高強螺栓加工工藝研究

沈馨娥 何東敏 邢利君

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

概述

隨著高強螺栓加工行業(yè)的發(fā)展，一些復(fù)雜環(huán)境下使用的高強螺栓的用量正在不斷增加，高強螺栓加工在緊固件行業(yè)中處于非常重要地位，也是當(dāng)前國內(nèi)該行業(yè)關(guān)注的課題。

由于高強螺栓是在飛機領(lǐng)域中使用，場合具有特殊性，該零件對尺寸及性能方面要求及其嚴(yán)格，雖然其看似結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但在雙六角頭高強螺栓加工中如何達到性能要求卻是一個難題，下面作以簡要介紹。

1 高強螺栓的結(jié)構(gòu)特點

螺栓的承載旋合螺紋上的載荷分布是很不均勻的，在彈性范圍內(nèi)，靠近螺母支承面的第一圈螺紋的載荷最大，而其余旋合螺紋的分擔(dān)載荷漸小。螺紋牙底應(yīng)呈圓弧型，牙底的圓弧半徑不應(yīng)小于0.1螺距。不應(yīng)采用三角形尖牙底或平牙底。螺紋和螺桿之間的退刀槽應(yīng)圓滑過度，圓弧半徑R為0.3螺紋直徑。螺栓頭和螺桿之間應(yīng)有過渡圓角。細牙螺紋端面和螺紋軸線的垂直度不大于0.08。

2 高強度螺栓加工工藝

2.1 分析、確定加工難點

高強度螺栓材料多為難加工鎳基高溫合金或高溫抗腐蝕合金，由于零件含Ni量高，機加難度很大，存在以下難點；

2.1.1 含Ni量極高的高強螺栓螺紋滾壓技術(shù)。

2.1.2 高強螺栓性能的保證。

2.2 加工工藝

零件鐓制-熱處理-加工檢測硬度試件-滾制加工-清洗-熒光檢查-檢驗-機械性能檢測-最終檢驗-入庫 ，零件結(jié)構(gòu)圖如下：

3 高強螺栓的材料

3.1 高強螺栓對材料的性能要求

有較好的抗松弛性，使螺栓在較低的預(yù)緊應(yīng)力下，經(jīng)過一個設(shè)計運行時間后，其殘余緊應(yīng)力仍高于最小密封應(yīng)力。強度和塑性的良好配合，蠕變?nèi)笨诿舾行孕?。組織穩(wěn)定，熱脆性傾向小。良好的抗氧化性能，防止長期運行后因螺紋氧化而發(fā)生螺栓和螺母咬死現(xiàn)象。

3.2 高強螺栓的材料

在高強螺栓制造中，零件材料為鎳基高溫合金。設(shè)計要求頭部應(yīng)有熱鐓或冷鐓成型，我們采用冷鐓成型，冷鐓鋼是采用冷鐓成型工藝生產(chǎn)的互換性較高的鎳基鐓制坯料，它是常溫下利用金屬塑性加工成型，每個零件的變形量很大，承受的變形速度也高，所以，對零件原料的性能要求也十分嚴(yán)格。

4 冷鐓工藝技術(shù)

高強螺栓頭部采用冷鐓塑形加工，和切削加工相比，金屬流線沿零件形狀呈連續(xù)狀，中間無切斷，使得零件的強度得到提高，機械性能優(yōu)良。

冷鐓成形工藝包括切料與成形。冷鐓機分別在幾個成型凹模里進行，多工位自動冷鐓機使用的原始毛坯的加工特點是由盤條鋼絲的尺寸決定的，通過整形可得到符合工藝要求（滿足設(shè)計性能）的毛坯。在自動冷鐓機上制造高強度緊固件所使用的冷撥盤條鋼絲的不圓度應(yīng)在直徑公差范圍內(nèi)。冷鐓成型所能達到的精度還同成型方法的選擇和所采用的工序有關(guān)。此外，它還取決于所用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，工藝特點及其狀態(tài)，壽命和磨損程度。

5 熱處理工藝技術(shù)

高強螺栓根據(jù)技術(shù)要求要在局部滾制加工前進行熱處理。熱處理是為了提高緊固件的綜合機械性能，以滿足螺栓規(guī)定的抗拉強度和疲勞強度，因此，要想生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的高強度緊固件，必須要有先進的熱處理技術(shù)裝備。 由于高強度螺栓生產(chǎn)量大，螺紋部分又是比較細微的精密的結(jié)構(gòu)，因此，要求熱處理設(shè)備必須具備生產(chǎn)能力大，自動化程度高，熱處理質(zhì)量好的能力。要求保證整個零件加工過程中受熱溫度均勻，應(yīng)配備自動溫度控制器和數(shù)據(jù)記錄器。

6 局部滾制工藝

螺紋加工的方法有多種，其中滾壓螺紋方法是提高螺紋性能有效的手段之一。

局部滾制加工強化工藝已成為提高高強螺栓競爭力的重要手段，高強螺栓經(jīng)局部滾制加工后壽命可提高70%左右。滾壓螺紋是零件無余量、縮性變形過程，只是零件材料流線的改變，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，使表層材料存在殘余壓應(yīng)力等作用，這對于提高零件的耐磨性以及抗疲勞強度等具有明顯效果。

高強度螺栓材料為鎳基高溫合金，強度、硬度都很高，塑性變形能力強，進行滾壓比較困難。必需在滾壓過程中產(chǎn)生較大的塑性變形才能滿足零件對形狀，尺寸和表面質(zhì)量的要求，這就增加了滾壓的難度。

高強螺栓局部滾制加工情況比較復(fù)雜，它跟螺栓結(jié)構(gòu)、材料的延伸率等有著密切的關(guān)系，是各種因素綜合作用的結(jié)果。在實際生產(chǎn)中，只有通過工藝試驗，選擇合適材料和規(guī)格的滾絲輪，調(diào)整正確的托板高度和導(dǎo)輪和切削輪轉(zhuǎn)速、主動輪的進給量、牙型修正時間等合理的工藝參數(shù)，固化參數(shù)從而正確地指導(dǎo)生產(chǎn)。

7 力學(xué)性能要求

經(jīng)試驗滿足雙六角頭高強螺栓性能要求：硬度、室溫下的極限抗拉強度、一定溫度下的極限抗拉強度、疲勞強度。

8 性能及質(zhì)量的保證

由于特殊環(huán)境下應(yīng)用的螺栓，應(yīng)具有優(yōu)異的抗松弛和抗蠕變性能、持久性能、抗應(yīng)力腐蝕性能，所以高強螺栓必須滿足以下要求：螺紋表面應(yīng)光潔、平滑，不應(yīng)有凹痕、裂口、銹蝕毛刺和其他會引起應(yīng)力集中的缺陷。著色或熒光檢查：不允許有裂紋。100%光譜檢驗化學(xué)成分。100%硬度檢查。檢查毛料材質(zhì)單應(yīng)有低倍組織檢驗的合格證。機械性能檢查。100%超聲波探傷。

9 結(jié)論

本論文通過對高強螺栓工藝的研究，結(jié)合現(xiàn)場條件，采用提高高強螺栓強度的有效工藝方法等方法進行研制，完成了雙六角頭高強度螺栓的制造工藝，解決了高強度下螺栓力學(xué)性能的保證問題。研究和試驗表明：高強螺栓工藝，滿足設(shè)計圖尺寸、技術(shù)條件及性能的要求，圓滿地完成了《雙六角頭高強螺栓工藝的研究》攻關(guān)課題。

10 結(jié)語

高強螺栓于2009年7月20日完成了首件試制。該件的成功試制使我們在高強螺栓加工方面積累了加工經(jīng)驗，同時通過大量的試驗也積累了提高高強螺栓強度的有效工藝方法，完成了高硬度、高強度螺栓的工藝研究，對此類零件的制造技術(shù)水平的提高有著重要的意義。

[1]美制螺紋標(biāo)準(zhǔn).

[2]金屬材料學(xué).

[3]刀具手冊.