螺母四序形成上冲头的失效分析及改进

HEATS

　　对螺母五工位大料小变形工艺四序上冲头的非正常失效形式及原因进行了初步的分析探讨并提出了改进措施。

+ y4 V- T$ z$ J8 v9 j l

　　德国国民公司M16CS2CNF螺母成机生产螺母采用五工位大料小变形工艺，夹钳具有翻转功能。在生产中四序成形上冲头损坏严重，寿命最低时仅为2~3件左右，生产成本及效率极低。

　　具体成形工艺如图1(以M14规格标准螺母为例)：

* e0 z- }& `* r' _3 S" U

　　原材料经过切料—整平—整形—预成形—成形—冲孔等工序形成螺母坯料，由于采用大料小变形工艺，原材料直径为0.95S(S为螺母对边尺寸)。

! V+ N7 R( @: {8 @& K & m3 {# [) ]) y/ q( l$ _$ f/ S

　　在第四序成形过程中，成形上冲头容易开裂，具体开裂形式如图2。

Y U6 }) S% {4 ]9 \7 S

　　模具材料：W6Mo5Cr4V2

, e2 v+ y7 L8 ?* x ! E. b. w: \" G/ o) V, {/ d

　　硬度：59~61HRC

; m* e; J; a8 G0 q 3 F) N) Q6 O) z! n8 U9 _

　　模具所能承受的应力为180~220Kg/mm2

　　冲头所受应力p=C?δm①

* n: u1 Z. H1 L

　　式中：C—约束系数，闭式模锻取3~5δm一平均变形抗力，产品材料为ML20，由于变形较小

X+ u, k( z# q0 f. Y4 i + w/ m0 r. P, X4 G

　　故δm≈δb=42Kg/mm2

1 r+ Q! e* t9 ^$ U& b& M / k4 E2 m& L4 H% S0 G; |

　　∴P=126~210Kg/ mm2

/ ^' t( B! D7 \ J, R

　　从以上计算来看，此受力大小在模具的许用应力范围内，因此模具的失效不应为受力守大所造成。

　　通过分析认为，造成模具失效主要有以下几个方面：

3 O, _2 {2 i+ Z. H

　　1、模具设计及制造

- P7 W, d/ e$ l8 T

　　如图3，在A处，倒角Фd与平面接合无圆弧R过渡，造成应力集中，在成形过程中此处受到高频次的拉、压交变应力作用，极易由于疲劳产生微裂纹，最终裂纹扩展造成断裂。

" m0 R# I9 g. O' x+ E* G; a+ Q) I. [

　　再者，在制造中此处是在普通车床进行车削加工而成，由于普通车床的加工特性，在加工此处时，车刀的刀尖或多或少会产生一些抖动，这样就会在此处造成微裂纹，经过抛光后裂纹依然存在，热处理时裂纹由外向里纵向发展，此种模具在使用中寿命极短。

$ |1 l0 f5 H( {5 ~7 m) I- e# z

　　2、工艺设计

4 {$ I* z8 w* Z" b, V& Y . _% s! l- O/ N2 f, w+ O; f

　　此冲头对第三序成形后的毛坯进行再次成形以达到产品的尺寸要求，由于三序成形尺寸不合理会出现如图4所示的形式。

. f- Z+ Y# H8 c1 i5 S3 s 8 V2 ?- _8 u/ W# c3 v

　　冲头接触到毛坯后会在冲头端面及毛坯的凹穴形成封闭的区域，在此区域中存在润滑油及空气，当冲头下行时空气与润滑油被压缩，产生很大的压力，形成气爆和油爆，又由于冲头行程很快(120次/分)，冲头受此高频次的压力作用，很容易在最薄弱处产生微裂纹，随着裂纹的扩展，最终形成失效。

6 y, g4 K8 w9 D: T3 N- I7 F( ^ 9 C8 [$ h, ]+ Q/ \$ {

　　针对以上原因的分析，采取了以下几点措施：

Y: _# ~3 P6 g! p5 ^

　　1、改进模具设计

8 s( y' N! [1 q% O! U$ H& r3 p

　　将冲头大角度过渡处采用圆弧连接，减小应力集中效应。

　　具体改进如图5所示：

　　2、改进模具模具工艺

7 o5 q1 r* H7 m, `1 i& F: a

　　将冲头头部尺寸切削加工改为挤压无切削加工，材料选用65Nb。模具毛坯预先进行锻打，打碎模具材料中的网状结构及粗大晶粒，退火后进行压制成形，这样就消除了车削加工所带来的微裂纹现象。

% p- ]+ }6 ^2 N$ h9 p % }. l6 U" ]6 o$ J$ q9 H0 y

　　3、改进工艺设计

1 ?! [ f# b8 R/ D, z) L' \5 t Q! } : A/ {! h/ P; V5 K+ a/ K

　　将三序毛坯尺寸进行改进，使之与冲头接触时不会产生封闭区域，避免气爆、油爆的形成。如图6所示

9 h8 w( ?1 U/ |" ^6 e

　　通过以上改进，模具寿命有了极大的提高，从最初的2~3千件提高到1.5~2万件，但与理想的要求还有一定的距离，有待进一步的改进。 -【MechNet】