螺紋蓋板翻孔開裂缺陷的分析及工藝改進(jìn)

龐 毅

（廣西華原過濾系統(tǒng)股份有限公司， 廣西 玉林 537005）

0 引 言

隨著柴油發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展以及排放法規(guī)的不斷升級，新技術(shù)對濾清器的耐壓能力要求越來越高。螺紋蓋板是濾清器中重要的連接及耐壓結(jié)構(gòu)件，通過調(diào)整螺紋蓋板的結(jié)構(gòu)，將螺紋孔由內(nèi)向式改為外向式，能有效提升濾清器的耐壓能力。但這種調(diào)整方式會使螺紋蓋板的加工難度增大，其成形質(zhì)量難以保證，主要表現(xiàn)為翻孔口端面容易產(chǎn)生開裂缺陷[1-2]。開裂不僅影響產(chǎn)品的外觀，還不利于后續(xù)螺紋的加工，最終影響產(chǎn)品的安裝和使用。

研究如何在不增加制造成本的前提下，改進(jìn)螺紋蓋板的制造工藝、提升其質(zhì)量具有重要意義。現(xiàn)通過對螺紋蓋板翻孔口開裂的影響因素進(jìn)行分析，提出改善開裂問題的工藝方案和模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施，并進(jìn)行實際驗證。

1 螺紋蓋板的作用及質(zhì)量要求

螺紋蓋板為濾清器的關(guān)鍵零部件，與殼體封裝形成密封腔體，外部通過內(nèi)螺紋與基座連接，起到連接、固定以及潤滑油進(jìn)、出的作用。螺紋蓋板材料采用熱軋?zhí)妓劁摪澹穸葹?.5～6 mm。螺紋蓋板的結(jié)構(gòu)形式主要有2 種：螺紋孔內(nèi)向式和螺紋孔外向式。現(xiàn)主要研究外向式螺紋蓋板，如圖1所示，厚度為4 mm，翻孔高度為15 mm，是典型的深翻孔零件。

圖1 螺紋蓋板

螺紋蓋板的螺紋垂直度會影響濾清器的耐壓能力，如果出現(xiàn)問題會導(dǎo)致濾清器泄漏。外向式螺紋蓋板由于安裝螺紋在翻孔底部，如翻孔高度出現(xiàn)高低差偏大，會導(dǎo)致初始螺紋斷紋現(xiàn)象，造成濾清器無法安裝；如果螺紋端面開裂，除了造成濾清器安裝困難外，還會造成裂紋毛刺脫落進(jìn)入油道，導(dǎo)致發(fā)動機磨損。因此，外向式螺紋蓋板的垂直度、翻孔高度尺寸、翻孔端面裂紋是質(zhì)量控制關(guān)鍵點。

2 生產(chǎn)工藝流程及質(zhì)量問題

螺紋蓋板原采用級進(jìn)模生產(chǎn)，設(shè)有7個工位，共集成6道工序，各工序流程：沖中孔→沖進(jìn)油孔→進(jìn)油孔壓倒角→成形→壓凸點→落料，如圖2 所示。以上述工藝生產(chǎn)的螺紋蓋板在翻孔圓口四周出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。

圖2 螺紋蓋板工序分解

圖3 螺紋蓋板翻孔裂紋

3 裂紋產(chǎn)生的影響因素分析

在螺紋蓋板內(nèi)孔翻邊過程中，材料主要受切向和徑向應(yīng)力作用，越接近預(yù)沖孔邊緣，材料變形越大。因此，內(nèi)孔翻邊開裂取決于翻邊變形程度，而衡量內(nèi)孔翻邊變形程度的標(biāo)準(zhǔn)是翻邊系數(shù)[3-4]。翻孔時不開裂所能達(dá)到的最大變形程度稱為極限翻邊系數(shù)，影響極限翻邊系數(shù)的因素包括力學(xué)過程、材料性能指標(biāo)、預(yù)沖孔斷面質(zhì)量、預(yù)沖孔直徑與料厚比值以及翻孔模設(shè)計等。

3.1 內(nèi)孔翻邊過程的力學(xué)分析

根據(jù)翻孔過程中的材料變形情況，對預(yù)沖孔邊緣內(nèi)外層材料進(jìn)行應(yīng)力分析。了解材料在翻孔時的受力變化，可以針對性采取措施避免孔口開裂缺陷的產(chǎn)生。

翻孔圓周存在彎曲變形區(qū)，金屬材料在變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)可分為內(nèi)、外兩層。外層材料徑向及環(huán)內(nèi)受拉應(yīng)力δ，厚度方向受壓應(yīng)力ε，變形以徑向伸長為主，環(huán)向及厚度方向為壓縮變形。內(nèi)層材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，徑向為壓應(yīng)變，環(huán)向及厚度方向為拉應(yīng)變。隨著翻邊的進(jìn)行，中性層的位置及彎曲變形區(qū)域隨之變化。在翻邊孔口邊緣，環(huán)向為拉應(yīng)力，厚度方向為壓應(yīng)力，徑向存在應(yīng)力中性層。凸模過渡段為球形，在內(nèi)壓的作用下，與凸模接觸的孔口邊緣的外層，徑向為壓應(yīng)力，而內(nèi)層在凸模的下行作用下，徑向為拉應(yīng)力，但內(nèi)、外層均是環(huán)向拉應(yīng)力的最大絕對值，故應(yīng)變狀態(tài)均為環(huán)向拉應(yīng)變，徑向及厚度方向為壓應(yīng)變。翻邊階段的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)如圖4所示。

圖4 翻孔變形時材料受力應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

翻孔成形時，金屬材料沿凸模表面流動，外層金屬的應(yīng)變速率和變形程度都大于內(nèi)層金屬。金屬材料的主應(yīng)變是切向變形，在主應(yīng)變方向受拉應(yīng)力，此時材料塑性最差，當(dāng)變形應(yīng)力大于材料強度極限時，會產(chǎn)生剪切破壞而出現(xiàn)開裂。如果材料塑性差，性能不穩(wěn)定，在工件預(yù)沖孔斷面質(zhì)量差的情況下（斷面質(zhì)量差主要指在材料沖裁過程中，由于撕裂而形成裂紋與毛刺），工件在翻孔塑性變形大時易受到應(yīng)力集中的影響，使微小毛刺及斷裂纖維受到剪切破壞而沿著纖維方向產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。因此，在保證材料性能穩(wěn)定的前提下，盡可能提升預(yù)沖孔斷面質(zhì)量，同時采用小變形的工藝進(jìn)行翻孔，降低孔口開裂風(fēng)險。

3.2 材料性能指標(biāo)分析

螺紋蓋板為連接緊固件，需同時兼顧較高塑性及強度，其材料是熱軋?zhí)妓劁摚軡M足螺紋蓋板結(jié)構(gòu)變形大及耐壓強度高的要求。熱軋?zhí)妓劁摬牧仙扉L率較好，能增加翻孔處的變形程度，并且極限翻邊系數(shù)小，有利于減少翻孔開裂。為避免材料原因?qū)е路呴_裂，將有開裂缺陷的零件取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表1所示。

表1 濾清器螺紋蓋板材料的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表1 可知，濾清器螺紋蓋板材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對開裂的零件取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試分析，其材料力學(xué)變形曲線如圖5 所示，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 濾清器螺紋蓋板材料的力學(xué)性能

圖5 濾清器螺紋蓋板材料力學(xué)變形曲線

由表2 可知，濾清器螺紋蓋板材料力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從材料化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗分析可排除材料原因造成翻孔開裂。

3.3 預(yù)沖孔斷面質(zhì)量分析

沖孔是通過凸、凹模的刃口將材料“剪斷”分離，凸、凹模刃口擠入材料一定深度后，刃口附近的材料產(chǎn)生剪裂紋而破壞并使材料分離，此時凸、凹模刃口尚未重疊，材料已完成分離。材料分離的斷面分為4 個區(qū)域，如圖6 所示，分別是圓角區(qū)a、光亮區(qū)b、斷裂區(qū)c、毛刺區(qū)d。圓角區(qū)a 是圓弧帶，由模具零件刃口剛壓入材料所形成；光亮區(qū)b 與圓角區(qū)相鄰，由凸、凹模剪切擠壓材料形成；斷裂區(qū)c 表面粗糙，主要由材料撕裂產(chǎn)生的微小裂紋擴展斷裂形成，該區(qū)域的材料有冷作硬化現(xiàn)象；毛刺區(qū)d是斷裂區(qū)周邊上形成的不規(guī)則撕裂毛邊。

圖6 沖裁件剪切斷面區(qū)域特征

將零件翻邊前的預(yù)沖孔工序件進(jìn)行剖面顯微鏡觀察，分析其斷面狀態(tài)，如圖7所示，其中DL0為零件總厚度，圓角區(qū)DL3約占比4.2%，光亮區(qū)DL1約占比48.9%，毛刺區(qū)DL2約占比24.9%，斷裂區(qū)約占比22%，斷裂區(qū)及毛刺區(qū)合并占比46.9%。4 個區(qū)域在沖裁件剪切斷面上的占比隨著材料的力學(xué)性能、料厚、凸模與凹模的刃口銳鈍程度及間隙等不同而變化。零件翻孔前的孔壁斷面質(zhì)量越好，越有利于翻邊成形，而斷面的斷裂區(qū)及毛刺區(qū)上有冷作硬化現(xiàn)象和微小裂紋，材料在翻孔變形時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而有微小裂紋。因此，減少斷裂區(qū)及毛刺區(qū)的占比面積，增加光亮帶占比面積能有效降低翻孔開裂缺陷。

圖7 濾清器螺紋蓋板預(yù)沖孔斷面特征

3.4 成形凸模對翻孔邊緣質(zhì)量的影響

凸模結(jié)構(gòu)主要有3種，分別是錐形凸模、球形凸模和橢球形凸模，3 種成形凸模的成形直壁段尺寸相同，不同之處是成形凸模過渡區(qū)形狀，如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)類型的翻孔凸模

在材料性能不變的情況下，采用不同形狀的成形凸模，翻孔后的效果也不同。在翻孔過程中，隨著凸模下行，預(yù)沖孔材料首先與成形凸模過渡區(qū)接觸，因為過渡區(qū)的形狀不一樣，材料與成形凸模接觸角度、面積不同，接觸區(qū)域及其周圍材料受到的應(yīng)力及應(yīng)變均不相同，不同形狀凸模翻孔過程中的徑向應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 不同形狀凸模翻孔過程中的徑向應(yīng)力分布

在錐形凸模的下行過程中，預(yù)沖孔材料上表面孔口邊緣最先與沖孔過渡區(qū)接觸，由于錐形凸模過渡區(qū)為直線，接觸方式為圓周線接觸，在凸模下行作用下孔口邊緣容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料變形嚴(yán)重；當(dāng)孔周邊材料繼續(xù)經(jīng)過凸模錐度拐角時，孔口邊緣局部應(yīng)力集中增大，導(dǎo)致材料損傷，孔口邊緣出現(xiàn)開裂。球形凸模下行時孔口材料與其過渡區(qū)貼靠，呈圓弧形，凸模與孔周邊材料為相切接觸，接觸面積相較于錐形凸模更多，材料應(yīng)力分布也較為均勻。橢球形凸模過渡區(qū)弧度為拋物線狀，相對球形更平滑，在凸模下行等距離的情況下，材料外擴變形幅度及角度最小，變形硬化及應(yīng)力集中在3 種凸模中最小，材料應(yīng)力分布最為均勻。不同形狀的凸模在翻孔過程中的2個階段翻孔變形趨勢如圖10所示。

圖10 不同形狀凸模翻孔過程中的翻孔變形趨勢

根據(jù)以上分析可知，成形凸模形狀對翻孔孔口邊緣質(zhì)量有影響，橢球形凸模翻孔質(zhì)量最好，球形凸模次之，錐形凸模翻孔質(zhì)量最差。

4 工藝改進(jìn)措施

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的影響因素分析，在材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，通過工藝對螺紋蓋板的翻孔成形質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，可采取的措施包括改善預(yù)沖孔斷面質(zhì)量及優(yōu)化翻孔模結(jié)構(gòu)設(shè)計2個方面。

4.1 改善預(yù)沖孔斷面質(zhì)量

提升沖孔斷裂面質(zhì)量方法較多，常用方法主要有：①鉆孔或整修加工翻邊的圓孔，可消除毛刺、斷裂帶及硬化層；②將沖孔后帶毛刺的一側(cè)放在翻孔里層，可減少孔口裂紋的產(chǎn)生；③將孔口退火，消除孔口邊緣表面的冷作硬化現(xiàn)象，恢復(fù)材料的塑性，得到與鉆孔相近的翻孔效果；④采用小間隙沖裁及擠壓工藝，可減少斷裂區(qū)占比面積，提升預(yù)沖孔斷面質(zhì)量。

由于濾清器螺紋蓋板為批量生產(chǎn)的零件，優(yōu)化方法必須兼顧成本及生產(chǎn)效率，采用小間隙沖裁及擠壓工藝來提升沖孔斷面的質(zhì)量。

4.1.1 減少斷裂區(qū)及毛刺區(qū)占比面積

在沖裁過程中，刃口切入材料后，依次使材料產(chǎn)生圓角區(qū)及光亮區(qū)。由于存在凸、凹模刃口間隙，其刃口對材料產(chǎn)生的沖裁力方向相反但不重合。在凸、凹模間隙過大情況下，材料并不會由刃口剪切斷裂分離而是發(fā)生快速撕裂分離，撕裂過程中會形成斷裂紋及毛刺，如圖11所示。沖壓所產(chǎn)生不同程度的斷裂紋及毛刺不可避免，但若改善沖壓條件，則可以減少斷裂紋及毛刺產(chǎn)生。

圖11 沖裁過程毛刺與間隙關(guān)系

為減少斷裂紋及毛刺產(chǎn)生，采用以下3種方案：①將凸、凹模間隙調(diào)整為0.03～0.032 mm（單邊間隙），使其與零件更匹配；②使用DC53 材料的凸、凹模，以保證刃口鋒利，延長刃口使用壽命；③在壓料板上增加壓緊橡膠的數(shù)量及長度，通過增加壓緊力避免材料在凸模切入時因壓力不足導(dǎo)致的材料起皺、沖壓失穩(wěn)現(xiàn)象。將采用上述優(yōu)化方案的模具進(jìn)行預(yù)沖孔，用顯微鏡觀察分析零件斷裂面狀態(tài)，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后濾清器螺紋蓋板預(yù)沖孔斷面特征

由圖12可觀察到零件斷面各區(qū)域，斷裂區(qū)及毛刺區(qū)占比為36.9%，較之前46.9%減少了10%，同時，明顯的毛刺已基本清除，沖裁斷面質(zhì)量得到提升。

4.1.2 增加擠壓工藝

沖裁間隙的調(diào)整只能減少斷裂區(qū)及毛刺區(qū)的占比面積，為進(jìn)一步改善沖裁斷面質(zhì)量，對預(yù)沖孔的斷裂區(qū)及毛刺區(qū)進(jìn)行了處理：采用圓角壓除的沖壓工藝，即采用與預(yù)沖孔直徑匹配的圓角凸模進(jìn)行斷裂區(qū)及毛刺區(qū)的擠壓清除。凸模材料采用Cr12，并進(jìn)行表面處理，在降低凸模表面粗糙度的同時，也能避免脫落的毛刺粘附，延長凸模的使用壽命。這種方式能有效消除毛刺，減少斷裂帶。通過顯微鏡觀察圓倒角擠壓的沖孔斷裂面狀態(tài)如圖13所示，擠壓區(qū)占截斷面的34.7%，擠壓工藝已將斷裂區(qū)及毛刺區(qū)大幅減少，沖裁斷面質(zhì)量得到了進(jìn)一步提升。

圖13 圓倒角擠壓的沖孔斷面

4.2 調(diào)整翻孔成形凸模結(jié)構(gòu)

成形凸模形狀對翻孔效果有影響，在提升沖裁斷面質(zhì)量的前提下，采用球形凸模及橢球形凸模分別進(jìn)行翻孔，通過對比翻孔質(zhì)量選擇合適的翻孔凸模。

球形凸模過渡區(qū)為球形圓弧，如圖14所示。橢球形凸模過渡區(qū)弧度為拋物線狀，如圖15所示。將預(yù)沖孔經(jīng)過改善的零件進(jìn)行2種不同形狀的凸模成形，觀察其翻孔狀態(tài)，翻孔內(nèi)壁特征如圖16所示。

圖14 球形凸模

圖15 橢球形凸模

圖16 球形凸模及橢球形凸模翻孔內(nèi)壁特征

由圖16（a）可知，經(jīng)過改善的預(yù)沖孔零件采用球形凸模翻孔，孔口沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，但卻存在明顯的材料緊縮，有開裂傾向。圖16（b）所示為采用橢球形凸模翻孔，翻孔內(nèi)壁光亮，孔口均勻，沒有開裂傾向。這說明球形凸模翻邊過程材料更易產(chǎn)生硬化及應(yīng)力集中，而橢球形凸模為拋物線過渡圓弧，成形過程緩慢變形，材料硬化程度低，更有利于翻孔變形。

綜上所述，考慮到翻孔質(zhì)量的提升，選擇橢球形凸模翻孔效果更佳。

5 改進(jìn)效果

對螺紋蓋板模具按照上述的優(yōu)化措施進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的零件如圖17所示，零件翻孔孔口無開裂現(xiàn)象，零件成形質(zhì)量提升明顯，這表明優(yōu)化方案有效，解決了零件孔口開裂的質(zhì)量問題，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖17 改進(jìn)后成形的螺紋蓋板

6 結(jié)束語

研究了螺紋蓋板翻孔開裂的主要影響因素，結(jié)合產(chǎn)量需求、成本投入因素對其沖壓工藝進(jìn)行了優(yōu)化，避免了螺紋蓋板的翻孔開裂現(xiàn)象，采用的優(yōu)化方法：①調(diào)整合理的凸、凹模間隙，通過較小的沖壓間隙提升沖孔斷面質(zhì)量；②采用擠壓工藝，基本消除斷裂紋及毛刺，進(jìn)一步提升沖孔斷面質(zhì)量；③采用橢球形成形凸模可減少翻孔開裂質(zhì)量缺陷。

上述工藝改進(jìn)方法在兼顧成本及生產(chǎn)效率前提下，解決了濾清器螺紋蓋板翻孔開裂問題，為同類型結(jié)構(gòu)零件的工藝方案提供了設(shè)計依據(jù)。