江友信機械工業有限公司生產的N19B6S。

下料切割與斷裂交界處，上下兩側存在明顯的開裂痕跡，最長裂痕有5.08 mm（圖1-1）；一序產品切割端面，存在切割痕跡和毛刺（圖1-2）；成型過程中，二序、三序產品表面存在裂紋痕跡（圖1-3）；在四序、五序中，產品冷鐓形成法蘭面時，受到三項應力作用[1]，法蘭面存在明顯的裂口（圖1-4）。

2 法蘭面開裂原因分析

2.1 切料刀

在螺母冷鐓切料工序中，切料端面不平整，或者帶有裂口，在形成法蘭面過程中，容易出現裂紋，下料斷面形狀如圖1-1所示。不同的刀具會影響切料斷口的形狀，正侑刀具如下頁圖3-1所示，對應切出的料如下頁圖3-2所示，友信刀具如下頁圖3-3所示，對應切出的料如下頁圖3-4所示。

圖1 冷鐓工序中開裂實圖

圖2 鎖緊螺母冷鐓成型工藝

2.2 材料硬度

2.2.1 成品絲硬度

截取開裂產品成品絲，使用洛氏硬度計測得硬度為81HRB，硬度小于85HRB，硬度偏低。

圖3 切料刀具和切料對比

2.2.2 被切料的硬度

使用維氏硬度計，由邊緣向中心進行梯度測試，測得 4 個點，硬度（HV）分別為199.37，208.46，208.37，206.41，由于受到擠壓變形，硬度相對成品絲有所提高，被切料端面形狀如圖4-1所示，材料表面有一定的微脫碳，切料脫碳金相如圖4-2所示。

圖4 被切料

2.2.3 螺母法蘭面硬度

維氏硬度計測法蘭面端面硬度，由外向里硬度（HV）分別為 189.87，195.34，232.06，273.67，硬度上升較大，主要原因是靠近芯部在冷鐓成型過程中，變形較大，經過了整形、成型、冷鐓沖孔步驟，法蘭面端面如圖5所示。

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圖5 法蘭面端面

使用5%硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用100X金相顯微鏡觀察，在螺母螺紋處，即硬度最高的地方存在較多肉眼無法識別的裂紋，螺紋孔邊緣裂紋如圖6所示。

圖6 螺紋邊緣裂紋

通過金相實際觀察切下的料口端面，除了較大裂口外，并未發現表面有其他微小裂紋產生，可以推斷應該是在冷鐓工序后期形成。經過多次工件冷作硬化，表面硬度增加，就會產生數條微小裂紋。

2.3 冷頂鍛

成品絲直徑d=18.1 mm,截取式樣高度為1d,使用萬能試驗機做冷頂鍛四分之一試驗，材料并未發生開裂，冷頂鍛試樣如下頁圖7所示。

2.4 材料成分

材料使用的是型鋼35K，使用德國斯派克光譜分析儀檢測，型號為MAXX05-F，檢測結果為材料成分在正常范圍內，化學成分如下頁表1所示。

2.5 產品尺寸

圖7 冷頂鍛后試樣

表1 材料化學成分 %

在冷鐓成形過程中，幾何尺寸不同，所需要的成形力也不同。其中，六棱柱高度是影響成形力的最主要因素，其次是六棱柱內切圓直徑，再次是法蘭面高度，法蘭面直徑對成形力的影響則較小[2]。

六角法蘭面鎖緊螺母如圖8所示，采用直接冷鐓成型工藝，圖示中，六棱住內切圓直徑S，法蘭面直徑D，六棱柱高H，法蘭面高h。采用Deform-3D[3]軟件對六角法蘭面鎖緊螺母進行數值模擬。

圖8 六角法蘭面鎖緊螺母

2.5.1 正交試驗分析

1）正交試驗設計L9（34）正交表進行正交試驗，4因素3水平如表2所示。

表2 4因素3水平

2）在34種組合中，根據正交表的均勻分散性，整齊可比，選取9組數據對主要影響因素進行數據模擬，成形載荷如表3所示，對結果進行分析，H=11，S=16，h=3，D=24 為最優方案，試驗結果如表 4所示。

表3 成形載荷

表4 試驗結果

2.6 金相等級

參照國家標準低、中碳鋼球化體評級JB/T 5074—2007判定，珠光體中碳化物球化顆粒細小，顯微鏡觀察（500倍）呈點狀球化體＋鐵素體，球化退火后組織滿足5級要求，判定合格，球化組織如圖9所示。

圖9 球化組織

3 預防措施

針對六角法蘭面鎖緊螺母冷鐓開裂原因分析，確定生產過程中主要需要注意的地方：

1）切料斷口平整度。合理調整切料刀與切料模具的間隙，一般10～20絲；螺母料配合使用可切出斷口平齊的刀具。

2）材料芯部硬度。成品絲硬度（HRB）控制在85～95。

3）材料表面硬度。退火過程中，使產品表面有一定的脫碳層，總脫碳層深度不大于2.5d%（d為盤條直徑）。

4）產品尺寸。在冷鐓成型過程中，產品尺寸也是造成產品開裂的一個因素，應當控制主要尺寸對變形量的影響。

4 結論

1）切料時應該使用受力接觸面大的刀具，會減少切料的不平整度。

2）成品絲芯部硬度會影響到切料后斷口表面的形態，表面硬度低會在變形量較大的情況下，減少裂紋產生。

3）產品設計尺寸，決定產品冷作硬化的程度。

[1]張永新.法蘭面螺母冷鐓開裂分析[J].化學工程與裝備，2012（12）：114-115.

[2]戎飛，劉勝，唐宗燁，等.六角法蘭面焊接螺母參數優化及模具磨損研究[J].機械制造，2017（55）：72-74.

[3]陳曉川，張暴暴，劉曉冰，等.虛擬制造技術研究概況綜述[J].機械制造，1998，36（12）：8-10.