對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化工藝研究

摘 要 對(duì)接螺栓根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，為提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度，需要對(duì)其根部進(jìn)行強(qiáng)化。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滾壓技術(shù)的研究，利用專用滾壓強(qiáng)化裝置進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程的定量定性。

關(guān)鍵詞 對(duì)接螺栓；根部R區(qū)；滾壓

中圖分類號(hào)：TG162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0036-02

對(duì)接螺栓是制造業(yè)中常用的聯(lián)結(jié)形式之一，如飛機(jī)制造、壓力容器制造及建筑業(yè)等。對(duì)接螺栓在使用過(guò)程中要承受較大拉力，需進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。而根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，易在該部位發(fā)生疲勞斷裂的現(xiàn)象，因此制造過(guò)程中要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化，以提高抗疲勞強(qiáng)度。

表面強(qiáng)化是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一。常用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝[1]，其強(qiáng)化效果顯著。對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化常用滾壓方式，但存在的問(wèn)題是強(qiáng)化過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)“定量定性”。即對(duì)應(yīng)各種規(guī)格的對(duì)接螺栓，目前沒(méi)有形成對(duì)應(yīng)特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應(yīng)采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù)，多依靠經(jīng)驗(yàn)值。因此，“定量定性”為材料表面強(qiáng)化工藝的趨勢(shì)。本文研究以強(qiáng)化過(guò)程“定量定性”為突破點(diǎn)，通過(guò)研究表面強(qiáng)化工藝裝置，將對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化和根部硬度、螺栓抗拉強(qiáng)度、表面粗糙度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，選定對(duì)接螺栓常用材料，對(duì)其根部凹R區(qū)域強(qiáng)化工藝方法進(jìn)行研究，以提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程“定量定性”。 該研究預(yù)期提高螺栓根部R區(qū)表面粗糙度2～4級(jí)，提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度30%左右。

1 技術(shù)路線及實(shí)施方案

1）試件制備。對(duì)接螺栓采用中等強(qiáng)度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進(jìn)行，滾壓前將R區(qū)按設(shè)計(jì)圖紙要求數(shù)據(jù)加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車(chē)—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗(yàn)（包括螺栓抗拉強(qiáng)度、根部R區(qū)硬度、表面粗糙度實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，為后續(xù)滾壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比做依據(jù)。）

表1 試驗(yàn)材料基本力學(xué)性能[2]

屈服強(qiáng)度σs 抗拉強(qiáng)度

σb 斷面伸長(zhǎng)

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強(qiáng)化工藝裝備。在表面強(qiáng)化工藝裝置方面，由于對(duì)接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區(qū)域進(jìn)行滾壓的方法是在普通車(chē)床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點(diǎn)滾壓的方法對(duì)R區(qū)進(jìn)行滾壓的，該滾壓方法存在的問(wèn)題是自動(dòng)化程度低、根部R區(qū)找正困難以及R區(qū)受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖

圖3 現(xiàn)有滾壓加工示意圖

本研究主要從質(zhì)量控制五環(huán)節(jié)中的“法”入手，設(shè)計(jì)專用夾具，利用車(chē)床三爪自動(dòng)定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時(shí)夾具體上采用可調(diào)滾輪，針對(duì)不同的螺栓直徑和R值對(duì)螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實(shí)現(xiàn)滾壓過(guò)程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導(dǎo)向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動(dòng)螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實(shí)驗(yàn)方案。因?qū)勇菟ㄒ?guī)格較多，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取常見(jiàn)規(guī)格M24進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，以判斷表面強(qiáng)化工藝的效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并檢驗(yàn)強(qiáng)化工藝裝備能否滿足強(qiáng)化目標(biāo)。

4）通過(guò)對(duì)M24螺栓進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，螺栓根部R區(qū)硬度檢測(cè)、R區(qū)表面粗糙度檢測(cè)，以確定工藝裝備設(shè)計(jì)方案及定力扳手能否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并收集第一階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）若實(shí)驗(yàn)合格，則開(kāi)展其他常用規(guī)格螺栓根部R區(qū)滾壓實(shí)驗(yàn)，確定滾壓力、滾壓圈數(shù)、滾壓時(shí)間等定量數(shù)據(jù)。若不合格，則返回第1步，重新制定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案中M24螺栓進(jìn)行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數(shù)情況下，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

拉伸實(shí)驗(yàn)：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，在WDW-300E萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；利用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)HRS-150和光切法顯微鏡9J進(jìn)行硬度測(cè)試和表面粗糙度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數(shù) 抗拉強(qiáng)度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)M24滾壓螺栓各實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出，利用滾壓裝置對(duì)對(duì)接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數(shù)的作用下，基本可以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。項(xiàng)目組將該研究方法應(yīng)用與其他常見(jiàn)規(guī)格螺栓，得出了如下結(jié)論。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

螺栓規(guī)格 滾壓強(qiáng)化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數(shù)

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實(shí)驗(yàn)結(jié)論是在立式鉆床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過(guò)滾壓裝置對(duì)螺栓根部R區(qū)施加壓力不斷增大的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，施加力愈大，螺栓抗拉強(qiáng)度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應(yīng)力趨于飽和，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化不大。

2）滾壓圈數(shù)控制在5-15圈以內(nèi)，期間圈數(shù)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。滾壓圈數(shù)超出15圈后，螺栓根部R區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，不利于螺栓疲勞強(qiáng)度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會(huì)逐漸減小。本研究過(guò)程中，滾壓速度應(yīng)控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力層深度基本不變。然而，過(guò)快的滾壓速度會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強(qiáng)度的提高。

基金項(xiàng)目

銀川能源學(xué)院2012年度院級(jí)科研項(xiàng)目，銀能院發(fā)[2012]63號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]許正功，等.表面形變強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結(jié)構(gòu)剛[S].

[3]車(chē)削參數(shù)和滾擠壓參數(shù)對(duì)滾輪滾擠壓表面質(zhì)量影響分析[J].工具技術(shù)，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012（2）.

作者簡(jiǎn)介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint

摘 要 對(duì)接螺栓根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，為提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度，需要對(duì)其根部進(jìn)行強(qiáng)化。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滾壓技術(shù)的研究，利用專用滾壓強(qiáng)化裝置進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程的定量定性。

關(guān)鍵詞 對(duì)接螺栓；根部R區(qū)；滾壓

中圖分類號(hào)：TG162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0036-02

對(duì)接螺栓是制造業(yè)中常用的聯(lián)結(jié)形式之一，如飛機(jī)制造、壓力容器制造及建筑業(yè)等。對(duì)接螺栓在使用過(guò)程中要承受較大拉力，需進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。而根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，易在該部位發(fā)生疲勞斷裂的現(xiàn)象，因此制造過(guò)程中要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化，以提高抗疲勞強(qiáng)度。

表面強(qiáng)化是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一。常用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝[1]，其強(qiáng)化效果顯著。對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化常用滾壓方式，但存在的問(wèn)題是強(qiáng)化過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)“定量定性”。即對(duì)應(yīng)各種規(guī)格的對(duì)接螺栓，目前沒(méi)有形成對(duì)應(yīng)特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應(yīng)采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù)，多依靠經(jīng)驗(yàn)值。因此，“定量定性”為材料表面強(qiáng)化工藝的趨勢(shì)。本文研究以強(qiáng)化過(guò)程“定量定性”為突破點(diǎn)，通過(guò)研究表面強(qiáng)化工藝裝置，將對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化和根部硬度、螺栓抗拉強(qiáng)度、表面粗糙度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，選定對(duì)接螺栓常用材料，對(duì)其根部凹R區(qū)域強(qiáng)化工藝方法進(jìn)行研究，以提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程“定量定性”。 該研究預(yù)期提高螺栓根部R區(qū)表面粗糙度2～4級(jí)，提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度30%左右。

1 技術(shù)路線及實(shí)施方案

1）試件制備。對(duì)接螺栓采用中等強(qiáng)度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進(jìn)行，滾壓前將R區(qū)按設(shè)計(jì)圖紙要求數(shù)據(jù)加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車(chē)—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗(yàn)（包括螺栓抗拉強(qiáng)度、根部R區(qū)硬度、表面粗糙度實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，為后續(xù)滾壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比做依據(jù)。）

表1 試驗(yàn)材料基本力學(xué)性能[2]

屈服強(qiáng)度σs 抗拉強(qiáng)度

σb 斷面伸長(zhǎng)

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強(qiáng)化工藝裝備。在表面強(qiáng)化工藝裝置方面，由于對(duì)接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區(qū)域進(jìn)行滾壓的方法是在普通車(chē)床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點(diǎn)滾壓的方法對(duì)R區(qū)進(jìn)行滾壓的，該滾壓方法存在的問(wèn)題是自動(dòng)化程度低、根部R區(qū)找正困難以及R區(qū)受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖

圖3 現(xiàn)有滾壓加工示意圖

本研究主要從質(zhì)量控制五環(huán)節(jié)中的“法”入手，設(shè)計(jì)專用夾具，利用車(chē)床三爪自動(dòng)定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時(shí)夾具體上采用可調(diào)滾輪，針對(duì)不同的螺栓直徑和R值對(duì)螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實(shí)現(xiàn)滾壓過(guò)程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導(dǎo)向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動(dòng)螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實(shí)驗(yàn)方案。因?qū)勇菟ㄒ?guī)格較多，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取常見(jiàn)規(guī)格M24進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，以判斷表面強(qiáng)化工藝的效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并檢驗(yàn)強(qiáng)化工藝裝備能否滿足強(qiáng)化目標(biāo)。

4）通過(guò)對(duì)M24螺栓進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，螺栓根部R區(qū)硬度檢測(cè)、R區(qū)表面粗糙度檢測(cè)，以確定工藝裝備設(shè)計(jì)方案及定力扳手能否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并收集第一階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）若實(shí)驗(yàn)合格，則開(kāi)展其他常用規(guī)格螺栓根部R區(qū)滾壓實(shí)驗(yàn)，確定滾壓力、滾壓圈數(shù)、滾壓時(shí)間等定量數(shù)據(jù)。若不合格，則返回第1步，重新制定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案中M24螺栓進(jìn)行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數(shù)情況下，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

拉伸實(shí)驗(yàn)：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，在WDW-300E萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；利用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)HRS-150和光切法顯微鏡9J進(jìn)行硬度測(cè)試和表面粗糙度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數(shù) 抗拉強(qiáng)度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)M24滾壓螺栓各實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出，利用滾壓裝置對(duì)對(duì)接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數(shù)的作用下，基本可以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。項(xiàng)目組將該研究方法應(yīng)用與其他常見(jiàn)規(guī)格螺栓，得出了如下結(jié)論。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

螺栓規(guī)格 滾壓強(qiáng)化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數(shù)

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實(shí)驗(yàn)結(jié)論是在立式鉆床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過(guò)滾壓裝置對(duì)螺栓根部R區(qū)施加壓力不斷增大的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，施加力愈大，螺栓抗拉強(qiáng)度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應(yīng)力趨于飽和，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化不大。

2）滾壓圈數(shù)控制在5-15圈以內(nèi)，期間圈數(shù)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。滾壓圈數(shù)超出15圈后，螺栓根部R區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，不利于螺栓疲勞強(qiáng)度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會(huì)逐漸減小。本研究過(guò)程中，滾壓速度應(yīng)控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力層深度基本不變。然而，過(guò)快的滾壓速度會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強(qiáng)度的提高。

基金項(xiàng)目

銀川能源學(xué)院2012年度院級(jí)科研項(xiàng)目，銀能院發(fā)[2012]63號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]許正功，等.表面形變強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結(jié)構(gòu)剛[S].

[3]車(chē)削參數(shù)和滾擠壓參數(shù)對(duì)滾輪滾擠壓表面質(zhì)量影響分析[J].工具技術(shù)，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012（2）.

作者簡(jiǎn)介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint

摘 要 對(duì)接螺栓根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，為提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度，需要對(duì)其根部進(jìn)行強(qiáng)化。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滾壓技術(shù)的研究，利用專用滾壓強(qiáng)化裝置進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程的定量定性。

關(guān)鍵詞 對(duì)接螺栓；根部R區(qū)；滾壓

中圖分類號(hào)：TG162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0036-02

對(duì)接螺栓是制造業(yè)中常用的聯(lián)結(jié)形式之一，如飛機(jī)制造、壓力容器制造及建筑業(yè)等。對(duì)接螺栓在使用過(guò)程中要承受較大拉力，需進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。而根部R區(qū)屬應(yīng)力集中區(qū)，易在該部位發(fā)生疲勞斷裂的現(xiàn)象，因此制造過(guò)程中要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化，以提高抗疲勞強(qiáng)度。

表面強(qiáng)化是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一。常用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝[1]，其強(qiáng)化效果顯著。對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化常用滾壓方式，但存在的問(wèn)題是強(qiáng)化過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)“定量定性”。即對(duì)應(yīng)各種規(guī)格的對(duì)接螺栓，目前沒(méi)有形成對(duì)應(yīng)特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應(yīng)采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù)，多依靠經(jīng)驗(yàn)值。因此，“定量定性”為材料表面強(qiáng)化工藝的趨勢(shì)。本文研究以強(qiáng)化過(guò)程“定量定性”為突破點(diǎn)，通過(guò)研究表面強(qiáng)化工藝裝置，將對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化和根部硬度、螺栓抗拉強(qiáng)度、表面粗糙度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，選定對(duì)接螺栓常用材料，對(duì)其根部凹R區(qū)域強(qiáng)化工藝方法進(jìn)行研究，以提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接螺栓滾壓過(guò)程“定量定性”。 該研究預(yù)期提高螺栓根部R區(qū)表面粗糙度2～4級(jí)，提高螺栓抗疲勞強(qiáng)度30%左右。

1 技術(shù)路線及實(shí)施方案

1）試件制備。對(duì)接螺栓采用中等強(qiáng)度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進(jìn)行，滾壓前將R區(qū)按設(shè)計(jì)圖紙要求數(shù)據(jù)加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車(chē)—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗(yàn)（包括螺栓抗拉強(qiáng)度、根部R區(qū)硬度、表面粗糙度實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，為后續(xù)滾壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比做依據(jù)。）

表1 試驗(yàn)材料基本力學(xué)性能[2]

屈服強(qiáng)度σs 抗拉強(qiáng)度

σb 斷面伸長(zhǎng)

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強(qiáng)化工藝裝備。在表面強(qiáng)化工藝裝置方面，由于對(duì)接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區(qū)域進(jìn)行滾壓的方法是在普通車(chē)床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點(diǎn)滾壓的方法對(duì)R區(qū)進(jìn)行滾壓的，該滾壓方法存在的問(wèn)題是自動(dòng)化程度低、根部R區(qū)找正困難以及R區(qū)受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現(xiàn)有滾壓技術(shù)示意圖

圖3 現(xiàn)有滾壓加工示意圖

本研究主要從質(zhì)量控制五環(huán)節(jié)中的“法”入手，設(shè)計(jì)專用夾具，利用車(chē)床三爪自動(dòng)定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時(shí)夾具體上采用可調(diào)滾輪，針對(duì)不同的螺栓直徑和R值對(duì)螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實(shí)現(xiàn)滾壓過(guò)程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導(dǎo)向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動(dòng)螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實(shí)驗(yàn)方案。因?qū)勇菟ㄒ?guī)格較多，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取常見(jiàn)規(guī)格M24進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，以判斷表面強(qiáng)化工藝的效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并檢驗(yàn)強(qiáng)化工藝裝備能否滿足強(qiáng)化目標(biāo)。

4）通過(guò)對(duì)M24螺栓進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，螺栓根部R區(qū)硬度檢測(cè)、R區(qū)表面粗糙度檢測(cè)，以確定工藝裝備設(shè)計(jì)方案及定力扳手能否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并收集第一階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）若實(shí)驗(yàn)合格，則開(kāi)展其他常用規(guī)格螺栓根部R區(qū)滾壓實(shí)驗(yàn)，確定滾壓力、滾壓圈數(shù)、滾壓時(shí)間等定量數(shù)據(jù)。若不合格，則返回第1步，重新制定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案中M24螺栓進(jìn)行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數(shù)情況下，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

拉伸實(shí)驗(yàn)：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，在WDW-300E萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；利用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)HRS-150和光切法顯微鏡9J進(jìn)行硬度測(cè)試和表面粗糙度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數(shù) 抗拉強(qiáng)度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)M24滾壓螺栓各實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出，利用滾壓裝置對(duì)對(duì)接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數(shù)的作用下，基本可以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。項(xiàng)目組將該研究方法應(yīng)用與其他常見(jiàn)規(guī)格螺栓，得出了如下結(jié)論。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

螺栓規(guī)格 滾壓強(qiáng)化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數(shù)

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實(shí)驗(yàn)結(jié)論是在立式鉆床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過(guò)滾壓裝置對(duì)螺栓根部R區(qū)施加壓力不斷增大的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，施加力愈大，螺栓抗拉強(qiáng)度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應(yīng)力趨于飽和，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化不大。

2）滾壓圈數(shù)控制在5-15圈以內(nèi)，期間圈數(shù)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。滾壓圈數(shù)超出15圈后，螺栓根部R區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，不利于螺栓疲勞強(qiáng)度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會(huì)逐漸減小。本研究過(guò)程中，滾壓速度應(yīng)控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應(yīng)力層深度基本不變。然而，過(guò)快的滾壓速度會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強(qiáng)度的提高。

基金項(xiàng)目

銀川能源學(xué)院2012年度院級(jí)科研項(xiàng)目，銀能院發(fā)[2012]63號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]許正功，等.表面形變強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結(jié)構(gòu)剛[S].

[3]車(chē)削參數(shù)和滾擠壓參數(shù)對(duì)滾輪滾擠壓表面質(zhì)量影響分析[J].工具技術(shù)，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012（2）.

作者簡(jiǎn)介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint