高強度精密螺栓加工方法優化
2019-4-11 來源：中車戚墅堰機車有限公司 作者：劉劍峰
摘 要: 本文主要從設備的合理選擇、刀具的選用、先進加工方法的引進等方面，詳細闡述了高強度精密螺栓的加工方法分析和優化的過程，為類似產品的加工，提供參照辦法。
關鍵詞: 精密螺栓; 優化加工; 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主要零部件，其主要特點是:等級高、強度高、精度要求高。下面以典型的高強度精密螺栓—氣缸蓋螺栓(見圖1)為例，分析產品的結構特性及技術要求。
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，因此對產品的加工精度要求非常高，主要體現在以下2個方面:
(1) 產品的材料為18Cr2Ni4WA，是一種高強度合金結構鋼，經過調質后有較高的強度和韌性(抗拉強度不小于1 175 MPa，屈服強度不小于1 029MPa，伸長率不小于10%，收縮率不小于45%)。
(2) 產品的加工精度要求高:①產品的形位公差要求較高，其螺栓螺紋及桿身的同軸度要求分別為0．03 mm和0．06 mm;②產品的兩端螺紋等級要求高，均為M48×3－4 h。
2、產品加工工藝分析
通過對產品結構和技術要求的分析，找出該螺栓加工的難點:
(1) 該螺栓的兩端螺紋及中間桿身的同軸度要求高，而且該螺栓的長度較長，為645 mm，桿身直徑為41 mm，長徑比接近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，螺紋等級要求高，采用傳統的加工方法，很難保證螺紋精度。
(3) 該螺栓批量大，每臺機體需48根氣缸蓋螺栓，采用傳統的加工方法加工效率低、生產周期長，無法滿足生產需求。
3、優化加工方法解析
3．1 以車代磨
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，該加工方式的缺點沒有完全呈現出來，但隨著螺栓的大批量生產，該加工方式已無法滿足生產需求，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，結合公司現有設備，計劃采用車削方式代替磨削方式加工螺栓的桿身。通過前期試驗發現車削加工存在2個問題:螺栓同軸度和表面粗糙度出現超差，無法滿足設計要求。
針對上面問題，分析其產生原因并進行攻關。
(1) 螺栓同軸度超差。
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，長時間車削長度小于500 mm的產品，導致機床導軌前后段磨損情況不同。
解決方案:首先合理選擇加工刀具，半精車時采用負型刀，提高加工效率，降低生產成本。精車時采用正型刀，減小刀具切削阻力，同時優化切削參數，通過不斷試驗，合理選擇吃刀量、進給速度，避免刀具與工件產生共振，有效控制工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刮，保證機床導軌整體的平整度，提高機床的加工精度。
(2) 螺栓表面粗糙度差。
原因分析:螺栓材料熱處理后韌性好，車削加工時不容易斷屑，鐵屑纏繞在螺栓桿身上，拉傷螺栓表面;車削過程中工件振動，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，首先與刀具供應商協商合理選擇加工刀具的斷屑槽形狀，同時優化切削參數，合理選擇吃刀量增加切削進給，提高斷屑能力。其次，自制斷屑塊(見圖2)，將斷屑塊固定在刀具下端，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，須先調整車床主軸中心線與尾座中心線同軸，并與車床大導軌平行，允差應小于0．02 mm;刀具選擇上注意選擇75°～90°主偏角的車削刀具，使其加工工件時產生的徑向切削力最小，而讓刀片刃口產生的軸向力最大，并減小切削深度，增大進給量。
圖2 自制斷屑塊
通過攻關解決了車削存在的問題，保證了產品質量。為驗證車削加工桿身與磨削加工桿身加工效率的不同，選取相同數量的螺栓，分別采用2種方式進行加工，并對產品的加工時間進行統計，其平均加工時間如表1所示。
通過平均加工時間對比發現，車削桿身較磨削桿身的加工時間節約了約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床車削螺紋，車削效率低，同時由于螺紋長度較長，車削時容易產生振刀，螺紋表面粗糙度差，加之螺栓材料強度高、韌性好，刀具磨損快，螺紋尺寸不穩定。同時該螺栓組裝時需要進行拉伸試驗，由于車削螺紋強度低，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，結合公司現有螺紋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。為了驗證滾壓方案的可行性，首先對螺紋滾壓力進行計算。
螺紋滾壓力F簡易計算公式：
通過查閱相關資料得出相關參數的數值:材料布氏硬度:HB296～350選上限值HB350、螺栓材料系數Z=4、材料延伸率A=10%、螺紋螺距P=3、螺栓有效長度為L:116～140 mm，選長端140 mm。
參考壓力計算：
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，而公司現有63 Tnos的滾絲機，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生塑性變形以獲得螺紋的加工方法，見圖3。
圖3 螺紋滾壓加工
通過對2種螺紋加工方式進行對比，滾壓制作螺紋的優點突出。
(1) 滾壓制作螺紋精度高。
滾壓制作螺紋時，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，導致螺栓滾壓時延伸量不同，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，對采購的滾壓模具，進行合格性驗證，嚴格控制滾壓模具的精度，加之滾壓模具的使用壽命遠大于車削刀具的使用壽命，因此滾壓制作螺栓的加工精度高、穩定性好。
(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，無須多次進刀，因此加工時間較車削短。同時滾壓加工螺紋時，螺栓的固定裝夾較車削簡單方便，節約了大量的固定、裝夾時間。為驗證車削螺紋與滾壓螺紋加工效率的差異，選擇相同數量的螺栓，分別采用2種方式進行加工，平均加工時間統計如表2所示。
通過加工時間對比發現，滾壓制作螺栓的加工效率較車削提高了2倍。
(3) 滾壓制作螺紋強度高、表面粗糙度好。
滾壓制作螺紋是一種無屑螺紋成型工藝，是通過滾壓模具擠壓坯料，使其發生塑性變形，按滾壓模具的形狀形成螺紋。
滾壓制作螺紋與車削螺紋微粒流之間的區別如圖3所示。可以明顯地看出，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，形成殘余的應力層，產生額外的拉伸強度，提高了螺紋的強度和硬度。同時滾壓技術也是一種壓力光整加工，利用金屬在常溫狀態的冷塑性特點，利用滾壓模具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產生塑性流動，減小工件表面的凹凸峰谷之間的落差，從而達到較高的表面粗糙度。
圖4 滾壓制作螺紋與車削螺紋微粒流之間的區別
(4) 滾壓制作螺紋生產成本低。
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削螺紋所需的坯料的尺寸小，對于大批量生產來說，這是一個很可觀的數字，降低了生產的成本。
4、結束語
本文通過車削、磨削及滾壓3種加工方式的優缺點對比，結合高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，對高強度精密螺栓的加工方法進行了優化、改進，提高了螺栓的產品質量和加工效率。然而，隨著加工刀具、設備及加工技術的不斷進步，產品的加工方法也必須及時地優化、改進。
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