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高強(qiáng)度精密螺栓加工方法優(yōu)化

2019-4-11 來(lái)源：中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司作者：劉劍峰

摘要: 本文主要從設(shè)備的合理選擇、刀具的選用、先進(jìn)加工方法的引進(jìn)等方面，詳細(xì)闡述了高強(qiáng)度精密螺栓的加工方法分析和優(yōu)化的過(guò)程，為類(lèi)似產(chǎn)品的加工，提供參照辦法。

關(guān)鍵詞: 精密螺栓; 優(yōu)化加工; 斷屑; 車(chē)削; 滾壓

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性和技術(shù)要求

高強(qiáng)度精密螺栓是某公司加工的主要零部件，其主要特點(diǎn)是:等級(jí)高、強(qiáng)度高、精度要求高。下面以典型的高強(qiáng)度精密螺栓—氣缸蓋螺栓(見(jiàn)圖1)為例，分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性及技術(shù)要求。

圖1 氣缸蓋螺栓

氣缸蓋螺栓是柴油機(jī)上的一個(gè)關(guān)鍵零部件，其作用是將氣缸蓋牢固地固定在機(jī)體上，在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中承受較大的拉力和扭矩，因此對(duì)產(chǎn)品的加工精度要求非常高，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:

(1) 產(chǎn)品的材料為18Cr2Ni4WA，是一種高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后有較高的強(qiáng)度和韌性(抗拉強(qiáng)度不小于1 175 MPa，屈服強(qiáng)度不小于1 029MPa，伸長(zhǎng)率不小于10%，收縮率不小于45%)。

(2) 產(chǎn)品的加工精度要求高:①產(chǎn)品的形位公差要求較高，其螺栓螺紋及桿身的同軸度要求分別為0．03 mm和0．06 mm;②產(chǎn)品的兩端螺紋等級(jí)要求高，均為M48×3－4 h。

2、產(chǎn)品加工工藝分析

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求的分析，找出該螺栓加工的難點(diǎn):

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

(2) 該螺栓兩端均為M48×3－4 h的螺紋，螺紋等級(jí)要求高，采用傳統(tǒng)的加工方法，很難保證螺紋精度。

(3) 該螺栓批量大，每臺(tái)機(jī)體需48根氣缸蓋螺栓，采用傳統(tǒng)的加工方法加工效率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。

3、優(yōu)化加工方法解析

3．1 以車(chē)代磨

傳統(tǒng)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栓的桿身及兩端螺紋檔。由于以前螺栓批量小，該加工方式的缺點(diǎn)沒(méi)有完全呈現(xiàn)出來(lái)，但隨著螺栓的大批量生產(chǎn)，該加工方式已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，必須采用新的加工方法，提高生產(chǎn)效率。

通過(guò)對(duì)螺栓技術(shù)要求分析，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備，計(jì)劃采用車(chē)削方式代替磨削方式加工螺栓的桿身。通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車(chē)削加工存在2個(gè)問(wèn)題:螺栓同軸度和表面粗糙度出現(xiàn)超差，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)上面問(wèn)題，分析其產(chǎn)生原因并進(jìn)行攻關(guān)。

(1) 螺栓同軸度超差。

原因分析:螺栓剛性差，加工時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng);公司現(xiàn)有數(shù)控車(chē)床，長(zhǎng)時(shí)間車(chē)削長(zhǎng)度小于500 mm的產(chǎn)品，導(dǎo)致機(jī)床導(dǎo)軌前后段磨損情況不同。

解決方案:首先合理選擇加工刀具，半精車(chē)時(shí)采用負(fù)型刀，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。精車(chē)時(shí)采用正型刀，減小刀具切削阻力，同時(shí)優(yōu)化切削參數(shù)，通過(guò)不斷試驗(yàn)，合理選擇吃刀量、進(jìn)給速度，避免刀具與工件產(chǎn)生共振，有效控制工件加工過(guò)程中的振動(dòng)。其次請(qǐng)求設(shè)備維修部門(mén)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行鏟刮，保證機(jī)床導(dǎo)軌整體的平整度，提高機(jī)床的加工精度。

(2) 螺栓表面粗糙度差。

原因分析:螺栓材料熱處理后韌性好，車(chē)削加工時(shí)不容易斷屑，鐵屑纏繞在螺栓桿身上，拉傷螺栓表面;車(chē)削過(guò)程中工件振動(dòng)，工件表面存在振紋，影響表面粗糙度。

解決方案:為了提高零件加工的斷屑性，首先與刀具供應(yīng)商協(xié)商合理選擇加工刀具的斷屑槽形狀，同時(shí)優(yōu)化切削參數(shù)，合理選擇吃刀量增加切削進(jìn)給，提高斷屑能力。其次，自制斷屑?jí)K(見(jiàn)圖2)，將斷屑?jí)K固定在刀具下端，改變鐵屑的流向與長(zhǎng)度，保證加工過(guò)程中的良好斷屑。同時(shí)為有效消除車(chē)削振紋，須先調(diào)整車(chē)床主軸中心線與尾座中心線同軸，并與車(chē)床大導(dǎo)軌平行，允差應(yīng)小于0．02 mm;刀具選擇上注意選擇75°～90°主偏角的車(chē)削刀具，使其加工工件時(shí)產(chǎn)生的徑向切削力最小，而讓刀片刃口產(chǎn)生的軸向力最大，并減小切削深度，增大進(jìn)給量。

圖2 自制斷屑?jí)K

通過(guò)攻關(guān)解決了車(chē)削存在的問(wèn)題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。為驗(yàn)證車(chē)削加工桿身與磨削加工桿身加工效率的不同，選取相同數(shù)量的螺栓，分別采用2種方式進(jìn)行加工，并對(duì)產(chǎn)品的加工時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其平均加工時(shí)間如表1所示。

通過(guò)平均加工時(shí)間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車(chē)削桿身較磨削桿身的加工時(shí)間節(jié)約了約60%，加工效率提高。

3．2 滾壓加工螺紋

螺栓兩端的螺紋要求高，原加工方法是采用普通車(chē)床車(chē)削螺紋，車(chē)削效率低，同時(shí)由于螺紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，車(chē)削時(shí)容易產(chǎn)生振刀，螺紋表面粗糙度差，加之螺栓材料強(qiáng)度高、韌性好，刀具磨損快，螺紋尺寸不穩(wěn)定。同時(shí)該螺栓組裝時(shí)需要進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由于車(chē)削螺紋強(qiáng)度低，拉伸時(shí)螺紋容易變形，導(dǎo)致螺母無(wú)法裝配。

通過(guò)對(duì)螺紋加工性能的分析，結(jié)合公司現(xiàn)有螺紋加工設(shè)備和先進(jìn)的螺紋加工方法，計(jì)劃采用滾壓的方式加工螺紋。為了驗(yàn)證滾壓方案的可行性，首先對(duì)螺紋滾壓力進(jìn)行計(jì)算。

螺紋滾壓力F簡(jiǎn)易計(jì)算公式：

通過(guò)查閱相關(guān)資料得出相關(guān)參數(shù)的數(shù)值:材料布氏硬度:HB296～350選上限值HB350、螺栓材料系數(shù)Z=4、材料延伸率A=10%、螺紋螺距P=3、螺栓有效長(zhǎng)度為L(zhǎng):116～140 mm，選長(zhǎng)端140 mm。

參考?jí)毫τ?jì)算：

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

螺紋滾壓是一種不去除材料的成型工藝，即用成型的滾壓模具使工件產(chǎn)生塑性變形以獲得螺紋的加工方法，見(jiàn)圖3。

圖3 螺紋滾壓加工

通過(guò)對(duì)2種螺紋加工方式進(jìn)行對(duì)比，滾壓制作螺紋的優(yōu)點(diǎn)突出。

(1) 滾壓制作螺紋精度高。

滾壓制作螺紋時(shí)，螺紋的精度主要取決于滾壓坯的尺寸精度與滾壓模具的精度。由于每批次螺栓的原材料及熱處理存在差異，導(dǎo)致螺栓滾壓時(shí)延伸量不同，影響螺栓的精度，因此每批次螺栓滾壓坯的尺寸，是通過(guò)試滾確定的，即每次螺栓批量加工滾壓坯前，先試加工幾根，然后滾壓，確定滾壓精度后，再批量加工，有效保證螺紋滾壓坯的尺寸精度。同時(shí)，對(duì)采購(gòu)的滾壓模具，進(jìn)行合格性驗(yàn)證，嚴(yán)格控制滾壓模具的精度，加之滾壓模具的使用壽命遠(yuǎn)大于車(chē)削刀具的使用壽命，因此滾壓制作螺栓的加工精度高、穩(wěn)定性好。

(2) 滾壓制作螺紋加工效率高。

螺栓的滾壓是一種一次成型工藝，無(wú)須多次進(jìn)刀，因此加工時(shí)間較車(chē)削短。同時(shí)滾壓加工螺紋時(shí)，螺栓的固定裝夾較車(chē)削簡(jiǎn)單方便，節(jié)約了大量的固定、裝夾時(shí)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(shù)量的螺栓，分別采用2種方式進(jìn)行加工，平均加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2所示。

通過(guò)加工時(shí)間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滾壓制作螺栓的加工效率較車(chē)削提高了2倍。

(3) 滾壓制作螺紋強(qiáng)度高、表面粗糙度好。

滾壓制作螺紋是一種無(wú)屑螺紋成型工藝，是通過(guò)滾壓模具擠壓坯料，使其發(fā)生塑性變形，按滾壓模具的形狀形成螺紋。

滾壓制作螺紋與車(chē)削螺紋微粒流之間的區(qū)別如圖3所示。可以明顯地看出，滾壓螺紋部分，材料出現(xiàn)塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細(xì)，形成殘余的應(yīng)力層，產(chǎn)生額外的拉伸強(qiáng)度，提高了螺紋的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)滾壓技術(shù)也是一種壓力光整加工，利用金屬在常溫狀態(tài)的冷塑性特點(diǎn)，利用滾壓模具對(duì)工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，減小工件表面的凹凸峰谷之間的落差，從而達(dá)到較高的表面粗糙度。

圖4 滾壓制作螺紋與車(chē)削螺紋微粒流之間的區(qū)別

(4) 滾壓制作螺紋生產(chǎn)成本低。

滾壓制作螺紋，采用不去除材料的方式加工螺紋，螺紋滾壓前尺寸一般為螺紋的中徑尺寸，而螺紋車(chē)削前的尺寸，一般為螺紋的大徑尺寸，因此滾壓制作螺紋比車(chē)削螺紋所需的坯料的尺寸小，對(duì)于大批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很可觀的數(shù)字，降低了生產(chǎn)的成本。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)車(chē)削、磨削及滾壓3種加工方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，結(jié)合高強(qiáng)度精密螺栓的結(jié)構(gòu)特性和技術(shù)要求，采用了以車(chē)代磨、以滾代車(chē)的加工方法，對(duì)高強(qiáng)度精密螺栓的加工方法進(jìn)行了優(yōu)化、改進(jìn)，提高了螺栓的產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。然而，隨著加工刀具、設(shè)備及加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的加工方法也必須及時(shí)地優(yōu)化、改進(jìn)。

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