螺栓和螺釘是緊固件使用最多、批量也最大的外螺紋件,其最常見的加工方法一般為滾壓和切削加工。
最常用的切削加工方法是車削、銑削和套絲,其中車削螺紋是最易實(shí)現(xiàn)的且效率較高,也適用于各種材料、規(guī)格和精度緊固件的加工。
但由于切削加工是將材料的多余部分切除而獲得的螺紋牙型,加工中金屬流線被切斷(圖1所示),得到的螺紋通常強(qiáng)度都不是很高,其疲勞壽命也有限。故這種方法并不適用于批量大、性能要求高的航空航天外螺紋緊固件。
航空航天螺栓及螺釘最常用的螺紋加工方法是滾制,且大量使用于高強(qiáng)度緊固件,在相關(guān)的航空航天緊固件標(biāo)準(zhǔn)中,一般都對高強(qiáng)度螺栓明確要求螺紋進(jìn)行滾制。
其目的是使金屬材料沿螺紋牙型重新分布,金屬流線不被切斷并在牙底處具有最大密度(圖2所示),使得螺紋緊固件的抗拉能力和抗疲勞斷裂的能力大大提高。
同時(shí),滾壓螺紋也是螺紋加工中效率最高的方法之一。因而在實(shí)際生產(chǎn)中,滾壓螺紋的加工方式應(yīng)用最為廣泛。
圖1 車削螺紋金屬流線 圖2 滾制螺紋金屬流線
滾壓螺紋是一種冷作加工方法,是使金屬產(chǎn)生塑性變形而形成螺紋。它可以滾壓直徑大小不等的外螺紋,具有生產(chǎn)效率高、螺紋表面粗糙度細(xì)、螺紋強(qiáng)度和表面硬度高等特點(diǎn),能充分保證零件的力學(xué)性能,因而是緊固件和所有機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的螺紋加工方法。
與切削螺紋相比,滾壓螺紋有以下優(yōu)點(diǎn):
· 材料利用率高,緊固件采用滾壓螺紋比車削螺紋可節(jié)省10%~25% 的材料;
· 螺紋表面能獲得很細(xì)的表面粗糙度,最差時(shí)表面粗糙度也能達(dá)到Ra3.2μm。滾壓螺紋比車削螺紋平均表面粗糙度要高3個(gè)等級,表面粗糙度細(xì)化能有效提高緊固件的疲勞極限;
· 螺紋強(qiáng)度和表面硬度均有提高。當(dāng)滾壓螺紋時(shí)材料變形造成金屬晶粒產(chǎn)生滑移時(shí),金屬的纖維未被切斷并使螺紋牙型表面材質(zhì)更為致密,這種金屬流線在螺紋底部達(dá)到最密,加上冷作硬化的作用,使得滾壓螺紋的硬度及耐磨性有較大提高(圖3所示),抗拉強(qiáng)度可以提高20%~30%,疲勞強(qiáng)度可以提高20%~40%;
圖3 滾制螺紋表面硬度分布
· 經(jīng)濟(jì)效益高。滾壓螺紋基本上是自動(dòng)和半自動(dòng)化生產(chǎn),生產(chǎn)率很高,搓制小規(guī)格螺紋緊固件且自動(dòng)送料時(shí)其加工速度可達(dá)120 件/min 以上,手送料時(shí)滾絲加工最快也可達(dá)30 件/min 的效率。滾壓螺紋用的搓絲板、滾絲輪等工具使用壽命平均可達(dá)萬件以上,大批量生產(chǎn)時(shí)工具費(fèi)用很低;
· 屬于無切削加工,環(huán)境和工件易保持清潔,工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。鑒于螺紋滾壓加工的眾多優(yōu)點(diǎn),因而在能夠進(jìn)行滾壓加工的情況下,緊固件外螺紋應(yīng)盡量采用這種高效、高質(zhì)量的加工方法。
滾制螺紋最常見的兩種加工方式:
1、滾絲輪滾壓螺紋
滾絲輪是一個(gè)多線螺紋的圓柱形滾輪,一般為兩個(gè)為一副,其工作原理如圖4所示,滾絲輪的螺紋旋向與被滾壓螺紋的螺紋旋向相反,但螺紋升角相同,加工時(shí)的主要工藝參數(shù)為滾壓速度、滾絲輪的進(jìn)給速度、滾壓時(shí)間、滾壓力等。所用的刃具如圖5所示。
圖4 滾絲輪滾壓螺紋原理 圖5 滾絲輪實(shí)物圖
2、搓絲板滾壓螺紋
搓絲板滾壓螺紋的原理與滾絲輪相同,只不過所用的工具及運(yùn)動(dòng)方式不同。搓絲板由一塊靜板和一塊動(dòng)板組成一幅,其工作原理如圖6所示,加工時(shí)的主要工藝參數(shù)為滾壓速度、滾壓力等。所用的刃具如圖7所示。
圖6 搓絲板滾壓螺紋原理 圖7 搓絲板實(shí)物圖
航空航天緊固件螺紋滾壓加工的特點(diǎn):
航天緊固件常用的材料大部分為難加工材料,或有特殊性能要求。因此在滾壓這些緊固件的螺紋時(shí)需要采取某些特殊控制措施。航空航天緊固件一般有以下技術(shù)要求和特點(diǎn):
· 螺紋一般在熱處理強(qiáng)化后滾壓,以保證最終產(chǎn)品保持具有高強(qiáng)度、高抗疲勞性的金屬流線和表面強(qiáng)化效果;
· 要求具有較短和均勻過渡的螺紋首尾,以保證在有效的螺紋長度基礎(chǔ)上提高強(qiáng)度;
· 要求一次滾壓成型,防止重復(fù)滾壓可能造成的螺紋缺陷;
· 螺紋外徑在允許偏差范圍內(nèi)應(yīng)盡量小,保證以最小的滾壓變形量得到合格的螺紋,防止過渡擠壓造成內(nèi)部缺陷;
· 精度較高,一般不低于5h 級,MJ 和UNJ 螺紋中徑精度一般為4h、3A 級;
· 對于超高強(qiáng)度緊固件以及材料常溫塑性較差的緊固件,應(yīng)采用溫滾壓的加工方式進(jìn)行,以提高材料的延伸率,提高滾壓模具的壽命,降低螺紋出現(xiàn)裂紋的幾率。目前常見的溫加工方式有溫滾絲、溫搓絲。