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高強度螺栓制造工藝
來源: | 作者:海峰緊固件 | 發布時間: 539天前 | 573 次浏覽 | 分享到:
在緊固件制造中,正确選用緊固件材料是重要一環,因為緊固件的性能和其材料有着密切的關系。如材料選擇不當或不正确,可能造成性能達不到要求,使用壽命縮短,甚至發生意外或加工困難,制造成本高等,因此緊固件材料的選用是非常重要的環節。冷镦鋼是采用冷镦成型工藝生産的互換性較高的緊固件用鋼。

高強度螺栓加工工藝為:熱軋盤條-(冷撥)-球化(軟化)退火-機械除鱗-酸洗-冷撥-冷鍛成形-螺紋加工-熱處理-檢驗

一,鋼材設計

在緊固件制造中,正确選用緊固件材料是重要一環,因為緊固件的性能和其材料有着密切的關系。如材料選擇不當或不正确,可能造成性能達不到要求,使用壽命縮短,甚至發生意外或加工困難,制造成本高等,因此緊固件材料的選用是非常重要的環節。冷镦鋼是采用冷镦成型工藝生産的互換性較高的緊固件用鋼。由于它是常溫下利用金屬塑性加工成型,每個零件的變形量很大,承受的變形速度也高,因此,對冷镦鋼原料的性能要求十分嚴格。在長期生産實踐和用戶使用調研的基礎上,結合GB/T6478-2001《冷镦和冷擠壓用鋼技術條件》GB/T699-1999《優質碳素結構鋼》及目标JISG3507-1991《冷镦鋼用碳素鋼盤條》的特點,以8.8級,9.8級螺栓螺釘的材料要求為例,各種化學元素的确定。 C含量過高,冷成形性能将降低;太低則無法滿足零件機械性能的要求,因此定為0.25%-0.55%。 Mn能提高鋼的滲透性,但添加過多則會強化基體組織而影響冷成形性能;在零件調質時有促進奧氏體晶粒長大的傾向,故在國際的基礎上适當提高,定為0.45%-0.80%。 Si能強化鐵素體,促使冷成形性能降低,材料延伸率下降定為Si小于等于0.30%。 S.P.為雜質元素,它們的存在會沿晶界産生偏析,導緻晶界脆化,損害鋼材的機械性能,應盡可能降低,定為P小于等于0.030%,S小于等于0.035%。 B.含硼量最大值均為0.005%,因為硼元素雖然具有顯着提高鋼材滲透性等作用,但同時會導緻鋼材脆性增加。含硼量過高,對螺栓,螺釘和螺柱這類需要良好綜合機械性能的工件是十分不利的。

二,球化(軟化)退火

沉頭螺釘,内六角圓柱頭螺栓采用冷镦工藝生産時,鋼材的原始組織會直接影響着冷镦加工時的成形能力。冷镦過程中局部區域的塑性變形可達60%-80%,為此要求鋼材必須具有良好的塑性。當鋼材的化學成分一定時,金相組織就是決定塑性優劣的關鍵性因素,通常認為粗大片狀珠光體不利于冷镦成形,而細小的球狀珠光體可顯着地提高鋼材塑性變形的能力。對高強度緊固件用量較多的中碳鋼和中碳合金鋼,在冷镦前進行球化(軟化)退火,以便獲得均勻細緻的球化珠光體,以更好地滿足實際生産需要。 對中碳鋼盤條軟化退火而言,其加熱溫度多選擇在該鋼材臨界點上下保溫,加熱溫度一般不能太高,否則會産生三次滲碳體沿晶界析出,造成冷镦開裂,而對于中碳合金鋼的盤條采用等溫球化退火,在AC1+(20-30%)加熱後,爐冷到略低于Ar1,溫度約700攝氏度等溫一段時間,然後爐冷至500攝氏度左右出爐空冷。鋼材的金相組織由粗變細,由片狀變球狀,冷镦開裂率将大大減少。 3545ML35SWRCH35K 鋼軟化退火溫度一般區域為715-735攝氏度;而SCM43540CrSCR435鋼球化退火加熱溫度一般區域為740-770攝氏度,等溫溫度680-700攝氏度。

三,剝殼除鱗

冷镦鋼盤條去除氧化鐵闆工序為剝亮,除鱗,有機械除鱗和化學酸洗兩種方法。用機械除鱗取代盤條的化學酸洗工序,既提高了生産率,又減少了環境污染。此除鱗過程包括彎曲法(普遍使用帶三角形凹槽的圓輪反複彎曲盤條),噴九法等,除鱗效果較好,但不能使殘餘鐵鱗去淨(氧化鐵皮清除率為97%),尤其是氧化鐵皮粘附性很強時,因此,機械除鱗受鐵皮厚度,結構和應力狀态的影響,使用于低強度緊固件(小于等于6.8級)用的碳鋼盤條。高強度緊固件(大于等于8.8級)用盤條在機械除鱗後,為除淨所有的氧化鐵皮,再經化學酸洗工序即複合除鱗。對低碳鋼盤條而言,機械除鱗殘留的鐵皮容易造成粒拔模不均勻磨損。當粒拔模孔由于盤條鋼絲摩擦外溫時粘附上鐵皮,使盤條鋼絲表面産生縱向粒痕,盤條鋼絲冷镦凸緣螺栓或圓柱頭螺釘時,頭部出現微裂紋的原因,95%以上是鋼絲表面在拉拔過程中産生的劃痕所引起。因此,機械除鱗法不宜用來高速拉拔。

四,拉拔

拉拔工序有兩個目的,一是改制原材料的尺寸;二是通過變形強化作用使緊固件獲得基本的機械性能,對于中碳鋼,中碳合金鋼還有一個目的,即是使盤條控冷後得到的片狀滲碳體在拉拔過程中盡可能的破解,為随後的球化(軟化)退火得到粒狀滲碳體做好準備,然而,有些廠家為降低成本,任意減少拉拔道次,過大的減面率增加了盤條鋼絲的加工硬化傾向,直接影響了盤條鋼絲的冷镦性能。如果各道次的減面率分配不合适,也會使盤條鋼絲在拉拔過程中産生扭轉裂紋,這種沿鋼絲縱向分布,周期一定的裂紋在鋼絲冷镦過程中暴露。此外,拉拔過程中如潤滑不好,也可造成冷拔盤條鋼絲有規律地出現橫裂紋。盤條鋼絲出出粒絲模口上卷同時的切線方向與拉絲模不同心,會造成拉絲模單邊孔型的磨損加劇,使内孔失圓,造成鋼絲圓周方向的拉拔變形不均勻,使鋼絲的圓度超差,在冷镦過程中鋼絲橫截面應力不均勻而影響冷镦合格率。盤條鋼絲拉拔過程中,過大的部分減面率使鋼絲的表面質量惡化,而過低的減面率卻不利于片狀滲碳體的破碎,難以獲得盡可能多的粒狀滲碳體,即滲碳體的球化率低,對鋼絲的冷镦性能極為不利,采用拉拔方式生産的棒料和盤條鋼絲,部分減面率直控制在10%-15%的範圍内。

五,冷鍛成形

通常,螺栓頭部的成形采用冷镦塑性加工,同切削加工相比,金屬纖維(金屬留線)沿産品形狀呈連續狀,中間無切斷,因而提高了産品強度,特别是機械性能優良。冷镦成形工藝包括切料與成形,分單工位單擊,雙擊冷镦和多任務位自動冷镦。一台自動冷镦機分别在幾個成型凹模裡進行沖壓,镦鍛,擠壓和縮徑等多任務位工藝。 單工位或多任務位自動冷镦機使用的原始毛坯的加工特點是由材料尺寸長5-6米的棒料或重量為1900-2000KG的盤條鋼絲的尺寸決定的,即加工工藝的特點在于冷镦成型不是采用預先切好的單件毛坯,而是采用自動冷镦機本身由棒料和盤條鋼絲切取和镦粗的(必要時)毛坯。在擠壓型腔之前,毛坯必須進行整形。通過整形可得到符合工藝要求的毛坯。在镦鍛,縮徑和正擠壓之前,毛坯不需整形。毛坯切斷後,送到镦粗整形工位。該工位可提高毛坯的質量,可使下一個工位的成型力降低15-17%,并能延長模具壽命,制造螺栓可采用多次縮徑。 1.用半封閉切料工具切割毛坯,最簡單的方法是采用套筒式切料工具;切口的角度不應大于3度;而當采用開口式切料工具時,切口的斜角可達5-7度。 2.短尺寸毛坯在由上一個工位向下一個成型工位傳遞過程中,應能翻轉180度,這樣能發揮自動冷镦機的潛力,加工結構複雜的緊固件,提高零件精度。 3.在各個成型工位上都應該裝有沖頭退料裝置,凹模均應帶有套筒式頂料裝置。 4.成型工位的數量(不包括切斷工位)一般應達到3-4個工位(特殊情況下5個以上)。 5.在有效使用期内,主滑塊導軌和工藝部件的結構都能保證沖頭和凹模的定位精度。 6.在控制選料的擋闆上必須安裝終端限位開關,必須注意镦鍛力的控制。 在自動冷镦機上制造高強度緊固件所使用的冷撥盤條鋼絲的不圓度應在直徑公差範圍内,而較為精密的緊固件,其鋼絲的不圓度則應限制在1/2直徑公差範圍内,如果鋼絲直徑達不到規定的尺寸,則零件的镦粗部分或頭部就會出現裂痕,或形成毛刺,如果直徑小于工藝所要求的尺寸,則頭部就會不完整,棱角或漲粗部分不清晰。冷镦成型所能達到的精度還同成型方法的選擇和所采用的工序有關。此外,它還取決于所用的設備的結構特點,工藝特點及其狀态,工模具精度,壽命和磨損程度。 冷镦成型和擠壓使用的高合金鋼,硬質合金模具的工作表面粗糙度不應大Ra=0.2um,這類模具工作表面的粗糙度達到Ra=0.025-0.050um時,具有最高壽命。

六,螺紋加工

螺栓螺紋一般采用冷加工,使一定直徑範圍内的螺紋坯料通過搓(滾)絲闆(模),由絲闆(滾模)壓力使螺紋成形。可獲得螺紋部分的塑性流線不被切斷,強度增加,精度高,質量均一的産品,因而被廣泛采用。為了制出最終産品的螺紋外徑,所需要的螺紋坯徑是不同的,因為它受螺紋精度,材料有無鍍層等因素限制。 滾(搓)壓螺紋是指利用塑性變形使螺紋牙成形的加工方法。它是用帶有和被加工的螺紋同樣螺距和牙形的滾壓(搓絲闆)模具,一邊擠壓圓柱形螺坯,一邊使螺坯轉動,最終将滾壓模具上的牙形轉移到螺坯上,使螺紋成形。滾(搓)壓螺紋加工的共同點是滾動轉數不必太多,如果過多,則效率低,螺紋牙表面容易産生分離現象或者亂扣現象。反之,如果轉數太少,螺紋直徑容易失圓,滾壓初期壓力異常增高,造成模具壽命縮短。滾壓螺紋常見的缺陷:螺紋部分表面裂紋或劃傷;亂扣;螺紋部分失圓。這些缺陷若大量發生,就會在加工階段被發現。如果發生的數量較少,生産過程注意不到這些缺陷就會流通到用戶,造成麻煩。因此,應歸納加工條件的關鍵問題,在生産過程控制這些關鍵因素。

七,熱處理

高強度緊固件根據技術要求都要進行調質處理。熱處理調質是為了提高緊固件的綜合機械性能,以滿足産品規定的抗拉強度值和屈強比。熱處理工藝對高強度緊固件尤其是它的内在質量有着至關重要的影響,因此,要想生産出優質的高強度緊固件,必須要有先進的熱處理技術裝備。 由于高強度螺栓生産量大,價格低廉,螺紋部分又是比較細微相對精密的結構,因此,要求熱處理設備必須具備生産能力大,自動化程度高,熱處理質量好的能力。進入20世紀90年代以來帶有保護氣氛的連續式熱處理生産線已占主導地位,震底式,網帶爐尤其适用于中小規格緊固件的熱處理調質。調質線除了爐子密封性能好以外,還具有先進的氣氛,溫度和工藝參數計算機控制,設備故障報警和顯示功能。高強度緊固件從上料-清洗-加熱-淬火-清洗-回火-着色到下線,全部自動控制運行,有效保證了熱處理質量。螺紋的脫碳會導緻緊固件在未達到機械性能要求的抗力時先發生脫扣,使螺紋緊固件失效,縮短使用壽命。由于原料的脫碳,如果退火不當,更會使原材料脫碳層加深。調質熱處理過程中,一般會從爐外帶進來一些氧化氣體。棒料鋼絲的鐵鏽或冷拔後盤條鋼絲表面上的殘留物,入爐加熱後也會分解,反應生成一些氧化性氣體。例如,鋼絲的表面鐵鏽,它的成分是碳酸鐵及氫氧化物,在加熱後将分解成CO2及H2O ,從而加重了脫碳。研究表明,中碳合金鋼的脫碳程度較碳鋼嚴重,而最快的脫碳溫度在700-800攝氏度之間。由于鋼絲表面的附着物在一定條件下分解化合成CO2 和H2O 的速度很快,如果連續式網帶爐爐氣控制不當,也會造成螺絲脫碳超差。高強度緊固件當采用冷镦成形時,原材料和退火的脫碳層不但仍然存在,而且被擠壓到螺紋的頂部,對于需要淬火的緊固件表面,得不到所要求的硬度,其機械性能(特别是強度和耐磨性)降低。另外,鋼絲表面脫碳,表層與内部組織不同而具有不同的膨脹系數,淬火時有可能産生表面裂紋。為此,在淬火加熱時要保護螺紋頂部不脫碳,還要對原材料已脫碳的緊固件進行适度的覆碳,把網帶爐中的保護氣氛的優勢調到和被覆碳的零件原始含碳量基本相等,使已脫碳的緊固件慢慢恢複到原來的含碳量,碳勢設定在0.42%-0.48%為宜,覆碳溫度與淬火加熱相同,不能在高溫下進行,以免晶粒粗大,影響機械性能。緊固件在調質淬火過程中可能出現的質量問題主要有:淬火态硬度不足;淬火态硬度不均;淬火變形超差;淬火開裂。現場出現的這類問題往往與原材料,淬火加熱和淬火冷卻有關,正确制訂熱處理工藝,規範生産操作過程,往往可以避免此類質量事故。

八,結語

綜上所述,影響高強度緊固件品質的工藝因素有鋼材設計,球化退火,剝殼除鱗,拉撥,冷镦成形,螺紋加工,熱處理等方面,有時則是諸種因素的疊加。我們知道,緊固件缺陷正是由于産品質量特征的波動性造成的,隻有對産品制造流程中的工藝因素準确了解,由此産生持續改進品質的巨大原動力,才能通過質量的不斷提升獲得更多的利潤和更強的競争力!

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