十字槽圓盤螺釘冷鐓頭部開裂原因及預防

張衛新，王鑫元，李 娜，章娟娟，楊 鋒，劉金洪

（浙江華遠汽車零部件有限公司，浙江 溫州325000）

十字槽圓盤螺釘是浙江華遠汽車零部件有限公司為某汽車廠家生產的標準件產品，在冷鐓過程中，機臺操作人員反饋該產品的開裂比例較大，影響產品的正常生產。圓盤頭部表面開裂，是在冷鐓加工過程中，由于剪切和擠壓應力的作用，產生的裂縫。2018年，作者接到反饋信息后，對此種開裂原因全程進行了參與。

1 開裂現狀

2018年9月27日，使用國菱機械有限公司的冷鐓機臺型號FA-20C-02冷鐓產品09122-06001-S234 M6*1*16，冷鐓成品開裂比例達到12.9%，開裂位置存在于圓盤頭部，裂紋與圓周呈現出45°角度，并指向凹槽位置，產品開裂外觀如圖1所示。盤條使用的是邢鋼SWRCH35K材質，毛料尺寸Φ6.5 mm，材料爐號311801242，改制批號18-0244936。

2 開裂原因分析

2.1 材料化學成分

使用德國斯派克光譜分析儀檢測，型號為MAXX05-F，檢測結果材料成分在正常范圍內，化學成分如表1所示。

表1 化學成分

2.2 冷頂鍛

成品絲直徑d=5.23 mm,截取式樣高度為2 d,使用萬能試驗機做冷頂鍛1/4試驗，材料并未發生開裂，冷頂鍛試樣如圖2所示。

2.3 硬度

取螺釘光桿及圓盤處的開裂試樣，通過洛氏硬度計測出，光桿芯部硬度85HRB，圓盤芯部硬度25HRC。

圖1 產品開裂外觀

圖2 冷頂鍛試驗

2.4 材料組織

金相觀察有裂紋和無裂紋圓盤的橫切面，其中，裂紋呈現V型，且呈現位錯現象。20X顯微鏡下觀察，兩者都有魏氏組織遺傳，球化組織為5級。材料組織如圖3所示。

圖3 材料組織

2.5 裂口分析

觀察所有開裂產品的圓盤處，開裂位置都是在圓盤頭部表面，角度約45°。使用兩種爐號同樣材質的盤條，在同一機床及模具下冷鐓相同產品，頂針使用圓錐形，隨機抽取100顆，統計開裂比例，爐號311801242，改制批號18-0244936開裂比例5%，爐號311802605，改制批號18-0247724開裂比例4%，頂針使用圓柱形，311801242，改制批號18-0244936開裂比例12.9%。圓盤開裂表面一側較另一側厚，對比圓周最厚處尺寸，開裂平均1.96 mm，未開裂平均1.79 mm，對比圓盤直徑，開裂平均13.63 mm，未開裂平均13.73 mm。冷鐓成型后產品高度尺寸都為20.07 mm。尺寸測量數據如表2所示，產品特征形貌如圖4所示。

圖4 不同頂針冷鐓后的產品

表2 螺釘圓盤直徑及圓周尺寸 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的受力狀態，試樣在鐓粗時在外力的作用下受到壓縮，高度減小、截面積增加，金屬內部的質點流動遵循最小阻力定律。接觸面上存在摩擦力，阻礙金屬正常流動，產生不均勻變形。

將變形區按變形程度分為三個區：Ⅰ區為難變形區，受外力摩擦力影響最大；Ⅱ區為易變形區，與作用力約成45°角，變形程度最大，同時也承受較大的主剪切應力；Ⅲ區為自由變形區，變形程度居中，是外側的鼓形區域。Ⅰ區和Ⅱ區受力狀態為三向壓應力，Ⅲ區外側為自由表面，近似為單向壓應力，由于Ⅱ區金屬向外流動時，對Ⅲ區有徑向壓應力，使得該區金屬收到切向拉應力，越靠近坯料表面切向拉應力越大[1]。切向拉應力促進晶間變形，加速晶界破壞，當切向變形超過材料允許的變形程度時，便引起冷鐓表面開裂。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的成品絲進行生產，經過兩道工序成型。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 試驗驗證

對開裂原因分析后，材料組織硬度都在正常范圍內，通過受力分析，十字圓盤螺釘開裂發生在頭部表面，且裂紋起始于頭部圓周，從減少徑向切應力入手，對冷鐓產品一序直徑變更。使用冷鐓機臺型號FA-20C-02冷鐓產品09122-06001-S234 M6*1*16，使用盤條改制批號18-0247724，進行單因素對比試驗。試驗結果發現，Φ9.1mm開裂比例41.7%，Φ11.0 mm開裂比例0。初沖芯直徑變化如圖7所示。

圖7 初沖芯（mm）

5 預防措施

在材料成分、冷頂鍛、組織、硬度正常的情況下，產品在頭部45°方向開裂，主要是受到壓應力過大，產生較大的徑向切應力，使晶界破壞，超出材料的強度后，產生的裂紋。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裂的程度。

6 結語

在材料正常的情況下，冷鐓內十字槽或內梅花的產品時，產生的頭部裂紋，主要是在頭部成型時，會作用過大壓應力和徑向切應力，使頭部表面切向應力大于材料本身可承受的應力，造成晶界破壞。可以通過降低最后頭部成型高度和凹坑深度，進而減少開裂程度。