基于Solidworks的高強(qiáng)度螺栓根部滾壓強(qiáng)化裝置設(shè)計(jì)

石彪 曹鳳梅 羅通 任波龍

摘要： 針對(duì)高強(qiáng)度螺栓根部在沒(méi)有強(qiáng)化前使用容易發(fā)生疲勞而斷裂，研究一種實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓根部滾壓強(qiáng)化的工藝裝置。通過(guò)對(duì)滾壓強(qiáng)化理論和滾壓強(qiáng)化特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，擬定了滾壓強(qiáng)化方案，基于Solidworks設(shè)計(jì)了方便不同R區(qū)滾壓、施力可控、操作簡(jiǎn)單的滾壓強(qiáng)化工藝裝置。

Abstract： Aiming at the problem that the root of high-strength bolt is prone to fatigue and fracture when used without strengthening， a process device for rolling strengthening of the root of high-strength bolt is studied. Based on the analysis of rolling strengthening theory and characteristics of rolling strengthening， the rolling strengthening scheme is proposed. Based on Solidworks， a rolling strengthening process device is designed which is convenient for rolling in different R zones， controllable force application and simple operation.

關(guān)鍵詞： 螺栓;根部R區(qū);滾壓強(qiáng)化;滾壓參數(shù)

Key words： bolt;root R region;rolling strengthening;rolling parameters

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????????????? ????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0094-02

0? 引言

高強(qiáng)度螺栓屬于緊固件，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、大型發(fā)電設(shè)備、汽車(chē)、高速火車(chē)、大型船舶、大型成套設(shè)備等重要機(jī)械的連接中，反復(fù)的拆裝或承受大扭矩對(duì)高強(qiáng)度螺栓要求極高。因此，其加工精度和表面狀況的好壞，將直接影響主機(jī)的使用壽命及安全。而高度度螺栓的根部R區(qū)發(fā)生了尺寸突變，為應(yīng)力集中區(qū)，極易在該部位產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。因此，該部位的質(zhì)量控制就顯得尤為重要。工程中常用高強(qiáng)度螺栓的材料為18Cr2Ni4W、25Cr2MoV、30CrMnSiA等高強(qiáng)度鋼，毛坯獲得方法為模鍛，桿部尺寸精度不低于IT7級(jí)，表面粗糙度為Ra0.8，故制造工藝上要安排熱處理后進(jìn)行磨削加工并進(jìn)行根部R區(qū)滾壓強(qiáng)化，最后進(jìn)行鍍鎘/鍍鋅等表面處理。滾壓強(qiáng)化的技術(shù)原理其實(shí)就是利用滾刀對(duì)被加工的零件表面反復(fù)施加滾壓力的強(qiáng)化方式。滾壓力使工件表面產(chǎn)生塑性變形和壓應(yīng)力，從而消除載荷拉應(yīng)力，使工件表面光亮平整，從而獲得更高數(shù)值的疲勞強(qiáng)度[1]。影響滾壓強(qiáng)化效果的工藝參數(shù)主要由滾壓力、滾壓次數(shù)及滾壓速度，這些參數(shù)需通過(guò)強(qiáng)化裝置對(duì)不同規(guī)格的螺栓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取。

1? 滾壓強(qiáng)化裝置

1.1 螺栓根部強(qiáng)化工藝? 制造業(yè)中常用的某些部件連接的方式是用對(duì)接螺栓進(jìn)行連接，對(duì)接螺栓的疲勞壽命的會(huì)直接影響機(jī)器的使用年限，對(duì)接螺栓的制造后需用強(qiáng)化的加工方式對(duì)其根部進(jìn)行強(qiáng)化，如圖1所示。

傳統(tǒng)的強(qiáng)化方式是將零件裝到機(jī)床上，然后采用的一個(gè)滾輪滾壓施力，被加工的零件只能水平放置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。這種滾壓加工方式存在的問(wèn)題是被零件不能夠自動(dòng)定心，加工耗時(shí)、耗人力，而且用彈簧控制滾輪施力的大小是不穩(wěn)定的，操作人員操作比較困難，需要高技術(shù)的操作人員等缺點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)一種能適用于鉆床及其一些普通的機(jī)床就可以加工的滾壓裝置是必要的，并且在加工過(guò)程中要能實(shí)現(xiàn)被零件的自動(dòng)定心找正，螺栓根部R區(qū)受力均勻可控制。這樣的裝置擴(kuò)寬機(jī)床的使用范圍，降低對(duì)工人的操作技能要求，提高加工生產(chǎn)的效率，節(jié)省加工所消耗的人力物力。

1.1.1 螺栓根部疲勞應(yīng)力分析? 螺栓根部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在滾壓過(guò)程中工件的表面會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]，這種應(yīng)力是不可能避免的。如圖3中曲線(xiàn)所示，圖中是我們假設(shè)螺栓根部R區(qū)在受到滾壓力時(shí)呈現(xiàn)的切向應(yīng)力在輪廓線(xiàn)上各位置的的分布。從圖示得知在R區(qū)？準(zhǔn)≈45°[4]的位置，會(huì)導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂，因?yàn)檫@里附近的疲勞應(yīng)力是最大，因此為提高螺栓的抗疲勞強(qiáng)度必須對(duì)根部R區(qū)的表面進(jìn)行強(qiáng)化。

1.1.2 滾壓強(qiáng)化技術(shù)要求? 在滾壓強(qiáng)化裝置中，滾輪與被加工零件根部R區(qū)接觸的工作截面，截面的角度半徑在選擇的時(shí)候小于零件根部R區(qū)的最小角度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，滾輪R一般按照工件根部R值小0.5來(lái)確定，并且保證滾壓后工件件的表面粗糙度要低于0.8μm。[5]滾輪的施力方向與螺栓軸線(xiàn)呈45°，螺栓根部R區(qū)疲勞應(yīng)力最大表面法向是這個(gè)角度。其余的要求為：①進(jìn)行滾壓加工時(shí)的零件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心找正。②加工的零件可以在夾具內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。③滾壓力的大小可控。

1.2 滾壓強(qiáng)化工藝裝置總體設(shè)計(jì)方案? 以滾壓強(qiáng)化工藝原理為基礎(chǔ)，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求，基于Solidworks軟件，設(shè)計(jì)的滾壓強(qiáng)化工藝裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.1 工件的定位和夾緊? 因?yàn)槁菟ǖ念^部是六角形，所以?shī)A具頭的夾持部分下端是符合螺栓頭部大小的六角套筒，把螺栓頭部伸進(jìn)六角套筒，然后用鎖緊螺釘進(jìn)行鎖緊。這樣螺栓頭部被夾緊在夾具頭，因?yàn)閵A具頭安裝在鉆床主軸，因此螺栓頭部與鉆床主軸同軸實(shí)現(xiàn)定位，如圖5所示。然后用定力扳手轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊螺母帶動(dòng)壓緊套向上運(yùn)動(dòng)，這是三個(gè)滾輪貼緊螺栓根部R區(qū)，因?yàn)閵A具體被固定在鉆床底座，同時(shí)底座是跟鉆床主軸是同軸的，所以三個(gè)滾輪對(duì)螺栓的根部實(shí)現(xiàn)三心定位。

1.2.2 導(dǎo)向裝置? 在夾具體上面錐面處均勻分布著三個(gè)與夾具體軸線(xiàn)呈45°角的斜孔，滾輪組件裝入夾具體上面分布的三個(gè)斜孔中，當(dāng)壓緊套向上移動(dòng)時(shí)，三個(gè)滾輪接近螺栓根部R區(qū)。這個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工零件部位的的自動(dòng)定心和找正，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.2.3 夾具體? 夾具體與螺母軸為螺紋配合，夾具體上面錐面處均勻分布著三個(gè)與夾具體軸線(xiàn)呈45°角的斜孔，滾輪組件裝入夾具體上面分布的三個(gè)斜孔中。滾輪組件的底面為球面，滾輪組件底面的球面和夾緊套的內(nèi)錐面內(nèi)的槽緊緊的貼合，壓緊套與底座緊配合。工作時(shí)，螺母軸轉(zhuǎn)動(dòng)使夾具體上下移動(dòng)，使三組滾滾組件做向心運(yùn)動(dòng)或離心運(yùn)動(dòng)，對(duì)試件施加相應(yīng)的力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出，每轉(zhuǎn)一圈可對(duì)螺栓所施加的力的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件施加確定的力。

1.2.4 夾具滾壓強(qiáng)化工作過(guò)程? 將滾壓強(qiáng)化裝置的夾具底座安裝在鉆床的或加工機(jī)床的底座上，要求是夾具的中心要與機(jī)床的主軸在同一軸心上。然后把夾具頭與機(jī)床的主軸進(jìn)行連接鎖緊，夾具頭也和機(jī)床的主軸保持在同心軸上。被加工的零件頭部用夾具頭夾緊并用鎖緊螺釘鎖緊。之后用定扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，壓緊套向上運(yùn)動(dòng);三個(gè)滾輪組件在壓緊套的推動(dòng)下向中心運(yùn)動(dòng)。當(dāng)三個(gè)滾輪組件的頭部貼到工件的根部R區(qū)。啟動(dòng)機(jī)床，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾具頭，這樣零件開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后扳動(dòng)扳手使壓緊套向上運(yùn)動(dòng)推動(dòng)滾輪組件，滾輪對(duì)螺栓根部R區(qū)的進(jìn)行滾壓強(qiáng)化。夾具頭的螺紋套的規(guī)格可以根據(jù)被加工零件大小可進(jìn)行更換。

2? 滾壓實(shí)驗(yàn)

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)行滾壓強(qiáng)化實(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)化裝置能否滿(mǎn)足強(qiáng)化目標(biāo)。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)，以確定強(qiáng)化裝置設(shè)計(jì)方案及定力扳手能否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]。通過(guò)對(duì)M24螺栓滾壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出，利用滾壓強(qiáng)化裝置對(duì)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)期目標(biāo)。

3? 結(jié)論

將上述實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用與其他常見(jiàn)規(guī)格螺栓，得出了如表1所示結(jié)論。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?xún)?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60r/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。

參考文獻(xiàn)：

[1]周航，周旭東，周宛.金屬零件表面滾壓強(qiáng)化技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].工具技術(shù)，2009，43（12）：18-22.

[2]Majzoobi GH， Azadikhah K， Nemati J. The Effects of Deep Rolling and Shot Peening on Fretting Fatigue Resistance of Aluminum-7075-T6[J]. Materials Science and Engineering： A，2009，516（1/2）：235-247.

[3]李軍，徐政，張振純，陳小云，張世昌，朱云明.連桿螺栓頸部圓角滾壓強(qiáng)化技術(shù)[J].汽車(chē)工藝與材料，1997（3）.

[4]胡寧?kù)o，胡蓉蓉，胡道秋.滾壓工藝國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1994（2）：98-103.

[5]管其明，王自勤，余述凡.高強(qiáng)度螺栓圓角沖擊滾壓技術(shù)[J].航空制造工程，1998（3）.

[6]曹鳳梅.對(duì)接螺栓根部強(qiáng)化工藝研究[J].硅谷，2014，7（10）：36-37.