螺栓、螺絲制作工藝及汽車用螺栓的發展方向

2016-10-18 by:CAE仿真在線來源:互聯網

螺栓、螺絲是最基本的機械部件,廣泛應用于汽車、產業機械和建設等各種產業。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,經酸洗、潤滑、退火和拉絲等二次加工后,采用冷鍛壓法對螺栓的螺頭和螺紋進行成形加工、熱處理和表面處理。因產品種類的不同,有的需在螺紋部成形前進行熱處理,有的無需進行熱處理或表面處理。二次加工一般是由專業處理人員進行處理,但有時是在螺栓制作廠內進行處理。

1.1 螺頭部的成形

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

鍛壓的過程就是將盤卷狀的鋼材剪切成適當的長度,用幾個鍛模裝置對材料進行鍛壓。鍛壓包括鐓鍛、深沖、反向擠壓、修整等4個工序。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。根據加工產品的形狀,可以將這些加工法分開使用,或組合使用進行成形。產品的形狀越復雜,就越需要增加加工的工序,慢慢進行成形加工,但普通螺栓只需2-5個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對螺紋進行冷鍛壓成形,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1組的鍛模之間進行夾持,一面轉動兩個鍛模中的一個鍛模,一面使坯料旋轉,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”。

滾軋成形機有平鍛模滾軋成形機、圓鍛模滾軋成形機和行星式滾軋成形機3種。平鍛模滾軋成形機裝有兩塊普通的滾軋成形鍛模,將一方固定,讓另一方前后移動對坯料進行滾軋成形。圓鍛模滾軋成形機將平行安裝的兩個圓筒形滾軋成形鍛模沿相同方向旋轉,對夾在兩個鍛模之間的坯料進行滾軋成形。行星式滾軋成形機的加工方法是將坯料夾在圓筒形鍛模和扇形鍛模之間,通過旋轉圓筒形鍛模進行滾軋成形。

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硬,不容易加工,因此有的需要通過退火處理使材質變軟。大部分材質在冷鍛壓的情況下并不能滿足所要求的強度。熱處理就是在冷鍛壓后進行的處理,它可以使螺栓具有所要求的強度和力學性能,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度等級。為使成形后的螺栓具有各自所要求的力學性能,需要進行熱處理。

1.4 表面處理

用于汽車發動機內的螺栓由于常常粘附著潤滑油,因此即使不進行表面處理,也不會生銹。但是,這種螺栓僅僅是很小一部分,大部分螺栓是在腐蝕環境下使用,因此如果不進行表面處理,很快就會生銹。生銹的螺栓如果就此放置,腐蝕后就會無法螺開,嚴重時螺栓會發生折斷釀成大的事故。因此,在腐蝕環境下使用的螺栓需要進行電鍍等表面處理。

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、耐蝕性好的優點。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,或涂敷鋅鋁復合皮膜。

汽車用螺栓的發展動向

近年來,汽車廠家要求降低零部件成本、輕量化和高強度等。同時,為應對環保問題,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成本,正在研究使用海外的廉價材料。

為滿足用戶的要求,螺栓制作廠家也進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,但如果減小相同強度等級的螺栓尺寸,由于螺栓斷面積的減小,螺栓的緊固力會下降。因此,為確保相同程度的堅固力,又減小螺栓尺寸,必須提高螺栓的強度。

在目前的JIS等公共標準和汽車廠家自有的標準中,只對強度等級在12.9以下的螺栓做出規定。普通的調質型螺栓當強度等級超過12.9時,遲延斷裂特性會一下子變差。在一些已使用10.9或12.9的高強度等級螺栓的地方,如果想通過減小尺寸來達到輕量化,就必須使用強度等級超過12.9的螺栓,并采用某種方法改善遲延斷裂特性。

調質型螺栓為實現高強度,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,但由于合金元素價格高,因此成本的上升是不可避免的。

另一個措施就是使用非調質型螺栓。非調質型螺栓就是在成形后無需進行調質(熱處理),主要是通過材料的加工硬化來確保強度。非調質螺栓的金屬組織與調質螺栓的完全不同,它具有很強的抗延遲斷裂特性。非調質螺栓使用的是碳含量比調質螺栓高的材料,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,經拉絲加工形成加工硬化后,在螺栓的成形階段進一步的加工硬化可確保螺栓的強度。普通螺栓在成形后雖然沒進行調質,但為了通過冷鍛壓來消除螺栓內部的應變,因此必須進行發藍處理。缺點是材料的硬度比調質型的高,非常難以成形。

目前,用于發動機的非調質型螺栓的強度為1600MPa,用于車身的非調質型螺栓的強度已達1400MPa。可以預計今后對這種高強度螺栓的需求將進一步擴大。

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