風(fēng)電裝備特種緊固螺栓成型研究

張友君，劉 杰，丁志敏，嚴(yán) 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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

隨著風(fēng)電、石油、汽車、高鐵、航空、工程機(jī)械、電力、橋梁建筑等高端裝備領(lǐng)域的快速發(fā)展，緊固件行業(yè)已逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)緊固件制造在質(zhì)量和性能方面提出了更高的要求［1］。風(fēng)電緊固件在使用過(guò)程中要施加較大的預(yù)緊力，且在預(yù)緊力的基礎(chǔ)上還受到交變載荷的作用，因此風(fēng)電裝備用特種緊固件產(chǎn)品的質(zhì)量要求極高，特別是緊固件頭部。在緊固件生產(chǎn)中，多用鐓制、沖壓、切削等加工方式進(jìn)行初步成型。鐓制是通過(guò)對(duì)金屬坯料施加一定的外力，使之在模腔內(nèi)具內(nèi)發(fā)生塑性變形，按規(guī)定的形狀和尺寸成型。根據(jù)對(duì)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(jīng)濟(jì)效益，并且還能保證成型過(guò)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(yè)中最為常見(jiàn)的大批量生產(chǎn)方法。然而，金屬材料在常溫下發(fā)生塑性變形時(shí)存在冷作硬化。同時(shí)，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(zhì)量差，出現(xiàn)飛邊、不飽滿、開(kāi)裂等問(wèn)題。合理選擇加工參數(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程至關(guān)重要。由于缺乏對(duì)金屬坯料變形特點(diǎn)的了解，目前企業(yè)中制造工藝的調(diào)整仍然強(qiáng)烈依賴于試錯(cuò)試驗(yàn)。因此，為了提高效率，減少研發(fā)成本，開(kāi)展風(fēng)電裝備特種緊固件頭部成型鐓制工藝的研究至關(guān)重要。

試驗(yàn)利用有限元模擬軟件Deform-3D模擬了42CrMoA六角頭螺釘在成型過(guò)程的數(shù)值模擬，分析了坯料鐓制前加熱時(shí)溫度場(chǎng)分布和胚料與環(huán)境的傳熱過(guò)程，鐓制時(shí)胚料的變形情況，同時(shí)參照企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工藝，討論了鐓制過(guò)程中坯料的應(yīng)力、溫度場(chǎng)和鐓制變形行為。

1 有限元模擬與工藝參數(shù)設(shè)定

建立的三維實(shí)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(zhǎng)度為120 mm。用三維建模軟件UG畫(huà)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(dǎo)入Deform-3D。坯料采用塑性材料模型，考慮到模具在成形過(guò)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(duì)上下模具進(jìn)行劃分網(wǎng)格和材料定義，上模為主動(dòng)模具。

1.1 Deform有限元求解過(guò)程

圖1 模具及胚料立體圖形

Deform在計(jì)算變形時(shí)通過(guò)有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)方程、邊界條件方程轉(zhuǎn)換為非線性方程組通過(guò)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(guò)程時(shí)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(guò)程中會(huì)受到熱和力的共同影響，所以在實(shí)際計(jì)算求解過(guò)程必須要對(duì)熱分析和力分析進(jìn)行耦合［4］。零件為各項(xiàng)同性材料，其成型過(guò)程符合有熱內(nèi)源的瞬時(shí)熱傳導(dǎo)問(wèn)題?；跓崃W(xué)第一定律和傅里葉定律，在直角坐標(biāo)系中，其導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)；Q為塑性功生成熱引起的內(nèi)熱源，表示為Q＝分別為等效應(yīng)力和等效應(yīng)變速率）

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

式中：qn為邊界流密度，受零件自由邊界與環(huán)境、零件和模具之間的熱傳導(dǎo)及輻射對(duì)流的影響。對(duì)公式（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，可以得到不同節(jié)點(diǎn)溫度的微分方程組，從而實(shí)現(xiàn)工件的溫度場(chǎng)分析。在實(shí)際應(yīng)用下，在每一步增量步中分別計(jì)算溫度和變形，通過(guò)它們之間的聯(lián)系來(lái)考究它們的相互影響，以達(dá)到零件在受熱的情況下變形過(guò)程的耦合分析。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)定

在實(shí)際工序中，為了節(jié)約時(shí)間成本，僅采用中頻感應(yīng)爐對(duì)變形量較大的胚料頭部進(jìn)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(guò)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(wǎng)格劃分需要更為細(xì)密，頭部成型區(qū)單元密度設(shè)為下部區(qū)域的2倍［5］。采用四面體實(shí)體單元分割，坯料單元數(shù)為101 189個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)22 598個(gè)，坯料的有限元網(wǎng)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(wǎng)格劃分示意圖

按照實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，整個(gè)模擬過(guò)程分3步進(jìn)行：

第1步：在中頻感應(yīng)爐中加熱至設(shè)定溫度后，取出工件轉(zhuǎn)移至模具前，工件與外界環(huán)境間的熱傳導(dǎo)過(guò)程。設(shè)定工件加熱溫度及與下模間的傳熱系數(shù)，模擬觀察坯料溫度從頭部加熱區(qū)域到桿部室溫區(qū)域的變化過(guò)程。

第2步：工件轉(zhuǎn)移至下模具中后，上模具下壓運(yùn)動(dòng)開(kāi)始前，工件與下模間發(fā)生的熱傳導(dǎo)過(guò)程。將坯料放入下模，設(shè)定工件與下模間的傳熱系數(shù)，模擬計(jì)算下模吸收工件熱量后的溫度變化，為下一步鐓制過(guò)程的結(jié)果提供參照。

第3步：鐓鍛過(guò)程，成形過(guò)程。在工件上選取多個(gè)點(diǎn)，模擬鐓制成型階段的各個(gè)區(qū)域的塑性變形和溫度分布情況。

2 有限元模擬結(jié)果與分析

2.1 加熱工件與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)定工件頭部110 mm長(zhǎng)度區(qū)域已加熱至1 100℃，桿部區(qū)域溫度為室溫20℃。圖3為工件與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程最后一步的模擬結(jié)果，可見(jiàn)坯料前頭部加熱區(qū)域溫度變化極小（頭部108 mm處仍能保持1 100℃），溫度從上部加熱區(qū)域到下部未加熱區(qū)域的分界處開(kāi)始逐漸降低，溫差變化高達(dá)100℃/mm，發(fā)生溫度變化區(qū)域的平均長(zhǎng)度約為19 mm。受熱交換作用，當(dāng)加熱區(qū)域長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，可能導(dǎo)致坯料后續(xù)變形區(qū)域溫度分布不均，影響成型。因此，為保證良好的熱變形狀態(tài)，加熱區(qū)域長(zhǎng)度可適當(dāng)延長(zhǎng)至120 mm左右。

圖3 工件從加熱爐中取出未轉(zhuǎn)移到模具時(shí)溫度分布

2.2 加熱工件與下模具之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程

工件與下模具間的傳熱系數(shù)設(shè)為1［6］。圖4為此過(guò)程最后一步的模擬結(jié)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(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，未發(fā)生明顯的熱傳遞，故工件、模具均無(wú)明顯溫度變化。

圖4 工件加熱后轉(zhuǎn)移放入模具后的溫度分布

2.3 鐓制成型過(guò)程

六角頭螺栓鐓制成形過(guò)程符合剪切摩擦熱模鍛模型，模具與坯料之間摩擦因數(shù)設(shè)為0.3，熱交換系數(shù)為5 N/sec/mm/℃。上模具垂直下壓速度參考實(shí)際鐓鍛設(shè)備軸承行程軌跡設(shè)置。參考實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中加熱情況，其相關(guān)分析結(jié)果如下。

2.3.1 等效應(yīng)力分析

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

圖5 加熱溫度為1100℃時(shí)螺栓頭部成型過(guò)程中不同狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖

由圖5可以看出，隨著成型過(guò)程的發(fā)展，螺栓所受等效應(yīng)力逐漸增大。三種狀態(tài)下，坯料下表面與下模接觸處所受應(yīng)力最大，螺栓頭部的等效應(yīng)力均有沿中心向四周逐漸擴(kuò)散的趨勢(shì)，應(yīng)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(fā)生塑性變形，內(nèi)部溫度和應(yīng)變率的不斷變化造成的。螺栓成型鐓粗階段（圖5a）的等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在坯料上下表面圓環(huán)區(qū)域及頭部與桿部連接處，桿部未見(jiàn)明顯應(yīng)力分布。由于頭部?jī)H發(fā)生墩粗未接觸模具，外表面應(yīng)力分布較為均勻。當(dāng)螺栓頭部初步成型充滿時(shí)（圖5b），由于坯料頭部發(fā)生塑性變形，接近加熱區(qū)域頭部連接的桿部受模具擠壓所受應(yīng)力變大。此外，螺栓頭部成型完成后上模持續(xù)下壓（圖5c），由于壓力過(guò)載，坯料桿部的等效應(yīng)力增大，其最大值出現(xiàn)在與下模具的接觸區(qū)域。

2.3.2 等效應(yīng)變分析

圖6所示為在上模具行程一定時(shí)，坯料加熱溫度為1 100℃時(shí)，螺栓頭部成型的等效應(yīng)變?cè)茍D。成型后工件頭部的等效應(yīng)變的分布規(guī)律與等效應(yīng)力分布相似，以坯料中軸線呈中心對(duì)稱，其最大變形區(qū)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(kuò)展，其等效應(yīng)變數(shù)值呈越來(lái)越小的趨勢(shì)。螺栓頭部原始坯料直徑范圍內(nèi)和桿部未發(fā)生明顯變形。

圖6 加熱溫度為1 100℃時(shí)螺栓頭部成型的等效應(yīng)變?cè)茍D

2.3.3 溫度場(chǎng)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(shí)，在熱潤(rùn)滑條件下（摩擦系數(shù)為0.3），螺栓頭部成型的溫度場(chǎng)分布云圖。由于鐓制對(duì)坯料做功，坯料頭部的整體溫度有所上升，受加熱長(zhǎng)度影響，僅在接近加熱區(qū)域的桿部有熱傳遞，其溫度有所升高，其余桿部溫度未發(fā)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(qū)域?yàn)槲挥诹穷^螺栓六角邊緣處，最低溫度區(qū)域?yàn)橹行奶帲⑶已刂行奈恢孟蜻吘墱囟戎饾u升高。對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)，工件成型溫度場(chǎng)和等效應(yīng)變分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律。這是由于鐓制過(guò)程是一種塑性變形，存在溫度效應(yīng)，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(shù)0.3時(shí)，螺栓頭部成型的溫度場(chǎng)分布云圖

2.3.4 鐓制過(guò)程對(duì)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)，如圖8（a）所示。圖8（b）顯示了鐓制后各點(diǎn)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(diǎn)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(jiàn)在上模具未接觸到胚料上表面時(shí)，各點(diǎn)溫度都平穩(wěn)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(dǎo)，導(dǎo)熱系數(shù)變大，表現(xiàn)為圖中斜率改變。由于P4和P8與模具接觸進(jìn)行傳導(dǎo)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(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)變大，所以冷卻速度變大，但是由于根部也會(huì)發(fā)生部分塑性變形，產(chǎn)生部分熱量所以P3和P7溫度下降速度就沒(méi)有P4和P8快。對(duì)于P1、P2、P5、P6，在與上模具接觸的同時(shí)一部分功用于發(fā)生塑性變形，另一部分功轉(zhuǎn)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(fā)生了升高。由該圖可以看出冷卻速度的變化體現(xiàn)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(diǎn)與工程生產(chǎn)的實(shí)際情況相符合。

圖8 工件鐓制過(guò)程選點(diǎn)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(shí)，坯料加熱溫度為1 100℃時(shí)螺栓頭部不同變形程度圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，整個(gè)變形過(guò)程為中部先鼓起，原本是側(cè)面的P1和P5在鐓制結(jié)束后變成了上表面，整個(gè)鐓制過(guò)程就像是壓面團(tuán)。由圖可以看出在1 100℃時(shí)，螺栓頭部填充較為充實(shí)，成型質(zhì)量良好，是較為理想的加熱溫度。

圖9 初始溫度為1 100℃時(shí)不同變形量下螺栓頭部成型變形過(guò)程

3 結(jié) 論

1.工件感應(yīng)加熱后轉(zhuǎn)移至模具的過(guò)程中存在熱傳遞現(xiàn)象，發(fā)生溫度變化區(qū)域的平均長(zhǎng)度約為19 mm，加熱區(qū)域長(zhǎng)度應(yīng)保持在120 mm左右。

2.工件的等效應(yīng)力分布隨著模具下壓運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。墩頭停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于壓力過(guò)載，等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)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(yīng)變分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律，其最大應(yīng)變和最高溫度區(qū)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(yīng)變的最小值出現(xiàn)在中心位置處，并且沿著中心位置向頭部?jī)蓚?cè)逐漸升高。螺栓桿部無(wú)明顯應(yīng)變變化，接近初始加熱區(qū)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(shù)0.3）的條件下進(jìn)行鐓制，螺栓頭部填充較為充實(shí)，成型質(zhì)量良好，是較為理想的成型工藝。