高强度精密螺栓加工方法优化
2019-4-11 来源：中车戚墅堰机车有限公司 作者：刘剑峰
摘 要: 本文主要从设备的合理选择、刀具的选用、先进加工方法的引进等方面，详细阐述了高强度精密螺栓的加工方法分析和优化的过程，为类似产品的加工，提供参照办法。
关键词: 精密螺栓; 优化加工; 断屑; 车削; 滚压
1、产品结构特性和技术要求
高强度精密螺栓是某公司加工的主要零部件，其主要特点是:等级高、强度高、精度要求高。下面以典型的高强度精密螺栓—气缸盖螺栓(见图1)为例，分析产品的结构特性及技术要求。
图1 气缸盖螺栓
气缸盖螺栓是柴油机上的一个关键零部件，其作用是将气缸盖牢固地固定在机体上，在柴油机运行过程中承受较大的拉力和扭矩，因此对产品的加工精度要求非常高，主要体现在以下2个方面:
(1) 产品的材料为18Cr2Ni4WA，是一种高强度合金结构钢，经过调质后有较高的强度和韧性(抗拉强度不小于1 175 MPa，屈服强度不小于1 029MPa，伸长率不小于10%，收缩率不小于45%)。
(2) 产品的加工精度要求高:①产品的形位公差要求较高，其螺栓螺纹及杆身的同轴度要求分别为0．03 mm和0．06 mm;②产品的两端螺纹等级要求高，均为M48×3－4 h。
2、产品加工工艺分析
通过对产品结构和技术要求的分析，找出该螺栓加工的难点:
(1) 该螺栓的两端螺纹及中间杆身的同轴度要求高，而且该螺栓的长度较长，为645 mm，杆身直径为41 mm，长径比接近16∶1，刚性较差，加工较为困难。
(2) 该螺栓两端均为M48×3－4 h的螺纹，螺纹等级要求高，采用传统的加工方法，很难保证螺纹精度。
(3) 该螺栓批量大，每台机体需48根气缸盖螺栓，采用传统的加工方法加工效率低、生产周期长，无法满足生产需求。
3、优化加工方法解析
3．1 以车代磨
传统的加工方法，为保证工件的精度，一般采用磨削的方式加工螺栓的杆身及两端螺纹档。由于以前螺栓批量小，该加工方式的缺点没有完全呈现出来，但随着螺栓的大批量生产，该加工方式已无法满足生产需求，必须采用新的加工方法，提高生产效率。
通过对螺栓技术要求分析，结合公司现有设备，计划采用车削方式代替磨削方式加工螺栓的杆身。通过前期试验发现车削加工存在2个问题:螺栓同轴度和表面粗糙度出现超差，无法满足设计要求。
针对上面问题，分析其产生原因并进行攻关。
(1) 螺栓同轴度超差。
原因分析:螺栓刚性差，加工时容易产生振动;公司现有数控车床，长时间车削长度小于500 mm的产品，导致机床导轨前后段磨损情况不同。
解决方案:首先合理选择加工刀具，半精车时采用负型刀，提高加工效率，降低生产成本。精车时采用正型刀，减小刀具切削阻力，同时优化切削参数，通过不断试验，合理选择吃刀量、进给速度，避免刀具与工件产生共振，有效控制工件加工过程中的振动。其次请求设备维修部门对机床导轨进行铲刮，保证机床导轨整体的平整度，提高机床的加工精度。
(2) 螺栓表面粗糙度差。
原因分析:螺栓材料热处理后韧性好，车削加工时不容易断屑，铁屑缠绕在螺栓杆身上，拉伤螺栓表面;车削过程中工件振动，工件表面存在振纹，影响表面粗糙度。
解决方案:为了提高零件加工的断屑性，首先与刀具供应商协商合理选择加工刀具的断屑槽形状，同时优化切削参数，合理选择吃刀量增加切削进给，提高断屑能力。其次，自制断屑块(见图2)，将断屑块固定在刀具下端，改变铁屑的流向与长度，保证加工过程中的良好断屑。同时为有效消除车削振纹，须先调整车床主轴中心线与尾座中心线同轴，并与车床大导轨平行，允差应小于0．02 mm;刀具选择上注意选择75°～90°主偏角的车削刀具，使其加工工件时产生的径向切削力最小，而让刀片刃口产生的轴向力最大，并减小切削深度，增大进给量。
图2 自制断屑块
通过攻关解决了车削存在的问题，保证了产品质量。为验证车削加工杆身与磨削加工杆身加工效率的不同，选取相同数量的螺栓，分别采用2种方式进行加工，并对产品的加工时间进行统计，其平均加工时间如表1所示。
通过平均加工时间对比发现，车削杆身较磨削杆身的加工时间节约了约60%，加工效率提高。
3．2 滚压加工螺纹
螺栓两端的螺纹要求高，原加工方法是采用普通车床车削螺纹，车削效率低，同时由于螺纹长度较长，车削时容易产生振刀，螺纹表面粗糙度差，加之螺栓材料强度高、韧性好，刀具磨损快，螺纹尺寸不稳定。同时该螺栓组装时需要进行拉伸试验，由于车削螺纹强度低，拉伸时螺纹容易变形，导致螺母无法装配。
通过对螺纹加工性能的分析，结合公司现有螺纹加工设备和先进的螺纹加工方法，计划采用滚压的方式加工螺纹。为了验证滚压方案的可行性，首先对螺纹滚压力进行计算。
螺纹滚压力F简易计算公式：
通过查阅相关资料得出相关参数的数值:材料布氏硬度:HB296～350选上限值HB350、螺栓材料系数Z=4、材料延伸率A=10%、螺纹螺距P=3、螺栓有效长度为L:116～140 mm，选长端140 mm。
参考压力计算：
考虑1．2～1．5倍的保有量，滚压所需提供滚压力F1=1．2×F=57．36 Tnos、F2=1．5×F=71．7Tnos，而公司现有63 Tnos的滚丝机，满足滚压要求，滚压方案可行。
螺纹滚压是一种不去除材料的成型工艺，即用成型的滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法，见图3。
图3 螺纹滚压加工
通过对2种螺纹加工方式进行对比，滚压制作螺纹的优点突出。
(1) 滚压制作螺纹精度高。
滚压制作螺纹时，螺纹的精度主要取决于滚压坯的尺寸精度与滚压模具的精度。由于每批次螺栓的原材料及热处理存在差异，导致螺栓滚压时延伸量不同，影响螺栓的精度，因此每批次螺栓滚压坯的尺寸，是通过试滚确定的，即每次螺栓批量加工滚压坯前，先试加工几根，然后滚压，确定滚压精度后，再批量加工，有效保证螺纹滚压坯的尺寸精度。同时，对采购的滚压模具，进行合格性验证，严格控制滚压模具的精度，加之滚压模具的使用寿命远大于车削刀具的使用寿命，因此滚压制作螺栓的加工精度高、稳定性好。
(2) 滚压制作螺纹加工效率高。
螺栓的滚压是一种一次成型工艺，无须多次进刀，因此加工时间较车削短。同时滚压加工螺纹时，螺栓的固定装夹较车削简单方便，节约了大量的固定、装夹时间。为验证车削螺纹与滚压螺纹加工效率的差异，选择相同数量的螺栓，分别采用2种方式进行加工，平均加工时间统计如表2所示。
通过加工时间对比发现，滚压制作螺栓的加工效率较车削提高了2倍。
(3) 滚压制作螺纹强度高、表面粗糙度好。
滚压制作螺纹是一种无屑螺纹成型工艺，是通过滚压模具挤压坯料，使其发生塑性变形，按滚压模具的形状形成螺纹。
滚压制作螺纹与车削螺纹微粒流之间的区别如图3所示。可以明显地看出，滚压螺纹部分，材料出现塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成残余的应力层，产生额外的拉伸强度，提高了螺纹的强度和硬度。同时滚压技术也是一种压力光整加工，利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压模具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，减小工件表面的凹凸峰谷之间的落差，从而达到较高的表面粗糙度。
图4 滚压制作螺纹与车削螺纹微粒流之间的区别
(4) 滚压制作螺纹生产成本低。
滚压制作螺纹，采用不去除材料的方式加工螺纹，螺纹滚压前尺寸一般为螺纹的中径尺寸，而螺纹车削前的尺寸，一般为螺纹的大径尺寸，因此滚压制作螺纹比车削螺纹所需的坯料的尺寸小，对于大批量生产来说，这是一个很可观的数字，降低了生产的成本。
4、结束语
本文通过车削、磨削及滚压3种加工方式的优缺点对比，结合高强度精密螺栓的结构特性和技术要求，采用了以车代磨、以滚代车的加工方法，对高强度精密螺栓的加工方法进行了优化、改进，提高了螺栓的产品质量和加工效率。然而，随着加工刀具、设备及加工技术的不断进步，产品的加工方法也必须及时地优化、改进。
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