風電裝備特種緊固螺栓成型研究

張友君，劉 杰，丁志敏，嚴 琴，孟喜軍，陳旭鵬，王怡人

（1.湖南飛沃新能源科技股份有限公司，湖南常德 415700；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410083）

隨著風電、石油、汽車、高鐵、航空、工程機械、電力、橋梁建筑等高端裝備領域的快速發展，緊固件行業已逐步實現了自動化生產，對緊固件制造在質量和性能方面提出了更高的要求［1］。風電緊固件在使用過程中要施加較大的預緊力，且在預緊力的基礎上還受到交變載荷的作用，因此風電裝備用特種緊固件產品的質量要求極高，特別是緊固件頭部。在緊固件生產中，多用鐓制、沖壓、切削等加工方式進行初步成型。鐓制是通過對金屬坯料施加一定的外力，使之在模腔內具內發生塑性變形，按規定的形狀和尺寸成型。根據對金屬坯料的加工溫度不同，可以分為冷鐓、溫鐓和熱鐓。相比于其它成型工藝，鐓制成型具有更高的經濟效益，并且還能保證成型過程流線完整，受力更加合理［2，3］。因此，鐓制加工是緊固件行業中最為常見的大批量生產方法。然而，金屬材料在常溫下發生塑性變形時存在冷作硬化。同時，加熱后金屬溫度不易控制、受熱不均勻都可能造成成型件質量差，出現飛邊、不飽滿、開裂等問題。合理選擇加工參數對實際生產過程至關重要。由于缺乏對金屬坯料變形特點的了解，目前企業中制造工藝的調整仍然強烈依賴于試錯試驗。因此，為了提高效率，減少研發成本，開展風電裝備特種緊固件頭部成型鐓制工藝的研究至關重要。

試驗利用有限元模擬軟件Deform-3D模擬了42CrMoA六角頭螺釘在成型過程的數值模擬，分析了坯料鐓制前加熱時溫度場分布和胚料與環境的傳熱過程，鐓制時胚料的變形情況，同時參照企業實際生產工藝，討論了鐓制過程中坯料的應力、溫度場和鐓制變形行為。

1 有限元模擬與工藝參數設定

建立的三維實體模型坯料材料為42CrMoA合金，坯料高度為421 mm，坯料直徑為55.5 mm，其中頭部長度為120 mm。用三維建模軟件UG畫出胚料及模具的立體圖形，如圖1所示，然后將上下模及胚料分別保存為STL格式，導入Deform-3D。坯料采用塑性材料模型，考慮到模具在成形過程中變形量很小，因此上、下模具采用剛體材料模型，不需要對上下模具進行劃分網格和材料定義，上模為主動模具。

1.1 Deform有限元求解過程

圖1 模具及胚料立體圖形

Deform在計算變形時通過有限元離散化將平衡方程、本構方程、邊界條件方程轉換為非線性方程組通過直接迭代法或者牛頓拉森法在求解器中求解。而在求解傳熱過程時則遵循傅里葉定律和牛頓冷卻公式以及邊界條件。由于在金屬塑性成型的過程中會受到熱和力的共同影響，所以在實際計算求解過程必須要對熱分析和力分析進行耦合［4］。零件為各項同性材料，其成型過程符合有熱內源的瞬時熱傳導問題?；跓崃W第一定律和傅里葉定律，在直角坐標系中，其導熱微分方程可描述為公式（1）：

式中：T為溫度；ρ為密度；Cp為比熱容；k為導熱系數；Q為塑性功生成熱引起的內熱源，表示為Q＝分別為等效應力和等效應變速率）

除了熱傳導方程，還需要設定邊界條件，即物體外表面與周圍環境的熱交換情況。采用加權余量法，可將公式（1）轉化為公式（2）：

式中：qn為邊界流密度，受零件自由邊界與環境、零件和模具之間的熱傳導及輻射對流的影響。對公式（2）進行結構離散，可以得到不同節點溫度的微分方程組，從而實現工件的溫度場分析。在實際應用下，在每一步增量步中分別計算溫度和變形，通過它們之間的聯系來考究它們的相互影響，以達到零件在受熱的情況下變形過程的耦合分析。

1.2 模擬參數設定

在實際工序中，為了節約時間成本，僅采用中頻感應爐對變形量較大的胚料頭部進行加熱。所以零件的重要部位頭部不僅受到高溫的影響，還是鐓制過程的主要變形部位。為了更好考察頭部的變形情況，坯料頭部的網格劃分需要更為細密，頭部成型區單元密度設為下部區域的2倍［5］。采用四面體實體單元分割，坯料單元數為101 189個，節點數22 598個，坯料的有限元網格劃分圖如圖2所示。坯料與模具之間的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.3。

圖2 模擬用坯料的網格劃分示意圖

按照實際生產過程，整個模擬過程分3步進行：

第1步：在中頻感應爐中加熱至設定溫度后，取出工件轉移至模具前，工件與外界環境間的熱傳導過程。設定工件加熱溫度及與下模間的傳熱系數，模擬觀察坯料溫度從頭部加熱區域到桿部室溫區域的變化過程。

第2步：工件轉移至下模具中后，上模具下壓運動開始前，工件與下模間發生的熱傳導過程。將坯料放入下模，設定工件與下模間的傳熱系數，模擬計算下模吸收工件熱量后的溫度變化，為下一步鐓制過程的結果提供參照。

第3步：鐓鍛過程，成形過程。在工件上選取多個點，模擬鐓制成型階段的各個區域的塑性變形和溫度分布情況。

2 有限元模擬結果與分析

2.1 加熱工件與環境之間的熱傳導過程

根據生產實際，設定工件頭部110 mm長度區域已加熱至1 100℃，桿部區域溫度為室溫20℃。圖3為工件與環境之間的熱傳導過程最后一步的模擬結果，可見坯料前頭部加熱區域溫度變化極?。^部108 mm處仍能保持1 100℃），溫度從上部加熱區域到下部未加熱區域的分界處開始逐漸降低，溫差變化高達100℃/mm，發生溫度變化區域的平均長度約為19 mm。受熱交換作用，當加熱區域長度過短時，可能導致坯料后續變形區域溫度分布不均，影響成型。因此，為保證良好的熱變形狀態，加熱區域長度可適當延長至120 mm左右。

圖3 工件從加熱爐中取出未轉移到模具時溫度分布

2.2 加熱工件與下模具之間的熱傳導過程

工件與下模具間的傳熱系數設為1［6］。圖4為此過程最后一步的模擬結果，由于工件僅頭部加熱，與下模具接觸的工件部分均為室溫，且該過程持續時間較短，未發生明顯的熱傳遞，故工件、模具均無明顯溫度變化。

圖4 工件加熱后轉移放入模具后的溫度分布

2.3 鐓制成型過程

六角頭螺栓鐓制成形過程符合剪切摩擦熱模鍛模型，模具與坯料之間摩擦因數設為0.3，熱交換系數為5 N/sec/mm/℃。上模具垂直下壓速度參考實際鐓鍛設備軸承行程軌跡設置。參考實際生產過程中加熱情況，其相關分析結果如下。

2.3.1 等效應力分析

成型變形過程中的等效應力主要受應變、溫度及應變率的影響，圖5所示為在上模具垂直下壓行程一定時，加熱溫度為1 100℃時，螺栓頭部成型過程中三個典型階段狀態的等效應力分布云圖。

圖5 加熱溫度為1100℃時螺栓頭部成型過程中不同狀態下的等效應力云圖

由圖5可以看出，隨著成型過程的發展，螺栓所受等效應力逐漸增大。三種狀態下，坯料下表面與下模接觸處所受應力最大，螺栓頭部的等效應力均有沿中心向四周逐漸擴散的趨勢，應力大小沿中心向四周呈拋物線變化。這種變化是由于坯料受墩頭壓力發生塑性變形，內部溫度和應變率的不斷變化造成的。螺栓成型鐓粗階段（圖5a）的等效應力的最大值出現在坯料上下表面圓環區域及頭部與桿部連接處，桿部未見明顯應力分布。由于頭部僅發生墩粗未接觸模具，外表面應力分布較為均勻。當螺栓頭部初步成型充滿時（圖5b），由于坯料頭部發生塑性變形，接近加熱區域頭部連接的桿部受模具擠壓所受應力變大。此外，螺栓頭部成型完成后上模持續下壓（圖5c），由于壓力過載，坯料桿部的等效應力增大，其最大值出現在與下模具的接觸區域。

2.3.2 等效應變分析

圖6所示為在上模具行程一定時，坯料加熱溫度為1 100℃時，螺栓頭部成型的等效應變云圖。成型后工件頭部的等效應變的分布規律與等效應力分布相似，以坯料中軸線呈中心對稱，其最大變形區域位于六角頭螺栓六角邊緣處，沿六角邊緣和頭部軸線中心方向擴展，其等效應變數值呈越來越小的趨勢。螺栓頭部原始坯料直徑范圍內和桿部未發生明顯變形。

圖6 加熱溫度為1 100℃時螺栓頭部成型的等效應變云圖

2.3.3 溫度場分布

圖7所示為在上模具垂直下壓行程一定，坯料初始溫度為1 100℃時，在熱潤滑條件下（摩擦系數為0.3），螺栓頭部成型的溫度場分布云圖。由于鐓制對坯料做功，坯料頭部的整體溫度有所上升，受加熱長度影響，僅在接近加熱區域的桿部有熱傳遞，其溫度有所升高，其余桿部溫度未發生明顯變化。從圖7可以看出，在給定工藝條件下，成型后螺栓頭部最高溫度區域為位于六角頭螺栓六角邊緣處，最低溫度區域為中心處，并且沿著中心位置向邊緣溫度逐漸升高。對比圖6發現，工件成型溫度場和等效應變分布呈現相似的規律。這是由于鐓制過程是一種塑性變形，存在溫度效應，變形程度的升高，溫度的變化越明顯。

圖7 加熱溫度1 100℃、摩擦系數0.3時，螺栓頭部成型的溫度場分布云圖

2.3.4 鐓制過程對點的追蹤熱分析

以初始加熱溫度1 100℃的條件為例，在工件上外表面不同位置選取 P1～P8共8個點，如圖8（a）所示。圖8（b）顯示了鐓制后各點的分布，由圖可以看出P1-P4位于螺栓六邊形的一條邊1/2的截面處，P5-P8位于螺栓六邊形頂點截面處，并且P1與P5、P6與P2、P3與 P7、P8與 P4位于同一截面上。圖8（c）顯示的是終成形各階段工件的溫度分布情況。由圖可見在上模具未接觸到胚料上表面時，各點溫度都平穩下降。隨著上模具接觸到胚料上表面，胚料新受到上模具的熱傳導，導熱系數變大，表現為圖中斜率改變。由于P4和P8與模具接觸進行傳導傳熱，所以溫度下降得快一些。而P3和P7位于胚料頭的根部，在力的作用下與下模具接觸更為緊密，導致導熱系數變大，所以冷卻速度變大，但是由于根部也會發生部分塑性變形，產生部分熱量所以P3和P7溫度下降速度就沒有P4和P8快。對于P1、P2、P5、P6，在與上模具接觸的同時一部分功用于發生塑性變形，另一部分功轉化為熱量，減緩了冷卻速度。隨著變形程度的增加，溫度甚至發生了升高。由該圖可以看出冷卻速度的變化體現了不同橫截面處的變形程度也不同，變形程度最大的是頭部，這一點與工程生產的實際情況相符合。

圖8 工件鐓制過程選點的分布

2.3.5 鐓制成型變形追蹤分析

圖9所示為在上模具行程一定時，坯料加熱溫度為1 100℃時螺栓頭部不同變形程度圖?？梢园l現，整個變形過程為中部先鼓起，原本是側面的P1和P5在鐓制結束后變成了上表面，整個鐓制過程就像是壓面團。由圖可以看出在1 100℃時，螺栓頭部填充較為充實，成型質量良好，是較為理想的加熱溫度。

圖9 初始溫度為1 100℃時不同變形量下螺栓頭部成型變形過程

3 結 論

1.工件感應加熱后轉移至模具的過程中存在熱傳遞現象，發生溫度變化區域的平均長度約為19 mm，加熱區域長度應保持在120 mm左右。

2.工件的等效應力分布隨著模具下壓運動發生變化。墩頭停留時間過長，由于壓力過載，等效應力的最大值出現在螺栓桿部與下模具的接觸面。

3.工件頭部的溫度和等效應變分布呈現相似的規律，其最大應變和最高溫度區域位于六角頭螺栓頭部與下模成型的邊緣處；溫度和等效應變的最小值出現在中心位置處，并且沿著中心位置向頭部兩側逐漸升高。螺栓桿部無明顯應變變化，接近初始加熱區域的桿部溫度略有升高。

4.初始加熱溫度1 100℃，熱摩擦（摩擦系數0.3）的條件下進行鐓制，螺栓頭部填充較為充實，成型質量良好，是較為理想的成型工藝。