法蘭螺孔螺紋加工工藝選擇及其承載力的試驗研究

秦新義+李翔

摘 要：對法蘭螺孔螺紋4種加工工藝及工藝流程分別進行論述，然后以4種加工工藝和3種板厚為變量對100mm×100mm鋼板分別進行端板攻絲螺栓抗壓承載力試驗，試驗結(jié)果表明：擠壓成型工藝綜合成本最低，適用于梁柱主體結(jié)構(gòu)節(jié)點法蘭螺孔螺紋加工；4種加工工藝情況下的端板攻絲螺栓抗壓承載力F-s曲線與鋼材抗拉承載力F-s曲線類似；端板攻絲螺栓極限抗壓承載力均隨著試件板厚的增加而增大。這對法蘭螺孔螺紋加工工藝選擇及其承載力研究具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：端板攻絲 螺紋 加工工藝 試驗研究

中圖分類號：TG376 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0106-04

Abstract：Four processing technology and technological process of flange screw thread are discussed respectively. Then， four kinds of processing technology and three kinds of plate thickness are respectively used to test the compressive load capacity of end plate tapping bolts of 100mm×100mm steel plate. Experimental results show that the minimum comprehensive cost of extrusion molding process， applicable to the main structure of beam column joint of flange screw thread machining； the F-s curve of the compressive load capacity of end plate tapping bolt under four processing technology is similar to the F-s curve of steel tensile capacity； the ultimate compressive load capacity of end plate tapping bolt increases with the increase of specimen thickness. This has certain reference value to the selection of flange screw thread processing technology and its bearing capacity.

Key Words：End plate tapping； Screw thread； Processing technology； Experimental study

創(chuàng)立于2009年的遠大可建科技有限公司曾在上海世博會上1天建造6層遠大世博館，6天建造15層新方舟賓館而轟動世界，該結(jié)構(gòu)體系即為遠大獨創(chuàng)的裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)，具有9度抗震、5倍節(jié)能、20倍凈化、90%工廠制造、1%建筑垃圾等優(yōu)點，由立柱、主板和斜支撐組成，利用高強螺栓將柱座和立柱、斜撐和主板、斜撐和立柱通過法蘭連接成一個整體，如圖1所示。由于節(jié)點密集，現(xiàn)場施工螺栓多，相對于傳統(tǒng)法蘭連接，柱座法蘭連接的高強螺母以法蘭螺孔內(nèi)攻絲代替，本文主要研究法蘭螺孔內(nèi)螺紋加工工藝選擇及相應(yīng)的抗壓承載力研究，為裝配式斜支撐節(jié)點連接體系研究提供相關(guān)依據(jù)。

1 法蘭螺孔螺紋加工工藝

法蘭螺紋是在法蘭螺孔表面沿著螺旋線形成的、具有三角形斷面的內(nèi)螺紋。目前生產(chǎn)加工螺紋工藝主要有螺紋切削、螺紋淬火切削、螺紋擠壓成型和熱熔鉆鉆孔攻絲等，為了了解各工藝特性，以便為后續(xù)加工工藝選擇提供判斷依據(jù)，以下筆者分別對其進行論述。

1.1 螺紋切削

螺紋切削是目前螺紋加工中最常見、最經(jīng)濟的加工方法，一般是指有成形刀具在工件上切削螺紋，工件每轉(zhuǎn)一圈，通過設(shè)定的程序使數(shù)控機床的傳動鏈保證車刀沿工件軸向準(zhǔn)確而均勻地移動設(shè)定距離[1]，具體切削過程如圖2所示。車削螺紋刀具有成形車刀和螺紋梳刀兩種。成形車刀刀具結(jié)構(gòu)簡單，在小批量螺紋生產(chǎn)中較為常見；螺紋梳刀刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但生產(chǎn)效率高，主要在中、大批量切削細(xì)牙短螺紋中采用。螺紋切削加工工藝流程：設(shè)定數(shù)控加工程序—>校正、夾緊—>鉆螺孔—>孔口倒角—>車螺紋—>檢驗。

1.2 螺紋淬火切削

由于鋼經(jīng)淬火后得到馬氏體金相組織，強度、剛度和硬度顯著提高，相較于螺紋切削工藝，螺紋淬火切削工藝得到的螺紋強度更高，淬火鋼硬度高，普通道具難于切削，需采用更加硬度的刀具切削以獲得較高精度螺紋。其加工工藝流程：鋸—>熱—>車—>半精車—>鉗—>淬火—>車螺紋—>研孔—>磨外圓—>磨螺紋—>檢驗[2]。

1.3 螺紋擠壓成型

在螺紋加工方法中，螺紋擠壓成型工藝是最先進方法之一，主要利用擠壓絲錐錐部的棱齒多次反復(fù)擠壓工件而形成螺紋，主要用于加工內(nèi)螺紋。由于螺紋經(jīng)過擠壓，故螺紋強度高，一般較普通螺紋強度高20%～30%，擠壓成型的螺紋齒面光潔度及螺紋精度高[3]，該工藝目前已得到了很好的推廣和應(yīng)用。擠壓所用的絲錐形狀如圖3所示，其加工工藝流程：下料—>鉆孔—>工件端面精磨—>清洗表面—>螺紋擠壓—>檢驗。

1.4 熱熔鉆鉆孔攻絲

熱熔鉆鉆孔攻絲工藝是一種高溫?zé)o屑成型、摩擦熱熔鉆加工工藝，主要利用碳化鎢鉆頭在工件表面高速回轉(zhuǎn)并施以一定的軸向壓力，鉆頭頭部與工件表面劇烈摩擦，產(chǎn)生高達650℃～750℃的高溫，使與鉆頭頭部接觸的局部區(qū)域升溫變紅并迅速軟化，隨著向下的軸力和進尺增加，鉆頭頭部錐面與工件的接觸面積增大，發(fā)熱量進一步增多，鉆孔區(qū)溫度進一步升高，變紅區(qū)域擴大，并在鉆孔對側(cè)產(chǎn)生堆積層，使得局部工件厚度增加，鉆完孔后立即使用擠壓絲錐攻絲。該工藝改變了傳統(tǒng)鉆孔模式，使得在短短幾秒即可完成鉆孔攻絲，螺紋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、精度高，加工螺紋生產(chǎn)效率高，但單臺設(shè)備造價高昂，其加工工藝流程如圖4所示，下料—>鉆孔—>增加軸力—>提鉆—>清洗表面—>絲錐攻絲—>檢驗。endprint

2 法蘭螺孔螺紋承載力試驗概況

2.1 試驗裝置

試驗主要是用法蘭螺孔內(nèi)攻絲取代高強螺母，研究在螺栓直徑一定的情況下，不同試件鋼板厚度和不同螺孔螺紋加工工藝對螺栓抗壓承載力的影響程度。本次試驗采用YAW-5000F型壓力機（最大試驗力5000kN），試驗裝置示意如圖5所示。為了保證下部螺栓偏斜撓曲，專門設(shè)置了采用錳鋼制作的卡托，孔徑φ22。

2.2 試件概況

試件采用100mm×100mm Q345鋼板，厚度分別為6、8、10mm，螺栓采用10.9S M20高強螺栓，試件實物如圖6所示，試件分組如表1所示。

2.3 試驗過程及方法

（1）試件及卡托的安放：將卡托置于壓力機平臺中心，并將擰好螺栓的試件豎直放入卡托，放平、放正，務(wù)必使螺栓不接觸卡托孔壁。

（2）試驗控制：根據(jù)《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》規(guī)定，采用應(yīng)力速率控制法，應(yīng)變速率控制在0.008s-1以內(nèi)，在試驗前先進場預(yù)壓，預(yù)壓荷載取5～10kN。

（3）試驗操作：加載壓力，使試件抗壓承載力峰值曲線下跌45%左右，試驗終止，電腦自動記錄試件抗壓承載力和變形隨時間變化數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同加工工藝螺栓加載力學(xué)特征及破壞形態(tài)

（1）4種加工工藝情況下的端板攻絲螺栓抗壓承載力F-s曲線與鋼材抗拉承載力F-s曲線類似，均為彈性變形階段、屈曲變形階段、強化變形階段和破壞階段。以下選取10mm試件在不同加工工藝情況下的抗壓承載力曲線進行分析說明加載破壞過程中的異同點，如圖7所示。

從圖7中可知，在荷載加載初期，在預(yù)壓荷載作用下，有“咯咯咯”的響聲，初期變形約為0.9～1.9mm；隨著加載荷載的逐漸增加，試件進入彈性階段，彈性變形幅度較小，其中淬火切削工藝變化幅度為0.9～1.2mm，其他3種工藝變化幅度為1.9～2.6mm，4種加工工藝在彈性階段F-s曲線斜率均相似；隨后進入屈曲階段，屈曲路徑淬火切削工藝為1.2～4.2mm，其他3種工藝變化幅度為2.6～6.3mm；而強化變形階段路徑最長，期間也存在一定的“吱吱”響聲，在變形位移不斷增長的情況下，抗壓承載力逐步成比例增加，變化位移范圍達到4.2～18.5mm，約占整個位移量的60%以上。根據(jù)試驗結(jié)果，4種加工工藝屈強比為14.3%～36.8%，變化規(guī)律為螺紋切削>淬火切削>擠壓成型>熱熔鉆，說明端板攻絲在強化階段具有一定的塑形變形能力；隨后變形曲線急劇下降，變形時間短，并爆發(fā)一陣“啪”巨響，承載力陡降，螺栓脫扣或撓曲破壞。

3.2 不同加工工藝螺栓抗壓承載力

如圖8所示，不同板厚及加工工藝情況下，端板攻絲螺栓極限抗壓承載力均隨著試件板厚的增加而增大，除熱熔鉆攻絲工藝斜率較大外，其他3種斜率基本相同，反映出板厚的變化與極限抗壓承載力存在一定的線性比例關(guān)系。在相同板厚條件下，不同加工工藝極限抗壓承載力變化規(guī)律為：螺紋切削<淬火切削<擠壓成型<熱熔鉆，其中淬火切削相對螺紋切削增加約21.69%～47.51%，擠壓成型相對淬火切削增加約5.51%～12.73%，熱熔鉆相對擠壓成型增加約50.83%～56.28%，且隨著板厚的增加增長幅度趨于緩和。目前比較常見的加工工藝為螺紋切削和擠壓成型，擠壓成型相較螺紋切削極限抗壓承載力增加28.40%～66.30%，可見擠壓成型加工螺紋的抗壓承載力大大優(yōu)于螺紋切削工藝，而且螺紋經(jīng)過擠壓后表面更加光滑，有效地降低了螺栓與螺紋間的應(yīng)力集中現(xiàn)象。擠壓成型與淬火切削加工螺紋的抗壓承載力相差幅值較小，但淬火切削加工工序多，工藝也較復(fù)雜，綜合成本也大于擠壓成型。熱熔鉆加工螺紋的極限抗壓承載力最大，但其工藝在4種中也是最復(fù)雜的，鉆完一個孔后需立即進行擠壓絲錐攻絲，國內(nèi)這種加工設(shè)備造價高，不可能大批量采購此類設(shè)備，如用于住宅產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模鉆孔，必將嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)法蘭節(jié)點螺孔螺紋加工速度。

綜上所述，擠壓成型加工工藝無論從造價成本、經(jīng)濟適用性，還是住宅產(chǎn)業(yè)化方面均具有一定的優(yōu)勢，建議在梁柱主體結(jié)構(gòu)節(jié)點螺孔螺紋優(yōu)選擠壓成型工藝；考慮到產(chǎn)業(yè)化成本，建議其他一般或輔助連接節(jié)點螺孔螺紋優(yōu)選螺紋切削工藝。圖8為不同板厚及加工工藝端板攻絲螺栓極限抗壓承載力曲線。

4 結(jié)論

（1）螺紋切削工藝簡單，適用于一般或輔助連接節(jié)點法蘭螺孔螺紋加工；擠壓成型工藝綜合成本最低，適用于梁柱主體結(jié)構(gòu)節(jié)點法蘭螺孔螺紋加工。

（2）4種加工工藝情況下的端板攻絲螺栓抗壓承載力F-s曲線與鋼材抗拉承載力F-s曲線類似，均為彈性變形階段、屈曲變形階段、強化變形階段和破壞階段，但又有所不同，主要表現(xiàn)在強化變形階段，強化變形位移值約占整個位移變形量的60%以上。

（3）端板攻絲螺紋試件除熱熔鉆工藝為撓曲破壞外，其余均為脫扣破壞。

（4）端板攻絲螺栓極限抗壓承載力均隨著試件板厚的增加而增大，不同加工工藝極限抗壓承載力變化規(guī)律為：螺紋切削<淬火切削<擠壓成型<熱熔鉆。

參考文獻

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