大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓方案

高博，蓋文，王青川，康二磊

1.海軍裝備部 陜西興平 713105

2.陜西柴油機(jī)重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

隨著柴油機(jī)設(shè)計強(qiáng)化要求不斷提高，柴油機(jī)連桿螺栓、主軸承緊固螺栓等關(guān)重螺栓的設(shè)計也在向著高強(qiáng)度、大直徑和大螺距的方向發(fā)展，而滾壓加工的螺紋由于其表面存在冷作壓應(yīng)力，零件纖維組織較切削的螺紋更加致密，其承載能力較切削加工的螺紋更高，因此關(guān)重螺栓螺紋一般都要求滾壓加工。而螺紋滾壓過程中零件強(qiáng)度越高、伸長率越小，螺紋滾壓難度就越大，容易出現(xiàn)滾絲輪碎裂的現(xiàn)象，螺紋加工精度不易控制。同時由于高強(qiáng)度螺栓滾壓力較大，利用中心孔定位加工容易造成中心孔的損壞和頂尖的破損，因此通常采用支撐板定位的方法進(jìn)行加工。而滾壓過程中隨著螺紋逐漸成形，滾壓部分外圓直徑逐漸加大，大直徑關(guān)重螺栓由于其自重較大，所以在滾壓力不足以帶動零件中心整體自動定心的情況下，就會出現(xiàn)零件中心與機(jī)床主軸不平行的情況，導(dǎo)致零件滾壓過程出現(xiàn)上跳或螺紋亂扣、零件中徑錐度較大的情況。因此，需要對大直徑高強(qiáng)度螺紋滾壓工藝技術(shù)進(jìn)行研究，解決此類零件的加工問題。

2 大直徑高強(qiáng)度螺栓技術(shù)要求及滾壓難點(diǎn)分析

（1）大直徑高強(qiáng)度螺栓技術(shù)要求 柴油機(jī)關(guān)重螺栓主要指柴油機(jī)一些關(guān)鍵部位的聯(lián)接螺栓，主要包括柴油機(jī)連桿螺栓、平衡重螺栓和活塞頭螺栓等。為滿足不斷發(fā)展的設(shè)計要求，此類零件的設(shè)計強(qiáng)度要求不斷提高，強(qiáng)度等級普遍達(dá)到甚至超過12.9級，硬度達(dá)到42HRC。螺紋要求熱處理后滾壓加工，同時螺紋規(guī)格、螺距不斷增加，達(dá)到M78及以上，螺距也相應(yīng)增加到4mm，導(dǎo)致螺紋滾壓力增加，加工難度加大。

以某型柴油機(jī)主軸承緊固螺栓（見圖1）為例，其技術(shù)要求如下：該零件材料為34CrNiMo6，熱處理后抗拉強(qiáng)度Rm≥11 0 0 M P a，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥940MPa，硬度在35～40HRC，力學(xué)性能要求很高，螺紋規(guī)格為M78×4-6g，螺紋牙底圓角半徑要求在0.5～0.576mm，滾壓力計算下來數(shù)值較大，加工難度較高，對滾絲輪、滾壓設(shè)備和定位夾具要求很高。

圖1 某型柴油機(jī)主軸承緊固螺栓結(jié)構(gòu)

（2）滾壓難點(diǎn)分析 滾絲輪是螺紋滾壓工具，最適宜加工的硬度為28～32HRC，如果零件硬度超過35HRC，則滾絲輪磨損速度會大大增加，當(dāng)強(qiáng)度過高時會出現(xiàn)滾絲輪崩刃或碎裂的現(xiàn)象。滾絲輪磨損后也會造成螺紋精度和螺紋牙底半徑超差，滾絲輪無法正常使用。而目前關(guān)重螺栓的設(shè)計強(qiáng)度普遍達(dá)到1300MPa，硬度一般為39HRC，最高可達(dá)到42HRC，遠(yuǎn)超螺紋滾壓的適宜強(qiáng)度，極易造成滾絲輪破損。

在螺紋滾壓過程中，滾壓力大小與被滾壓螺紋的直徑、強(qiáng)度有很大關(guān)系，被滾壓螺紋直徑越大、強(qiáng)度越高，相應(yīng)的滾壓力就越大，在大滾壓力作用下如果零件中心偏斜或加工參數(shù)選取不當(dāng)，則很容易發(fā)生滾絲輪崩齒、零件上跳及螺紋中徑錐度過大的情況。在大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓過程中，由于滾壓力過大易掰斷頂尖，因此一般用支片定位。由于滾壓過程中零件外徑加大，導(dǎo)致零件中心不易保持水平，所以易造成零件上抬及螺紋中徑錐度較大的問題，導(dǎo)致零件尺寸不合格或零件加工無法正常進(jìn)行。

3 工藝措施

通過對大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓加工難點(diǎn)的分析，采取以下工藝措施來保證大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋的滾壓加工要求。

根據(jù)大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓過程中滾壓力較大的情況，在螺栓毛坯制作過程中以零件兩端中心孔為基準(zhǔn)，車零件兩端的倒角，磨滾壓螺紋部分外圓，保證15°倒角和滾壓螺紋部分外圓同軸。從而使?jié)L絲輪在切入工件時，受力均勻且側(cè)向力較小，避免其崩裂或過快磨損。

零件定位方式采用支片支撐，保證定位系統(tǒng)能夠承受較大的滾壓力。為了防止?jié)L壓過程中零件上抬跳出的現(xiàn)象，在試加工階段根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料，通過調(diào)整支片高度使零件中心在螺紋滾壓成形后比滾絲輪中心低0～0.3mm，但實(shí)踐證明，隨著零件熱處理后抗拉強(qiáng)度的不斷提高，要求零件中心在螺紋滾壓成形后比滾絲輪中心低的越多。在滾壓圖1所示的主軸承緊固螺栓時，我們通過計算使零件在螺紋滾壓成形后的中心比滾絲輪中心低0.5mm，有效防止了零件在加工過程中出現(xiàn)的上跳問題，保證了零件加工過程平穩(wěn)、正常。

在滾壓某型主軸承緊固螺栓螺紋的調(diào)試過程中，將滾絲輪轉(zhuǎn)速由正常的25r/min降至10r/min后，螺紋滾壓過程更加穩(wěn)定。因此，在大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓時適當(dāng)降低滾輪轉(zhuǎn)速，更加有利于螺紋滾壓。

4 滾壓夾具

為了保證螺紋滾壓時零件中心與滾絲輪中心平行，在滾壓零件時，設(shè)計了可調(diào)整高度的滾壓夾具，在滾壓過程中對大規(guī)格且較長的零件進(jìn)行支撐，并在零件滾壓過程中對支架進(jìn)行調(diào)整，使零件中心與滾絲輪中心平行，并保證零件滾壓部分與支片接觸良好，防止出現(xiàn)零件上抬跳出和螺紋中徑錐度過大的現(xiàn)象，該夾具工作狀態(tài)如圖2所示。該夾具工作原理：夾具底座設(shè)計有高精度孔，與V形塊上所帶螺紋大徑選用小間隙配合，既起到V形塊的定位作用，同時還可保證V形塊沿孔中心線做上下滑動。夾具上的調(diào)節(jié)螺母如中心為普通螺紋，螺母外圓均勻鉆孔，在螺紋滾壓過程中，隨著螺紋大徑增大，零件中心上抬，這時操作人員可用調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺母，帶動滾壓支架的V形塊按照零件中心升高的高度慢慢調(diào)整，保證零件中心與支撐板支撐面平行且接觸良好。

圖2 螺紋滾壓夾具工作狀態(tài)

可調(diào)整高度的螺紋滾壓支架如圖3所示。

圖 3 可調(diào)整高度的螺紋滾壓支架

5 結(jié)束語

經(jīng)過某型柴油機(jī)主軸承緊固螺栓的滾壓加工及試驗(yàn)驗(yàn)證，以上工藝方法有效解決了螺紋滾壓過程中滾絲輪易破碎和零件滾壓過程上抬的技術(shù)難題，提高了大直徑高強(qiáng)度螺栓螺紋滾壓的加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)關(guān)重螺栓的國產(chǎn)化生產(chǎn)，對柴油機(jī)關(guān)重螺栓螺紋滾壓加工工藝技術(shù)改進(jìn)具有較大的參考和指導(dǎo)價值。