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摘 要 对接螺栓根部R区属应力集中区，为提高螺栓抗疲劳强度，需要对其根部进行强化。通过对现有滚压技术的研究，利用专用滚压强化装置进行滚压实验，实现对接螺栓滚压过程的定量定性。
关键词 对接螺栓；根部R区；滚压
中图分类号：TG162 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0036-02
对接螺栓是制造业中常用的联结形式之一，如飞机制造、压力容器制造及建筑业等。对接螺栓在使用过程中要承受较大拉力，需进行抗拉试验。而根部R区属应力集中区，易在该部位发生疲劳断裂的现象，因此制造过程中要对该区域进行强化，以提高抗疲劳强度。
表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺[1]，其强化效果显著。对接螺栓根部强化常用滚压方式，但存在的问题是强化过程中不能实现“定量定性”。即对应各种规格的对接螺栓，目前没有形成对应特定的材料、表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，多依靠经验值。因此，“定量定性”为材料表面强化工艺的趋势。本文研究以强化过程“定量定性”为突破点，通过研究表面强化工艺装置，将对接螺栓根部强化和根部硬度、螺栓抗拉强度、表面粗糙度检测实验相结合，选定对接螺栓常用材料，对其根部凹R区域强化工艺方法进行研究，以提供详细的实验数据，实现对接螺栓滚压过程“定量定性”。 该研究预期提高螺栓根部R区表面粗糙度2～4级，提高螺栓抗疲劳强度30%左右。
1 技术路线及实施方案
1）试件制备。对接螺栓采用中等强度钢（30CrMnSiA）制造，其力学性能见表1所示。毛坯为锻件，滚压安排在热处理后进行，滚压前将R区按设计图纸要求数据加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般为Ra1.6μm～Ra0.8μm。试件图及工艺路线如下所示。
图1 滚压试件图
工艺路线：
下料—车—铣—钳工—滚丝—热处理（σb=1180±100 MPa）—磨削—检验（包括螺栓抗拉强度、根部R区硬度、表面粗糙度实验，记录数据，为后续滚压实验数据对比做依据。）
表1 试验材料基本力学性能[2]
屈服强度σs 抗拉强度
σb 断面伸长
率δ/% 断后收缩
率ψ/%
885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45
2）表面强化工艺装备。在表面强化工艺装置方面，由于对接螺栓头部与螺栓光杆 沿圆弧为凹R区域进行滚压的方法是在普通车床上依靠弹簧施力或者手工施力、单点滚压的方法对R区进行滚压的，该滚压方法存在的问题是自动化程度低、根部R区找正困难以及R区受力不均、受力值难以控制等，如图2、图3所示为现有滚压技术示意图及滚压加工示意图。
图2 现有滚压技术示意图
图3 现有滚压加工示意图
本研究主要从质量控制五环节中的“法”入手，设计专用夹具，利用车床三爪自动定心的原理，使被加工螺栓轴线和夹头的轴线同轴，同时夹具体上采用可调滚轮，针对不同的螺栓直径和R值对螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以实现滚压过程“定量定性”，图4、图5为本研究滚压装置及滚压示意图。
1-夹头；2-夹具体；3-导向销；4-键槽；5-滚轮组件；6-夹紧套；7-螺母；8-定力扳手；9-止动螺钉；10-底座
图4 本研究滚压装置
图5 本研究滚压示意图
3）确定实验方案。因对接螺栓规格较多，故实验过程选取常见规格M24进行滚压实验，以判断表面强化工艺的效果能否达到预期目标，并检验强化工艺装备能否满足强化目标。
4）通过对M24螺栓进行拉伸实验，螺栓根部R区硬度检测、R区表面粗糙度检测，以确定工艺装备设计方案及定力扳手能否能达到预期目标并收集第一阶段实验数据。
5）若实验合格，则开展其他常用规格螺栓根部R区滚压实验，确定滚压力、滚压圈数、滚压时间等定量数据。若不合格，则返回第1步，重新制定实验方案进行实验。
2 实验结果
对上述实验方案中M24螺栓进行滚压，在不同滚压力和滚压圈数情况下，得到如下实验结果。
拉伸实验：螺栓在立式钻床上滚压后，按照GB/228.1-2010制作标准试样，在WDW-300E万能试验机上进行拉伸实验；利用数显洛氏硬度计HRS-150和光切法显微镜9J进行硬度测试和表面粗糙度检测，实验数据如表2。
表2 实验数据
定力扳手力矩/kg.cm 滚压圈数 抗拉强度σb HRC 表面粗糙度Ra
400 5 1070 34 0.8
400 6 1070 34 0.8
600 7 1100 35 0.4
750 8 1231 39 0.4
800 9 1310 41 0.2
850 10 1395 43 0.1
3 结论
通过对M24滚压螺栓各实验结果分析，可以看出，利用滚压装置对对接螺栓根部在一定滚压力和滚压圈数的作用下，基本可以达到预期研究目标。项目组将该研究方法应用与其他常见规格螺栓，得出了如下结论。
表3 实验结论
螺栓规格 滚压强化R值 定力扳手力矩
/Kg.cm 滚压圈数
M8-M12 R1-R1.5 450 5-7
M12-M24 R1.5-R2 670 7-9
M24-M48 R2-R2.5 850 9-12
注：该实验结论是在立式钻床上进行实验所得数据，
表中定力扳手力矩值偏差为±10 kg.cm。
1）随着定力扳手通过滚压装置对螺栓根部R区施加压力不断增大的过程中可以发现，施加力愈大，螺栓抗拉强度及硬度值也不断增大；但增大到某一值后，残余应力趋于饱和，实验数据变化不大。
2）滚压圈数控制在5-15圈以内，期间圈数的变化对实验结果影响不大。滚压圈数超出15圈后，螺栓根部R区会产生残余压应力，不利于螺栓疲劳强度的提高。
3）随着滚压速度的增加，残余应力最大值逐渐增大，但是增加到一定程度后，会逐渐减小。本研究过程中，滚压速度应控制在60 r/min。此外，随着滚压速度的增加，残余应力层深度基本不变。然而，过快的滚压速度会导致表面产生划痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲劳强度的提高。
基金项目
银川能源学院2012年度院级科研项目，银能院发[2012]63号。
参考文献
[1]许正功，等.表面形变强化技术的研究现状[J].装备制造技术，2007（4）.
[2] GB/T3077-1999摘自合金结构刚[S].
[3]车削参数和滚挤压参数对滚轮滚挤压表面质量影响分析[J].工具技术，2007（41）.
[4]刘福超，雷丽萍，曾攀.滚压有限元模型数值模拟[J].塑性工程学报，2012（2）.
作者简介
曹凤梅（1981-），女，讲师，研究方向：机械设计制造。
关键词 对接螺栓；根部R区；滚压
中图分类号：TG162 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0036-02
对接螺栓是制造业中常用的联结形式之一，如飞机制造、压力容器制造及建筑业等。对接螺栓在使用过程中要承受较大拉力，需进行抗拉试验。而根部R区属应力集中区，易在该部位发生疲劳断裂的现象，因此制造过程中要对该区域进行强化，以提高抗疲劳强度。
表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺[1]，其强化效果显著。对接螺栓根部强化常用滚压方式，但存在的问题是强化过程中不能实现“定量定性”。即对应各种规格的对接螺栓，目前没有形成对应特定的材料、表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，多依靠经验值。因此，“定量定性”为材料表面强化工艺的趋势。本文研究以强化过程“定量定性”为突破点，通过研究表面强化工艺装置，将对接螺栓根部强化和根部硬度、螺栓抗拉强度、表面粗糙度检测实验相结合，选定对接螺栓常用材料，对其根部凹R区域强化工艺方法进行研究，以提供详细的实验数据，实现对接螺栓滚压过程“定量定性”。 该研究预期提高螺栓根部R区表面粗糙度2～4级，提高螺栓抗疲劳强度30%左右。
1 技术路线及实施方案
1）试件制备。对接螺栓采用中等强度钢（30CrMnSiA）制造，其力学性能见表1所示。毛坯为锻件，滚压安排在热处理后进行，滚压前将R区按设计图纸要求数据加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般为Ra1.6μm～Ra0.8μm。试件图及工艺路线如下所示。
图1 滚压试件图
工艺路线：
下料—车—铣—钳工—滚丝—热处理（σb=1180±100 MPa）—磨削—检验（包括螺栓抗拉强度、根部R区硬度、表面粗糙度实验，记录数据，为后续滚压实验数据对比做依据。）
表1 试验材料基本力学性能[2]
屈服强度σs 抗拉强度
σb 断面伸长
率δ/% 断后收缩
率ψ/%
885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45
2）表面强化工艺装备。在表面强化工艺装置方面，由于对接螺栓头部与螺栓光杆 沿圆弧为凹R区域进行滚压的方法是在普通车床上依靠弹簧施力或者手工施力、单点滚压的方法对R区进行滚压的，该滚压方法存在的问题是自动化程度低、根部R区找正困难以及R区受力不均、受力值难以控制等，如图2、图3所示为现有滚压技术示意图及滚压加工示意图。
图2 现有滚压技术示意图
图3 现有滚压加工示意图
本研究主要从质量控制五环节中的“法”入手，设计专用夹具，利用车床三爪自动定心的原理，使被加工螺栓轴线和夹头的轴线同轴，同时夹具体上采用可调滚轮，针对不同的螺栓直径和R值对螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以实现滚压过程“定量定性”，图4、图5为本研究滚压装置及滚压示意图。
1-夹头；2-夹具体；3-导向销；4-键槽；5-滚轮组件；6-夹紧套；7-螺母；8-定力扳手；9-止动螺钉；10-底座
图4 本研究滚压装置
图5 本研究滚压示意图
3）确定实验方案。因对接螺栓规格较多，故实验过程选取常见规格M24进行滚压实验，以判断表面强化工艺的效果能否达到预期目标，并检验强化工艺装备能否满足强化目标。
4）通过对M24螺栓进行拉伸实验，螺栓根部R区硬度检测、R区表面粗糙度检测，以确定工艺装备设计方案及定力扳手能否能达到预期目标并收集第一阶段实验数据。
5）若实验合格，则开展其他常用规格螺栓根部R区滚压实验，确定滚压力、滚压圈数、滚压时间等定量数据。若不合格，则返回第1步，重新制定实验方案进行实验。
2 实验结果
对上述实验方案中M24螺栓进行滚压，在不同滚压力和滚压圈数情况下，得到如下实验结果。
拉伸实验：螺栓在立式钻床上滚压后，按照GB/228.1-2010制作标准试样，在WDW-300E万能试验机上进行拉伸实验；利用数显洛氏硬度计HRS-150和光切法显微镜9J进行硬度测试和表面粗糙度检测，实验数据如表2。
表2 实验数据
定力扳手力矩/kg.cm 滚压圈数 抗拉强度σb HRC 表面粗糙度Ra
400 5 1070 34 0.8
400 6 1070 34 0.8
600 7 1100 35 0.4
750 8 1231 39 0.4
800 9 1310 41 0.2
850 10 1395 43 0.1
3 结论
通过对M24滚压螺栓各实验结果分析，可以看出，利用滚压装置对对接螺栓根部在一定滚压力和滚压圈数的作用下，基本可以达到预期研究目标。项目组将该研究方法应用与其他常见规格螺栓，得出了如下结论。
表3 实验结论
螺栓规格 滚压强化R值 定力扳手力矩
/Kg.cm 滚压圈数
M8-M12 R1-R1.5 450 5-7
M12-M24 R1.5-R2 670 7-9
M24-M48 R2-R2.5 850 9-12
注：该实验结论是在立式钻床上进行实验所得数据，
表中定力扳手力矩值偏差为±10 kg.cm。
1）随着定力扳手通过滚压装置对螺栓根部R区施加压力不断增大的过程中可以发现，施加力愈大，螺栓抗拉强度及硬度值也不断增大；但增大到某一值后，残余应力趋于饱和，实验数据变化不大。
2）滚压圈数控制在5-15圈以内，期间圈数的变化对实验结果影响不大。滚压圈数超出15圈后，螺栓根部R区会产生残余压应力，不利于螺栓疲劳强度的提高。
3）随着滚压速度的增加，残余应力最大值逐渐增大，但是增加到一定程度后，会逐渐减小。本研究过程中，滚压速度应控制在60 r/min。此外，随着滚压速度的增加，残余应力层深度基本不变。然而，过快的滚压速度会导致表面产生划痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲劳强度的提高。
基金项目
银川能源学院2012年度院级科研项目，银能院发[2012]63号。
参考文献
[1]许正功，等.表面形变强化技术的研究现状[J].装备制造技术，2007（4）.
[2] GB/T3077-1999摘自合金结构刚[S].
[3]车削参数和滚挤压参数对滚轮滚挤压表面质量影响分析[J].工具技术，2007（41）.
[4]刘福超，雷丽萍，曾攀.滚压有限元模型数值模拟[J].塑性工程学报，2012（2）.
作者简介
曹凤梅（1981-），女，讲师，研究方向：机械设计制造。