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高強度精密螺栓加工方（fāng）法優化

2019-4-11 來源：中（zhōng）車（chē）戚墅堰機車有限公司作者：劉劍峰

摘要: 本文主（zhǔ）要從設備的合理選擇、刀具的選用、先進加工方法（fǎ）的引進等方麵，詳細闡述了高強度精密螺（luó）栓的加工方法分析和優化的過程，為類似產（chǎn）品的加工，提供參照辦法。

關鍵（jiàn）詞: 精密螺栓; 優化（huà）加工; 斷屑; 車削; 滾壓

1、產品結構特性和技術要求

高強度精密螺栓是某公司加工的（de）主要零部件，其主要特點是:等級高、強度高、精（jīng）度要（yào）求高。下麵以典型的高強度（dù）精密螺栓—氣缸蓋螺栓(見圖1)為例，分（fèn）析（xī）產品的結（jié）構特性及（jí）技術要求。

圖1 氣缸蓋螺栓

氣缸蓋螺栓是柴油機上的一個關鍵零部件，其作用是將氣缸蓋牢（láo）固地固定在機體上，在柴油機運行過程中承受較大的拉力和扭矩，因此對產品的（de）加（jiā）工精度要（yào）求非常高，主要體現在以下2個方麵:

(1) 產品的材料為18Cr2Ni4WA，是一種高強度合（hé）金結（jié）構鋼（gāng），經過調質後有較高的強度和韌（rèn）性(抗拉強（qiáng）度不小於（yú）1 175 MPa，屈服強度不小於1 029MPa，伸長率不小於10%，收縮率不小於45%)。

(2) 產品的加工精度要求高:①產品的形位公差要求較高，其螺栓螺紋及杆身的同軸度要求（qiú）分別為0．03 mm和0．06 mm;②產品的（de）兩端螺紋等級（jí）要求高，均為M48×3－4 h。

2、產品加工工藝分析

通過對產（chǎn）品結構和技術要求的分析，找（zhǎo）出該螺栓加工的難點:

(1) 該螺栓的兩端螺紋及中間杆身的同軸度要求高，而且該螺栓的（de）長（zhǎng）度較長，為645 mm，杆身直徑為41 mm，長（zhǎng）徑比接近16∶1，剛性較差，加工較為困難（nán）。

(2) 該螺栓兩端均為M48×3－4 h的螺紋，螺紋等級要（yào）求高，采用傳統的加工（gōng）方法，很（hěn）難保證螺紋精度。

(3) 該（gāi）螺栓批量大，每台機體需48根氣缸蓋螺栓，采用傳統的加工方法加工效率低、生產周（zhōu）期長，無法滿足生產需求。

3、優化加工（gōng）方法（fǎ）解析（xī）

3．1 以車代（dài）磨

傳統的加工方法，為保證工件的精度，一般采用磨削的方式加工螺（luó）栓的杆身及兩端（duān）螺紋檔。由（yóu）於（yú）以前（qián）螺栓批量小，該（gāi）加工方式的缺點沒有完全呈現出來，但隨著螺栓的（de）大批量（liàng）生產，該加工方式已（yǐ）無法滿足生產需求，必須采用新的加工方法，提高生產效率。

通過對螺栓技術要求分析，結合公（gōng）司現有設備，計劃采（cǎi）用車削（xuē）方式代替磨削方式（shì）加工螺栓的杆身。通過前期試驗發現車削加工存在2個問題:螺栓（shuān）同軸度和表麵粗糙度出現超差，無法滿足設計要求。

針對上麵問題，分析其產生原因並進行攻關。

(1) 螺（luó）栓同軸（zhóu）度（dù）超差（chà）。

原因分析:螺栓剛性差，加工時容易產生振動;公司現有數控車床，長時（shí）間車削長度（dù）小於500 mm的（de）產品，導致機床導軌前後段磨損情況不同。

解決方（fāng）案:首先合理選（xuǎn）擇加工（gōng）刀具，半精車時采（cǎi）用（yòng）負型刀，提高加工效率，降低生產成本。精車時采用正型刀，減小刀具切（qiē）削阻力，同時優化切削（xuē）參（cān）數，通過不斷試（shì）驗，合理選擇吃刀量、進給速度，避免刀（dāo）具與工件產生共（gòng）振，有效控製工（gōng）件加工過程中的振動。其次請求設備維修部門對機床導軌進行鏟（chǎn）刮，保證（zhèng）機床導軌整體的平整度（dù），提高機床的加工精度。

(2) 螺栓表麵粗糙度差。

原因（yīn）分析（xī）:螺栓材料（liào）熱處理後韌性好，車削加工時不容易斷屑，鐵屑纏繞在螺栓杆身上，拉傷螺栓表麵;車削過程中工件振動，工件表麵存在振紋，影響（xiǎng）表麵粗糙度。

解決（jué）方案:為（wéi）了提高零件加工的斷（duàn）屑性，首先與刀具供應商協商合理選擇加工刀具（jù）的斷屑槽形狀，同時優化切削參數，合理選擇吃刀量增加切削進給，提高斷屑能（néng）力。其次，自製（zhì）斷屑塊(見圖2)，將斷屑塊固定在刀具下（xià）端，改變鐵屑的流向與長度，保證加工過程中的良好斷屑。同時為有效消除車削振紋，須先（xiān）調（diào）整車床主軸（zhóu）中心線與尾（wěi）座中心線同軸，並與車床大導軌平行，允差應小於0．02 mm;刀具選擇上注意選擇75°～90°主偏角的車削刀具，使其（qí）加工工件時（shí）產生的徑向切削力最小，而讓（ràng）刀片刃口產生的軸向力最大，並減小切削深度，增大進給量。

圖2 自製斷屑塊

通過攻關解決了車削存在的問題，保證了產品質量。為驗證車削加工杆身與磨削加工杆身加工效率的不（bú）同，選取相同數量的螺栓，分別采（cǎi）用2種方式進行（háng）加（jiā）工，並對（duì）產品的加工時（shí）間進行統計，其平均加工時間（jiān）如表1所示。

通過平均加工時間對比發現（xiàn），車削杆身較磨削杆身的（de）加工（gōng）時間節約了約60%，加工效率（lǜ）提（tí）高。

3．2 滾壓加工螺紋（wén）

螺栓兩端的螺紋要求高，原加工方法是采用普通車床車（chē）削螺紋，車削效率（lǜ）低，同時由於螺紋（wén）長度較（jiào）長，車削時容易（yì）產生振刀，螺紋表麵粗（cū）糙度差，加（jiā）之（zhī）螺栓材料強度高、韌性好（hǎo），刀具磨損（sǔn）快，螺紋尺寸（cùn）不穩（wěn）定。同（tóng）時該螺栓組裝時需（xū）要進行拉伸試驗（yàn），由於車（chē）削螺紋強度低，拉伸時螺紋容易變形，導致螺母無法裝配。

通過對螺紋加工性能的分析，結合（hé）公司現有螺紋（wén）加工設備和先進的螺紋加工方法，計劃采用滾壓的方式加工螺紋。為了驗證滾（gǔn）壓（yā）方案（àn）的可行性，首先對螺紋滾壓力進行計算。

螺紋滾壓（yā）力F簡易計算公式：

通（tōng）過查閱（yuè）相關資料得出相關參（cān）數的（de）數值:材料布氏硬度:HB296～350選上限值HB350、螺栓材料係數Z=4、材料延（yán）伸率A=10%、螺紋螺距P=3、螺栓有效長（zhǎng）度為（wéi）L:116～140 mm，選長端140 mm。

參（cān）考壓力計算：

考慮1．2～1．5倍的保有量，滾壓所（suǒ）需提供滾壓力F1=1．2×F=57．36 Tnos、F2=1．5×F=71．7Tnos，而公司現有（yǒu）63 Tnos的滾絲機，滿足滾壓要求，滾壓方案可（kě）行。

螺紋滾壓是（shì）一種不去除材（cái）料的成型工藝，即用成型的滾壓模具使工件產生塑性變形以獲得螺紋的加工方法，見圖（tú）3。

圖3 螺紋滾壓加工

通過對2種螺紋加工方式進行對（duì）比，滾壓（yā）製作螺紋（wén）的優點突出。

(1) 滾壓製作螺紋精（jīng）度高。

滾壓製作螺（luó）紋時，螺紋的精度主要（yào）取決於滾壓坯的尺寸精（jīng）度與滾壓模具的（de）精度。由於（yú）每批次螺栓（shuān）的原材料及熱處理存（cún）在差異，導致螺栓滾壓時延伸量不同，影響（xiǎng）螺栓的精（jīng）度，因此每（měi）批次螺（luó）栓滾壓坯的尺寸，是通過試滾（gǔn）確定的，即每次螺栓批（pī）量（liàng）加工滾壓坯前，先（xiān）試加工幾根，然後滾壓，確定滾壓精度後（hòu），再批量加工（gōng），有效保證螺紋滾壓坯的尺寸精度。同時，對采購的滾壓模具，進（jìn）行合格性驗證，嚴格控製滾壓模具的精度，加之滾壓模具的使用壽命遠大於車（chē）削刀具的使用（yòng）壽命，因此滾壓製作（zuò）螺栓的加工精度高、穩定性好。

(2) 滾壓製（zhì）作螺紋加（jiā）工效率高。

螺栓的（de）滾壓是一種一次成型工藝，無須多（duō）次進刀，因此加工時間較車削短。同時滾壓加工螺紋時，螺栓的固定裝夾（jiá）較車削簡（jiǎn）單方便，節約了大量的固定、裝夾時間。為驗（yàn）證車（chē）削螺紋與滾壓螺紋加工效率的差異，選擇相同數量的螺栓，分（fèn）別采用（yòng）2種方式進（jìn）行加（jiā）工，平均加工時間統計如表2所示（shì）。

通過加工時間對比發現，滾壓製作螺栓的加工效率較車削提高了2倍（bèi）。

(3) 滾壓製作螺紋（wén）強度高、表麵粗糙度好（hǎo）。

滾壓（yā）製作（zuò）螺紋是一種無屑螺紋成（chéng）型工藝，是通過滾壓模具擠壓坯（pī）料，使（shǐ）其發生塑性變形，按滾壓模具的形狀形成螺紋。

滾壓製作螺紋與車削螺紋微粒流之間的區（qū）別如圖3所示。可以明顯地（dì）看出，滾壓螺紋部分，材料出現塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細，形成（chéng）殘（cán）餘的應力層，產生額外的拉伸強度，提高了螺紋（wén）的強度和（hé）硬度。同時滾壓技術也是一（yī）種壓力光整加工，利用（yòng）金（jīn）屬在常溫狀態的冷塑性特點，利用滾壓模具對工件表麵施加一定的（de）壓力，使工件表（biǎo）層金屬產生塑性流動，減小工件表麵的凹凸峰穀之間的落差，從而達到較高（gāo）的表麵粗糙度。

圖（tú）4 滾壓（yā）製作螺紋與車削螺紋微粒流之間的區別

(4) 滾壓製作螺紋生產成本低。

滾壓製作螺紋，采用不去除材料的方式加工螺紋，螺紋滾壓前尺寸一般為（wéi）螺紋的中（zhōng）徑尺寸，而螺紋車削前的（de）尺寸，一般為螺紋的大（dà）徑尺（chǐ）寸，因此滾壓製作螺（luó）紋（wén）比車削螺紋所需的坯料的（de）尺寸小，對於大批量生產來說，這是一（yī）個很可觀的（de）數字，降低了生產（chǎn）的成本。

4、結束語

本文（wén）通過車削、磨削及滾壓3種（zhǒng）加工方式的優缺點對比，結合高（gāo）強度精密螺栓的結構特性和技術要求，采用了以車代磨、以滾代車的加工方法，對（duì）高強度精密螺（luó）栓的加工方法進行了優化、改進（jìn），提高了螺栓的產品質量和加（jiā）工效率。然而，隨著（zhe）加工刀具、設備及加工技術的不斷進步，產品的加工方法也必須（xū）及時地（dì）優化、改進。

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