六角法兰面锁紧螺母冷镦开裂原因及预防措施

张卫新， 李 芳， 张银芳， 雷 奎， 覃小均

（1.太原理工大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024； 2.重庆金海标准件有限公司，重庆 402260； 3.武汉市硚口区市政工程总公司， 湖北 武汉 430035；4.计算机科学与技术学院， 重庆 400065）

法兰面螺母具有较大的支撑面，在预紧力的作用下，可以增加防松能力。2017年，作者担任重庆金海标准件热处理工程师期间，发现螺母在冷镦成型过程中，法兰面位置容易出现开裂现象，分析并参与了整个防止开裂的过程。

1 螺母开裂现状

2018年4月，重庆金海标准件螺母车间，冷镦成型的六角法兰面锁紧螺母中，开裂比例达到近30%，造成了原材料浪费、人工筛选的支出以及产品成本的增加。

观察冷镦每个工序，法兰面位置表面状态，如图1所示。所使用设备为浙江友信机械工业有限公司生产的N19B6S。

下料切割与断裂交界处，上下两侧存在明显的开裂痕迹，最长裂痕有5.08 mm（图1-1）；一序产品切割端面，存在切割痕迹和毛刺（图1-2）；成型过程中，二序、三序产品表面存在裂纹痕迹（图1-3）；在四序、五序中，产品冷镦形成法兰面时，受到三项应力作用[1]，法兰面存在明显的裂口（图1-4）。

2 法兰面开裂原因分析

2.1 切料刀

在螺母冷镦切料工序中，切料端面不平整，或者带有裂口，在形成法兰面过程中，容易出现裂纹，下料断面形状如图1-1所示。不同的刀具会影响切料断口的形状，正侑刀具如下页图3-1所示，对应切出的料如下页图3-2所示，友信刀具如下页图3-3所示，对应切出的料如下页图3-4所示。

图1 冷镦工序中开裂实图

图2 锁紧螺母冷镦成型工艺

2.2 材料硬度

2.2.1 成品丝硬度

截取开裂产品成品丝，使用洛氏硬度计测得硬度为81HRB，硬度小于85HRB，硬度偏低。

图3 切料刀具和切料对比

2.2.2 被切料的硬度

使用维氏硬度计，由边缘向中心进行梯度测试，测得 4 个点，硬度（HV）分别为199.37，208.46，208.37，206.41，由于受到挤压变形，硬度相对成品丝有所提高，被切料端面形状如图4-1所示，材料表面有一定的微脱碳，切料脱碳金相如图4-2所示。

图4 被切料

2.2.3 螺母法兰面硬度

维氏硬度计测法兰面端面硬度，由外向里硬度（HV）分别为 189.87，195.34，232.06，273.67，硬度上升较大，主要原因是靠近芯部在冷镦成型过程中，变形较大，经过了整形、成型、冷镦冲孔步骤，法兰面端面如图5所示。

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图5 法兰面端面

使用5%硝酸酒精溶液进行腐蚀，使用100X金相显微镜观察，在螺母螺纹处，即硬度最高的地方存在较多肉眼无法识别的裂纹，螺纹孔边缘裂纹如图6所示。

图6 螺纹边缘裂纹

通过金相实际观察切下的料口端面，除了较大裂口外，并未发现表面有其他微小裂纹产生，可以推断应该是在冷镦工序后期形成。经过多次工件冷作硬化，表面硬度增加，就会产生数条微小裂纹。

2.3 冷顶锻

成品丝直径d=18.1 mm,截取式样高度为1d,使用万能试验机做冷顶锻四分之一试验，材料并未发生开裂，冷顶锻试样如下页图7所示。

2.4 材料成分

材料使用的是型钢35K，使用德国斯派克光谱分析仪检测，型号为MAXX05-F，检测结果为材料成分在正常范围内，化学成分如下页表1所示。

2.5 产品尺寸

图7 冷顶锻后试样

表1 材料化学成分 %

在冷镦成形过程中，几何尺寸不同，所需要的成形力也不同。其中，六棱柱高度是影响成形力的最主要因素，其次是六棱柱内切圆直径，再次是法兰面高度，法兰面直径对成形力的影响则较小[2]。

六角法兰面锁紧螺母如图8所示，采用直接冷镦成型工艺，图示中，六棱住内切圆直径S，法兰面直径D，六棱柱高H，法兰面高h。采用Deform-3D[3]软件对六角法兰面锁紧螺母进行数值模拟。

图8 六角法兰面锁紧螺母

2.5.1 正交试验分析

1）正交试验设计L9（34）正交表进行正交试验，4因素3水平如表2所示。

表2 4因素3水平

2）在34种组合中，根据正交表的均匀分散性，整齐可比，选取9组数据对主要影响因素进行数据模拟，成形载荷如表3所示，对结果进行分析，H=11，S=16，h=3，D=24 为最优方案，试验结果如表 4所示。

表3 成形载荷

表4 试验结果

2.6 金相等级

参照国家标准低、中碳钢球化体评级JB/T 5074—2007判定，珠光体中碳化物球化颗粒细小，显微镜观察（500倍）呈点状球化体＋铁素体，球化退火后组织满足5级要求，判定合格，球化组织如图9所示。

图9 球化组织

3 预防措施

针对六角法兰面锁紧螺母冷镦开裂原因分析，确定生产过程中主要需要注意的地方：

1）切料断口平整度。合理调整切料刀与切料模具的间隙，一般10～20丝；螺母料配合使用可切出断口平齐的刀具。

2）材料芯部硬度。成品丝硬度（HRB）控制在85～95。

3）材料表面硬度。退火过程中，使产品表面有一定的脱碳层，总脱碳层深度不大于2.5d%（d为盘条直径）。

4）产品尺寸。在冷镦成型过程中，产品尺寸也是造成产品开裂的一个因素，应当控制主要尺寸对变形量的影响。

4 结论

1）切料时应该使用受力接触面大的刀具，会减少切料的不平整度。

2）成品丝芯部硬度会影响到切料后断口表面的形态，表面硬度低会在变形量较大的情况下，减少裂纹产生。

3）产品设计尺寸，决定产品冷作硬化的程度。

[1]张永新.法兰面螺母冷镦开裂分析[J].化学工程与装备，2012（12）：114-115.

[2]戎飞，刘胜，唐宗烨，等.六角法兰面焊接螺母参数优化及模具磨损研究[J].机械制造，2017（55）：72-74.

[3]陈晓川，张暴暴，刘晓冰，等.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造，1998，36（12）：8-10.