螺栓圓角滾壓工藝分析及數(shù)控圓角滾壓機(jī)研制

陳家兌，劉 勇，田豐果，王自勤

CHEN Jia-dui, LIU Yong, TIAN Feng-guo, WANG Zi-qin

（貴州大學(xué)，貴陽 550003）

0 引言

隨著航空、航天、高速列車、高級(jí)乘用車等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度螺栓的要求越來越高。螺栓頭下圓角處是應(yīng)力集中點(diǎn)，是發(fā)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)截面之一。對(duì)螺栓頭下圓角部位采取冷滾壓工藝，是大幅度地提高螺栓的疲勞強(qiáng)度的重要手段[1]。目前，國內(nèi)對(duì)螺栓頭下圓角滾壓多采用鉆床加裝輔助工裝，手工操作。使得生產(chǎn)中存在工藝參數(shù)不確定、不穩(wěn)定，產(chǎn)品一致性差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。對(duì)于大飛機(jī)等重大項(xiàng)目，對(duì)高溫合金、鈦合金等特種螺栓提出的技術(shù)要求就更高，上述加工方式很難實(shí)現(xiàn)。

因此，研究螺栓圓角滾壓工藝，研制與高強(qiáng)度螺栓圓角滾壓大批量生產(chǎn)模式相適應(yīng)的高性能專用生產(chǎn)裝備，解決企業(yè)在高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)中的技術(shù)及裝備瓶頸，具有重要意義。

1 螺栓圓角滾壓工藝及影響因素分析

1.1 螺栓圓角滾壓原理

對(duì)螺栓圓角的冷滾壓是利用金屬材料冷變形加工硬化的特性,通過滾壓工具對(duì)圓角部位的回轉(zhuǎn)滾壓，使其表層材料在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使表層晶粒組織致密，減小表面粗糙度，纖維保持連續(xù)流暢的狀態(tài),同時(shí)產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，在表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，從而提高螺栓的抗疲勞強(qiáng)度和可靠性[2]。

1.2 螺栓圓角變形要求

高強(qiáng)度螺栓的頭下圓角經(jīng)滾壓后的變形量需要嚴(yán)格控制[3]。如圖1所示，為螺栓頭下圓角滾壓變形示意圖，為了滿足提高疲勞強(qiáng)度的要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)螺栓頭下圓角的滾壓變形量有嚴(yán)格規(guī)定，如圖1中：A、B、C等。圓角滾壓的基本要求是確保滾壓深度尺寸B, 又保證圓角兩側(cè)與螺栓桿部、端部過渡光滑。

圖1 螺栓頭下圓角滾壓變形示意圖

圖2 滾壓夾具圖

1.3 影響圓角滾壓尺寸的主要參數(shù)分析

螺栓圓角的塑性變形受螺栓材料的性能、滾壓前圓角幾何尺寸及其公差、熱處理情況等多因素的影響。通過大量試驗(yàn)研究表明，在工藝參數(shù)中影響圓角變形量的主要參數(shù)是滾壓力、滾壓轉(zhuǎn)速及滾壓時(shí)間[2,4]。

1）滾壓力：滾壓力是螺栓圓角產(chǎn)生塑性變形的直接原因，也是影響產(chǎn)品加工質(zhì)量的主要參數(shù)。滾壓力加載過大，導(dǎo)致變形量過大，滾壓變形量控制參數(shù)A、B、C可能超差；滾壓力加載太小，圓角變形量過小，達(dá)不到提高螺栓疲勞強(qiáng)度的預(yù)期效果。滾壓力在圓角滾壓過程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，受到螺栓本身的材料性能、圓角幾何尺寸及其公差和變形程度，加載方式及其穩(wěn)定性等因素的影響。此外，滾壓過程還是一個(gè)包含了塑性變形、彈性變形的復(fù)雜變形過程。因此，滾壓力的控制極為重要并有一定難度。

2）滾壓轉(zhuǎn)速：對(duì)于不同的材料性能、熱處理、直徑尺寸和圓角尺寸的螺栓, 在不同的滾壓力作用下有不同的變形速度要求。因此，滾壓轉(zhuǎn)速必須根據(jù)螺栓的材料性能、熱處理、直徑尺寸、圓角尺寸、滾壓力以及加工效率進(jìn)行合理選擇。滾壓轉(zhuǎn)速過快，材料變形不充分，變形反彈大，達(dá)不到變形量要求；反之，加工效率低下。

3）滾壓時(shí)間：滾壓時(shí)間是影響滾壓變形量、表面質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。滾壓時(shí)間過長，效率低下，滾壓部位可能出現(xiàn)起皮，表面質(zhì)量反而下降；而滾壓時(shí)間過小，變形量不足，表面質(zhì)量低。為此，為了保證圓角滾壓的塑性變形量、批量生產(chǎn)時(shí)滾壓質(zhì)量的穩(wěn)定, 必須合理控制滾壓時(shí)間。

2 數(shù)控圓角滾壓機(jī)研制

2.1 數(shù)控圓角滾壓機(jī)工作原理

經(jīng)過研究分析以及與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行充分研討，研制出了適應(yīng)高強(qiáng)度螺栓大批量、現(xiàn)代化生產(chǎn)的專用數(shù)控生產(chǎn)裝備。數(shù)控圓角滾壓機(jī)由主機(jī)、滾壓夾具和控制系統(tǒng)組成，如圖2、3、4所示。工作時(shí)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可根據(jù)加工螺栓的材料性能、熱處理、直徑尺寸、圓角尺寸、滾壓力以及合理的加工效率等因素所需的變形速度要求通過人機(jī)交互界面調(diào)整轉(zhuǎn)速；伺服電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滾壓夾具上升，當(dāng)螺栓頭部與主軸相連的壓頭接觸時(shí)，在摩擦力的作用下，主軸帶動(dòng)螺栓做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，夾具上的滾輪也在摩擦力的作用下，由螺栓帶動(dòng)繞其軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)壓力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到滾壓力達(dá)到設(shè)定的參數(shù)時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入恒壓保持階段。此時(shí)，螺栓圓角在滾輪的滾壓作用下變形，滾壓時(shí)間到達(dá)后，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，滾壓夾具回到初始位置，完成一個(gè)螺母收口工作循環(huán)。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 設(shè)備照片

2.2 滾壓力加載過程分析

經(jīng)過對(duì)圓角滾壓過程和特點(diǎn)的試驗(yàn)、研究，變形量尺寸精度控制要求、圓角滾壓后螺栓抗疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和大量生產(chǎn)、試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合生產(chǎn)要求，數(shù)控圓角滾壓機(jī)應(yīng)具有滾壓力控制精度高、響應(yīng)速度快，生產(chǎn)過程效率高、產(chǎn)品精度高和一致性好等特點(diǎn)。工作循環(huán)主要應(yīng)包括裝卸、快進(jìn)、工進(jìn)1、工進(jìn)2、保壓及快退等過程。滾壓夾具在這五個(gè)過程中的位移線圖如圖5所示。

圖5 滾壓夾具位移線圖

圖6 人機(jī)交互界面

工作循環(huán)中：

裝卸過程（0—t1）：設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)行工件的裝卸；

快進(jìn)過程（t1—t2）：裝卸位置的存在使?jié)L壓夾具有較大的空行程，這一過程中工件應(yīng)盡可能快速接近壓頭，提高生產(chǎn)效率；

工進(jìn)1過程（t2—t3）：此時(shí)，工件離壓頭距離較小，滾壓夾具上升速度迅速減小，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加載；

工進(jìn)2過程（t3—t4）：當(dāng)滾壓力接近設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，夾具從工進(jìn)1速度切換到一個(gè)更低的速度進(jìn)行加載，以利精確控制滾壓力；

保壓過程（t4—t5）：滾壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，為了使材料充分變形，有效控制回彈量，保證圓角滾壓變形量精度、表面質(zhì)量，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓滾壓階段。

快退過程（t5—t6）：夾具以最快速度退回到裝卸位置，提高加工效率；

上述工作過程中，滾壓轉(zhuǎn)速和滾壓力是實(shí)現(xiàn)圓角滾壓的關(guān)鍵；保壓過程，是保證圓角變形尺寸精度及大批量生產(chǎn)產(chǎn)品尺寸、抗疲勞強(qiáng)度一致性的關(guān)鍵；快進(jìn)、快退與工進(jìn)、保壓之間進(jìn)行大速度比的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)大批量高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2.3 數(shù)控圓角滾壓機(jī)主要特點(diǎn)

2.3.1 位置控制精度高

在位置控制技術(shù)方面，螺母收口機(jī)采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行位置控制，通過絕對(duì)位置控制模式，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)部件快速而準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置精確控制。執(zhí)行件的脈沖當(dāng)量為δ＝10μm/pulse的高精度控制。

2.3.2 滾壓力的精確控制

設(shè)備在滾壓夾具與傳動(dòng)系統(tǒng)中串聯(lián)了合適的彈性補(bǔ)償系統(tǒng)以及壓力傳感器。無彈性補(bǔ)償系統(tǒng)串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)剛度過大。由于不可避免的零件尺寸誤差、變形過程中的尺寸變化、設(shè)備運(yùn)動(dòng)誤差及振動(dòng)等將造成壓力波動(dòng)過大。彈性補(bǔ)償系統(tǒng)的引入，降低了滾壓力對(duì)夾具位移、螺栓變形尺寸、設(shè)備振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)誤差和位置控制精度等因素的敏感性，同時(shí)起到緩沖作用，為力的精確控制奠定了基礎(chǔ)。通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)滾壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)了滾壓力的精確控制，誤差控制在設(shè)定值的3%之內(nèi)。

2.3.3 生產(chǎn)效率高

由于采用伺服驅(qū)動(dòng)，各運(yùn)動(dòng)過程的速度均可在相當(dāng)大的范圍調(diào)整，適應(yīng)了大速度比運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換，使快進(jìn)、快退等過程得以高速完成，節(jié)約了時(shí)間，且過程轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，生產(chǎn)效率大幅度提高，滿足了高效生產(chǎn)要求。

2.3.4 滾壓速度可控可調(diào)

主軸采用無級(jí)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)加工螺栓的材料性能、熱處理、直徑尺寸、圓角尺寸、滾壓力以及加工效率等因素需要的變形速度要求進(jìn)行調(diào)整，調(diào)速方便、可靠，實(shí)現(xiàn)不同的滾壓轉(zhuǎn)速控制。

2.3.5 設(shè)備適應(yīng)性好

通過更換滾壓夾具及調(diào)整，能適應(yīng)各種不同規(guī)格的螺栓圓角滾壓加工。滾壓夾具的三組滾輪，具有自動(dòng)定心功能，調(diào)整方便。

2.3.6 具有配方功能和日記功能

產(chǎn)品質(zhì)量追蹤、配方生產(chǎn)是許多重要零件質(zhì)量保證的重要措施，也是必不可少的環(huán)節(jié)。設(shè)備利用高端觸摸屏實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的配方功能及日記功能。配方功能實(shí)現(xiàn)了相同規(guī)格產(chǎn)品的工藝參數(shù)的一致性，從而保證了不同批次產(chǎn)品的質(zhì)量與一致性，減少人為因素，提高了工作效率。日記功能實(shí)現(xiàn)了每件產(chǎn)品的生產(chǎn)情況記錄，對(duì)生產(chǎn)日期、生產(chǎn)者、批號(hào)、工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)記錄，為產(chǎn)品質(zhì)量追蹤、質(zhì)量保證提供了數(shù)字資料。

2.3.7 操作、監(jiān)控界面友好，使用、維護(hù)方便

數(shù)控螺母收口機(jī)采用觸摸屏及少量按鈕開關(guān)組成人機(jī)交互系統(tǒng)，為用戶提供了友好的操作、監(jiān)控界面[5]，工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)均通過屏幕直接數(shù)字輸入，操作簡(jiǎn)便、直觀。同時(shí)，通過觸摸屏可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程及設(shè)備運(yùn)行情況，快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷和設(shè)備故障。設(shè)備使用、維護(hù)方便。部分操作界面如圖6所示。

3 應(yīng)用效果

數(shù)控圓角研制成功后，進(jìn)行了大量針對(duì)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備性能良好。其中，對(duì)圓角滾壓起關(guān)鍵作用的滾壓力、滾壓速度及滾壓時(shí)間控制精度均達(dá)到較高水平。滾壓力控制誤差3%范圍內(nèi)，較好的控制了滾壓轉(zhuǎn)速，精確控制了滾壓時(shí)間。設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，基本無噪聲，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可以在相當(dāng)大的范圍調(diào)整，適應(yīng)不同產(chǎn)品加工要求。目前，設(shè)備已交付國內(nèi)多家企業(yè)使用，對(duì)幾十種上百萬件不同規(guī)格不同材料的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了批量加工，產(chǎn)品合格率近100%，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過對(duì)高強(qiáng)度螺栓圓角滾壓工藝的試驗(yàn)、分析，找出了影響圓角滾壓的主要因素。根據(jù)工藝研究結(jié)果，研制了滿足螺栓圓角滾壓大批量、現(xiàn)代化生產(chǎn)的專用數(shù)控生產(chǎn)裝備。該設(shè)備采用了數(shù)控、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻調(diào)速、觸摸屏人機(jī)交互等技術(shù)，具有滾壓力控制精度高且穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性好、運(yùn)行平穩(wěn)、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，數(shù)控圓角滾壓機(jī)運(yùn)行良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，適合于各種規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓的單件試驗(yàn)及大批量生產(chǎn)。

[1]管其明,王自勤,余述凡.高強(qiáng)度螺栓圓角沖擊滾壓技術(shù)[J].航空制造工程,1998(3).

[2]余述凡,王自勤,劉鳳章.高強(qiáng)度螺栓圓角冷擠機(jī)[J].航空制造工程,1997(5).

[3]余述凡,王自勤,劉鳳章.高強(qiáng)度螺栓圓角冷擠壓工藝研究[J].新工藝新技術(shù),1996(3).

[4]王勉, 王自勤.Tc16螺栓頭下圓角滾壓工藝參數(shù)與疲勞強(qiáng)度研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008(5).

[5]日本三菱公司.GT Designer2版本2畫面設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z].2006.