螺栓、螺絲制作工藝及汽車用螺栓的發(fā)展方向

2016-10-18 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

螺栓、螺絲是最基本的機(jī)械部件,廣泛應(yīng)用于汽車、產(chǎn)業(yè)機(jī)械和建設(shè)等各種產(chǎn)業(yè)。與焊接和鉚接不同,螺栓的最大特征是即使在緊固后也能簡(jiǎn)單卸下,可以通過再緊固再利用。

制作工藝

螺栓的制作材料一般是盤卷狀的線材,經(jīng)酸洗、潤(rùn)滑、退火和拉絲等二次加工后,采用冷鍛壓法對(duì)螺栓的螺頭和螺紋進(jìn)行成形加工、熱處理和表面處理。因產(chǎn)品種類的不同,有的需在螺紋部成形前進(jìn)行熱處理,有的無需進(jìn)行熱處理或表面處理。二次加工一般是由專業(yè)處理人員進(jìn)行處理,但有時(shí)是在螺栓制作廠內(nèi)進(jìn)行處理。

1.1 螺頭部的成形

一般把使用頂鐓機(jī)或頂桿機(jī)之類的鍛壓機(jī)械對(duì)螺栓頭部進(jìn)行冷鍛壓成形的工序稱為“頂鐓加工”。所謂冷鍛壓,就是在常溫下進(jìn)行加工,它是與坯料加熱后的溫加工和熱加工相對(duì)的稱法。

鍛壓的過程就是將盤卷狀的鋼材剪切成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度,用幾個(gè)鍛模裝置對(duì)材料進(jìn)行鍛壓。鍛壓包括鐓鍛、深沖、反向擠壓、修整等4個(gè)工序。鐓鍛就是把材料從一端擠死,使其膨脹到比原來直徑大的加工;深沖則相反,就是把材料從一端擠死,使其縮小到比原來直徑小的加工;反向擠壓就是從材料的端面向比材料直徑小的鍛模內(nèi)擠壓,使材料一邊向外擠出,一邊穿孔的加工;修整就是用鍛模把多余的厚度去掉的加工。根據(jù)加工產(chǎn)品的形狀,可以將這些加工法分開使用,或組合使用進(jìn)行成形。產(chǎn)品的形狀越復(fù)雜,就越需要增加加工的工序,慢慢進(jìn)行成形加工,但普通螺栓只需2-5個(gè)加工工序就可加工成形。

1.2 螺紋部的成形加工

在螺栓的螺紋成形工序中使用滾軋成形機(jī)對(duì)螺紋進(jìn)行冷鍛壓成形,成形方法與螺栓頭部的成形方法相同。

螺紋形狀的加工是將坯料放在2個(gè)1組的鍛模之間進(jìn)行夾持,一面轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)鍛模中的一個(gè)鍛模,一面使坯料旋轉(zhuǎn),通過塑性加工變成螺紋形狀。用于螺紋成形的鍛模被稱作“滾軋成形模”。

滾軋成形機(jī)有平鍛模滾軋成形機(jī)、圓鍛模滾軋成形機(jī)和行星式滾軋成形機(jī)3種。平鍛模滾軋成形機(jī)裝有兩塊普通的滾軋成形鍛模,將一方固定,讓另一方前后移動(dòng)對(duì)坯料進(jìn)行滾軋成形。圓鍛模滾軋成形機(jī)將平行安裝的兩個(gè)圓筒形滾軋成形鍛模沿相同方向旋轉(zhuǎn),對(duì)夾在兩個(gè)鍛模之間的坯料進(jìn)行滾軋成形。行星式滾軋成形機(jī)的加工方法是將坯料夾在圓筒形鍛模和扇形鍛模之間,通過旋轉(zhuǎn)圓筒形鍛模進(jìn)行滾軋成形。

1.3 熱處理

冷鍛壓成形的螺栓一般使用硬度適合塑性加工的材料來制作。碳含量高的材料或添加合金元素的材料由于自身材質(zhì)硬,不容易加工,因此有的需要通過退火處理使材質(zhì)變軟。大部分材質(zhì)在冷鍛壓的情況下并不能滿足所要求的強(qiáng)度。熱處理就是在冷鍛壓后進(jìn)行的處理,它可以使螺栓具有所要求的強(qiáng)度和力學(xué)性能,是螺栓制作工序中最重要的工序。

螺栓按照使用部位和用途可以分為各種強(qiáng)度等級(jí)。為使成形后的螺栓具有各自所要求的力學(xué)性能,需要進(jìn)行熱處理。

1.4 表面處理

用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的螺栓由于常常粘附著潤(rùn)滑油,因此即使不進(jìn)行表面處理,也不會(huì)生銹。但是,這種螺栓僅僅是很小一部分,大部分螺栓是在腐蝕環(huán)境下使用,因此如果不進(jìn)行表面處理,很快就會(huì)生銹。生銹的螺栓如果就此放置,腐蝕后就會(huì)無法螺開,嚴(yán)重時(shí)螺栓會(huì)發(fā)生折斷釀成大的事故。因此,在腐蝕環(huán)境下使用的螺栓需要進(jìn)行電鍍等表面處理。

螺栓的表面處理大致可分為電鍍和涂敷兩種。最廣泛使用的是電鍍法,它具有成本低、耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)。在耐蝕性要求比電鍍高的情況下,可以使用鍍鋅鐵和鍍鋅鎳等合金電鍍,或涂敷鋅鋁復(fù)合皮膜。

汽車用螺栓的發(fā)展動(dòng)向

近年來,汽車廠家要求降低零部件成本、輕量化和高強(qiáng)度等。同時(shí),為應(yīng)對(duì)環(huán)保問題,必須減少CO2排放,為降低燃耗,必須盡量減輕車身重量。

在螺栓的制作成本中,坯料成本占主要部分,因此最有效的辦法是降低材料本身的成本。日本各汽車廠家為降低材料的供應(yīng)成本,正在研究使用海外的廉價(jià)材料。

為滿足用戶的要求,螺栓制作廠家也進(jìn)行了各種使螺栓輕量化的研究。作為使螺栓輕量化的措施,有的使用鋁或鈦等輕金屬,有的減小螺栓尺寸。

減小螺栓尺寸,雖然可以減輕重量,但如果減小相同強(qiáng)度等級(jí)的螺栓尺寸,由于螺栓斷面積的減小,螺栓的緊固力會(huì)下降。因此,為確保相同程度的堅(jiān)固力,又減小螺栓尺寸,必須提高螺栓的強(qiáng)度。

在目前的JIS等公共標(biāo)準(zhǔn)和汽車廠家自有的標(biāo)準(zhǔn)中,只對(duì)強(qiáng)度等級(jí)在12.9以下的螺栓做出規(guī)定。普通的調(diào)質(zhì)型螺栓當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)超過12.9時(shí),遲延斷裂特性會(huì)一下子變差。在一些已使用10.9或12.9的高強(qiáng)度等級(jí)螺栓的地方,如果想通過減小尺寸來達(dá)到輕量化,就必須使用強(qiáng)度等級(jí)超過12.9的螺栓,并采用某種方法改善遲延斷裂特性。

調(diào)質(zhì)型螺栓為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度,有的通過添加合金元素來改善延遲斷裂特性。雖然添加合金元素多少可以改善延遲斷裂特性,但由于合金元素價(jià)格高,因此成本的上升是不可避免的。

另一個(gè)措施就是使用非調(diào)質(zhì)型螺栓。非調(diào)質(zhì)型螺栓就是在成形后無需進(jìn)行調(diào)質(zhì)(熱處理),主要是通過材料的加工硬化來確保強(qiáng)度。非調(diào)質(zhì)螺栓的金屬組織與調(diào)質(zhì)螺栓的完全不同,它具有很強(qiáng)的抗延遲斷裂特性。非調(diào)質(zhì)螺栓使用的是碳含量比調(diào)質(zhì)螺栓高的材料,通過在坯料階段的控制冷卻和熱處理,能獲得高的斷面收縮率,經(jīng)拉絲加工形成加工硬化后,在螺栓的成形階段進(jìn)一步的加工硬化可確保螺栓的強(qiáng)度。普通螺栓在成形后雖然沒進(jìn)行調(diào)質(zhì),但為了通過冷鍛壓來消除螺栓內(nèi)部的應(yīng)變,因此必須進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理。缺點(diǎn)是材料的硬度比調(diào)質(zhì)型的高,非常難以成形。

目前,用于發(fā)動(dòng)機(jī)的非調(diào)質(zhì)型螺栓的強(qiáng)度為1600MPa,用于車身的非調(diào)質(zhì)型螺栓的強(qiáng)度已達(dá)1400MPa?？梢灶A(yù)計(jì)今后對(duì)這種高強(qiáng)度螺栓的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。

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