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，胡成亮*

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

隨著汽車工業的發展，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]，在傳統的鋼結構車身中，用高強鋼和鋁合金等輕質材料替代一些結構件，可以實現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[9-11]。

自流鉆螺釘可以實現對鋁合金、高強鋼等復合材料的單面連接，被廣泛應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2 塊材料或者2 個構件的無預制孔連接[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]主要對工藝參數進行了研究，最終總結出不同板材組合所對應的合理工藝參數。林巨廣等[19]通過正交試驗設計方法對自流鉆螺釘連接工藝進行了優化，研究了不同工藝參數對接頭連接質量的影響。

國外對自流鉆螺釘成形和應用的研究比較成熟?，F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，同時增加了生產過程中管理的難度，不利于自流鉆螺釘穩定生產[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，分析了其結構形狀特點，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，最后根據模擬結果進行模具設計和小批量試制生產，以期對該類零件的冷擠壓成形工藝提供一定的指導意義。

1 成形工藝分析

1.1 自流鉆螺釘結構特征

自流鉆螺釘材料為10B21 鋼，其化學成分如表1所示。對材料進行力學性能測試，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。

該零件結構形狀復雜，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備對應的刀頭配合。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。根據被連接材料特性設計螺釘尾部形狀，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

結合自流鉆螺釘結構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值模擬

2.1 數值模擬參數

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，導入DEFORM-3D 中。最后，根據實際生產條件，選用曲柄壓力機并設置其運行參數，將摩擦因數設為0.12，熱傳導系數設為5 N/(s·mm· ℃)[21-22]。為節省計算時間，坯料采用1/6 模型，并設置相應對稱面，劃分網格數量為50 000，模具設置為剛體[23-25]。

2.2 方案一數值模擬結果

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，為了改善后續擠壓過程中的材料流動情況，在尾部中心設計了錐形孔特征。隨后，坯料在第二工序凹模內發生正擠變形，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，對桿部進行局部網格細化。坯料在第四工序發生尾部縮頸和頭部鐓粗。最終，坯料在第五工序凹模內擠壓出特定形狀尾部和頭部法蘭。

圖4 方案一數值模擬結果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。數值模擬結果顯示，鍛件存在尾部填充不足和頭部法蘭處折疊的缺陷。分析螺釘的成形過程可知，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。頭部預鍛形狀會影響最終法蘭的成形質量，在與模具接觸的2 個方向上金屬流速差異較大，金屬產生匯流，產生折疊缺陷。

2.3 方案二數值模擬結果

自流鉆螺釘冷擠壓成形方案二的模擬結果如圖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，以便后續成形工步中的坯料定位。第二道工序是將經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構的模具內進行鐓擠復合成形，同步獲得螺釘桿部的三角特征和頭部帶內梅花沉槽的法蘭形狀。

圖5 方案二數值模擬結果Fig.5 Numerical simulation results of scheme 2

模擬結果顯示，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。螺釘頭部預鍛形狀會影響其在終鍛模具內的金屬流動情況，在凹模臺階處金屬徑向流動阻力較大，材料流動不均勻，成形后期會產生折疊缺陷。

2.4 方案三數值模擬結果

自流鉆螺釘三工步冷鍛成形模擬結果如圖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。模擬結果顯示，終鍛成形時坯料先在下凹模內成形桿部三角特征，然后在上凹模內成形頭部法蘭特征，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2 次正擠壓變形，2次正擠壓變形量分別為68.4%和69.1%。經第一次正擠壓后，材料產生了加工硬化，塑性降低，螺釘尾部填充不滿，頭部法蘭產生了折疊缺陷。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，頭部法蘭產生了折疊缺陷。方案三減少了坯料擠圓整形工步，并調整了螺釘頭部預鍛形狀，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。坯料在上凹模內成形頭部法蘭，在下凹模內成形桿部三角特征。三工位擠壓模具實物如圖8b 所示，實現了自流鉆螺釘多工位連續生產。

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控機床上進行模具調試和工藝試驗，按照方案三的工藝參數進行生產試制，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，發現部分產品存在折疊缺陷。分析發現，折疊產生于第三道工序，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發生輕微晃動，導致局部材料流動失穩、產生折疊。將終鍛模具改為具有浮動結構的模具，通過控制凸模浮動行程使螺釘桿部在凹模腔內先成形，然后上凹模下壓完成螺釘頭部法蘭成形。模具改進后生產的螺釘充填飽滿，無折疊缺陷，檢測結果如圖10 所示。與現有產品相比，新工藝生產的自流鉆螺釘在同樣板材、同樣設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生滑牙失效的同時，提高了自流鉆螺釘的表面強度以及安裝后的剪切力、剝離力、拉伸力。

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

4 結論

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生的預制坯形狀和模具結構設計。

2）通過試驗驗證，確定了穩定的成形工藝參數和可靠性較高的模具結構，試驗鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷，且已實現該產品的批量生產。

3）與現有產品相比，新工藝生產的自流鉆螺釘的表面強度以及安裝后的剪切力、剝離力、拉伸力得到了顯著提高。