CN101797685A - 一种高强度螺栓的制造工艺 - Google Patents

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一种高强度(
Figure 201010141789.4_AB_0
以上)螺栓的制造工艺，包括依序如下步骤，选择合适的钢材并截取适当大小的圆柱形坯料；采用冷挤压技术使螺栓头部和杆部成型；热处理；进行杆部加工，包括粗磨和精磨；磁粉探伤；螺纹加工；表面机械强化和防腐处理。解决了现有高强度螺栓制造工艺中存在的螺栓容易产生强度不足和疲劳断裂的技术问题，是一种可提高螺栓抗拉伸疲劳强度的高强度螺栓的制造工艺。

Description

一种高强度螺栓的制造工艺
技术领域
本发明涉及一种螺栓制造工艺，具体地说是一种超高强度的螺栓制造工艺。
背景技术
螺栓是一种由头部和杆部组成的一类紧固件，通常与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。螺栓根据性能不同分为高强度螺栓和普通螺栓。中国专利文献CN1443946A中公开了一种1300MPa级以上高强度螺栓的制造工艺，它包括有下料工序、加工毛坯工序、退火工序、冷镦成型工序、车削杆部工序、调质处理工序、磨削工序、探伤工序、滚丝工序、滚压圆角工序与喷丸工序形成复合强化工序、表面处理工序和探伤工序，在所述的冷镦成型工序前的退火工序采用一次球化退火工艺。在现有技术中，磨削一般采用横磨的方式，磨削后表面呈微细的环纹状，此种磨削方式，由于只是沿一个方向磨削，使得磨削后的环纹只沿一个方向，导致了加工后的工件容易产生横向上的应力集中，抗拉伸强度不高，使工件容易产生纵向疲劳。一种用于汽车发动机汽缸盖上的螺栓，其机械性能要求级别为12.9级的高强度螺栓。现有技术按照此标准生产的螺栓，在实际装机过程中，按照设计规定的扭矩紧固时，容易产生拉伸变形、断裂的问题，导致无法正常装机。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的高强度螺栓的制造工艺中的磨削方式生产的螺栓容易产生纵向疲劳的问题，从而提出一种可提高螺栓抗拉伸疲劳强度的高强度螺栓的制造工艺。
为解决上述技术问题，本发明的高强度螺栓的制造工艺，包括依序如下步骤：
①选择合适的钢材并截取适当大小的圆柱形坯料；
②采用冷挤压技术使螺栓头部和杆部成型；
③热处理；
④进行杆部加工，过程如下：首先对杆部进行粗磨，所述粗磨方式为切入式磨削，粗磨到所述杆部直径比螺纹滚丝前的坯径稍大时进行精磨，所述精磨方式为纵向磨削，工件纵向运动将所述杆部精磨到螺纹滚丝前的坯径大小；
⑤探伤处理；
⑥螺纹加工，在所述杆部的所需部位成型出螺纹；
⑦表面机械强化和防腐处理。
所述步骤④中，所述纵向磨削为将所述杆部设置在支板上，所述杆部的两侧相切的设置导轮和砂轮，所述导轮用于带动所述杆部进给运动，所述砂轮用于对所述杆部进行磨削，所述导轮与所述砂轮所在的平面成一个角度范围1°-30°，所述导轮带动所述杆部运动绕所述杆部的轴心做圆周运动的同时沿所述杆部的轴向做纵向运动，同时所述杆部与圆周运动的所述砂轮磨削，磨削后的所述杆部表面呈微细的螺旋纹。
在所述步骤④中，对所述杆部进行粗磨时，粗磨到所述杆部坯径比螺纹滚丝前坯径大0.02mm-0.08mm时进行精磨。
在所述步骤①中，所述钢材选用中碳合金钢。
在所述步骤②中，所述冷挤压技术通过多工位冷成型工艺完成。
在所述步骤③中，所述热处理过程中的淬火温度为850℃-870℃，保温时间大于25分钟，淬火介质为快速淬火油。
在所述步骤③中，所述热处理过程中的回火温度为380℃-420℃，回火时间大于60分钟。
在所述步骤⑦中，所述表面机械强化过程包括对所述工件进行加热除油污，所述加热温度为320℃-330℃，保温1小时，在连续式网带加热炉中进行。
在所述步骤⑦中，所述表面机械强化过程还包括对所述工件表面进行抛丸处理，所述抛丸处理通过抛丸机来进行。
在所述步骤⑦中，所述防腐处理包括热水清理后进行氧化处理，所述氧化处理在氧化槽中进行，所需温度为138℃-142℃，时间为20-25分钟。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，
(1)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，采用冷挤压技术来使螺栓成型，热处理后对其杆部进行加工，通过切入式粗磨和纵向精磨的方式使其杆部磨削到螺纹滚丝前的坯径，然后加工螺纹，并对其进行表面机械强化和防腐处理，所述的精磨方式使所述杆部绕其轴心做圆周运动的同时沿其轴向做纵向运动，磨削后的表面呈微细的螺旋纹，使得所述杆部在横向和纵向上的抗拉伸强度保持一致，不会产生某一个方向上的应力集中，提高了其抗疲劳强度，此工艺生产的产品机械性能和物理性能比紧固件国家标准规定的最高级别还要高，韧性好，无脆断现象，大幅度提高了螺栓的性能。
(2)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，对所述杆部进行粗磨时，粗磨到所述杆部坯径比螺纹滚丝前坯径大0.02mm-0.08mm时进行精磨，优选值为0.05mm，这样保证粗磨和精磨的尺度，使得磨削后横向和纵向上的应力分布均匀，抗拉伸强度保持一致，保证了螺栓的抗疲劳强度。
(3)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，选用中碳合金钢作为原料，在选材上保证了螺栓的性能，是后续加工和保证螺栓强度的基础。
(4)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，通过冷挤压技术来使螺栓头部和螺杆成型，使用多工位冷成型工艺进行生产，保证了头部与杆部结合处金属流线完整，提高了生产效率，节约原料，降低了制造成本，适合于大规模生产的需要。
(5)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，通过热处理过程来进一步提高产品的强度和性能，通过控制淬火和回火的温度，来增强其内部性能，从而提高产品特性。
(6)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，表面机械强化过程中对其进行加热去除其表面的油污，避免了使用常规酸洗的方法来去除油污而导致的产品性能的减弱。
(7)本发明所述的高强度螺栓的制造工艺，表面机械强化过程还包括对所述工件表面进行的抛丸处理，使工件的表面因获得一种压应力而硬化，从而达到提高工件抗疲劳强度的目的。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本实施例所述的高强度螺栓的结构示意图；
图2是本实施例所述的高强度螺栓的制造工艺的冷挤压步骤中各中间件的结构示意图。
图3是本实施例所述的高强度螺栓的制造工艺的纵向磨削的示意图。
图中附图标记表示为：1-螺栓头部，2-杆部，3-导颈，4-螺杆，5-内12角花形倒角，6-内12角花形柱体，7-底部圆锥，8-初次预成形头部，81-头部的开放端，82-头部的末端，9-预成型的头部，91-预成型的头部的开放端，92-预成型的头部的末端，10-凹陷的圆锥，11-支板，12-导轮，13-砂轮，14-承面。
具体实施方式
图1、图2是本发明所述的高强度螺栓的制造工艺的一个具体的实施方式，以生产一种用于汽车发动机汽缸盖的螺栓为例，所述螺栓包括螺栓头部1和杆部2，所述杆部2长度约为102mm，包括长约5mm的导颈3和97mm的螺杆4，所述导颈3为直径约9.6mm的圆柱，所述螺杆4为直径约8.4mm的圆柱，所述螺栓头部1为圆柱形，直径约15mm，长度为13.5mm，其内置一个开放式腔体，所述腔体为从所述螺栓头部1的外表面向里依次为内12角花形倒角、内12角花形圆柱6和底部圆锥7，如图1所示。所述螺栓的制造工艺步骤如下：
①选择合适的钢材，此处选择中碳合金钢，然后截取适当大小的圆柱形坯料，长度约120mm，直径约9mm，如图2(a)所示。
②采用冷挤压技术使螺栓头部1和杆部2成型，所述杆部2包括导颈3和螺杆4；
③热处理；
④进行杆部2加工，过程如下：首先对螺杆4进行粗磨，所述粗磨方式为切入式磨削，粗磨到所述螺杆4坯径比螺纹滚丝前的坯径大约0.02-0.08毫米时，本实施例中优选0.05mm，此时对所述螺杆4进行精磨，所述精磨方式为纵向磨削，将所述螺杆4精磨到螺纹滚丝前的坯径大小；
⑤探伤处理；
⑥螺纹加工，在所述螺杆4的所需部位成型出螺纹；
⑦表面机械强化和防腐处理。
在本实施例中，上述步骤②中，采用冷挤压技术使得螺栓头部1和杆部2成型，冷挤压过程如下：
a)第一次冷挤压，使成型为一个初次预成型头部8和分为两段的杆部，此处保证初次预成型头部8和杆部结合处的金属流线完整，所述头部的开放端81的直径小于与所述杆部连接的的所述头部的末端82的直径，且所述头部的开放端81向所述头部的末端82平滑过渡；所述杆部分为长度相同的两段，与所述头部8相连接的一段的直径大于另一段，如图2(b)；
b)第二次冷挤压，对所述杆部2进行冷挤压，使所述导颈3和螺杆4成型，如图2(c)；
c)第三次冷挤压，将所述初次预成型头部8冷挤压成型为一个预成型的头部9，所述预成型的头部的开放端91的直径大于与导颈相连的所述预成型的头部的末端92的直径，且在所述预成型的头部的开放端91上挤压成型一个向内凹陷的圆锥10，如图2(d)，所述预成型的头部的开放端如图2(e)；
d)第四次冷挤压，使所述预成型的头部9冷挤压成型为所需的螺栓头部1，所述螺栓头部1的开放端向内凹陷形成一个开放式腔体，依次成型出内12角花形倒角5、内12角花形柱体6和底部圆锥7，如图2(f)所示，所述内12角花形柱体为由向腔体内凸起的12段圆弧形成的柱形腔体，所述螺栓头部1的开放端如图2(g)所示。
在上述冷挤压过程中，通过多工位冷成形机来实现，所述多工位冷成形机型号为CFB-84S，由上海春日公司(台资)生产，是一种以冷挤压的方式加工螺栓等紧固件的设备，具有多个工位，分别设置上述四次冷挤压使用的模具，可以自动完成上述的四次冷挤压。
在本实施例中，所述步骤③中的热处理过程，通过可控气氛热处理生产线来完成，包括如下步骤：
a)淬火，淬火温度为850℃-870℃，保温时间大于25分钟，淬火介质为快速淬火油。
b)回火，回火温度为380℃-420℃，回火时间大于60分钟。
在本实施例中，所述步骤④中，所述纵向磨削为将所述螺杆4设置在支板11上，所述螺杆4的两侧相切的设置导轮12和砂轮13，所述导轮12用于带动所述螺杆4进行运动，所述砂轮13用于对所述螺杆4进行磨削，所述导轮12与所述砂轮所在的平面成一个角度范围1°-30°，所述导轮12将所述螺杆4压向所述砂轮13作横向进给的同时，所述导轮12与所述螺杆4接触处的线速度，带动所述螺杆4做圆周运动的同时沿所述螺杆4的轴向做纵向运动，同时所述螺杆4与圆周运动的所述砂轮13磨削，如图3所示。经过粗磨和精磨后，所述螺杆4表面呈微细的螺旋纹。另外，本实施例中，此步骤的精磨之后还需要精车导颈3和承面14，所述承面14是指螺栓头部1的底部与所述导颈3垂直的底面，由于在经过热处理后，可能导致导颈3和承面14不垂直，因此通过螺杆定位来车承面14和导颈3，以保证螺杆4和承面14的垂直度，此处使用的设备为精密仪表车床，为浙江玉环生产的型号为CJ0625-A的车床。
在本实施例中，所述步骤⑤中的探伤处理为磁粉探伤，并进行退磁处理，通过磁粉探伤设备来检测工件表面是否存在裂纹，从而来提高产品的合格率。
在本实施例中，所述步骤⑥中通过半自动液压滚丝机来辗制螺纹，热处理之后，在较高硬度HRC44-47下，来滚压螺纹，从而可以很大程度上提高螺栓的强度，HRC是指洛氏硬度，是使用洛氏硬度计所测定的金属材料的硬度值。
在本实施例中，所述步骤⑦中表面机械强化和防腐处理包括如下步骤：
a)对所述工件进行加热除油，所述加热温度为320℃-330℃，保温1小时，在连续式网带加热炉中进行。
b)对所述工件表面进行抛丸处理，时间为每框40分钟，所述抛丸处理通过抛丸机来进行。
c)热水清理后进行氧化处理，所述氧化处理在氧化槽中进行，所需温度为138℃-142℃，时间为20-25分钟。
经过上述制造工艺生产的螺栓，其机械性能和物理性能指标如下所示：
Figure GSA00000056591500081
本发明所述的超高强度螺栓的制造工艺生产的螺栓，其性能指标
Figure GSA00000056591500082
Figure GSA00000056591500083
以上，机械性能和物理性能比紧固件国家标准规定的最高级别要高，其韧性好，无脆断现象，并且生产效率高，制造成本低，适合于生产的需要。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域普通技术人员来说，在上述说明基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高强度螺栓的制造工艺，其特征在于，包括依序如下步骤：
①选择合适的钢材并截取适当大小的圆柱形坯料；
②采用冷挤压技术使螺栓头部和杆部成型；
③热处理；
④进行杆部加工，过程如下：首先对杆部进行粗磨，所述粗磨方式为切入式磨削，粗磨到所述杆部直径比螺纹滚丝前的坯径稍大时进行精磨，所述精磨方式为纵向磨削，工件纵向运动将所述杆部精磨到螺纹滚丝前的坯径大小；
⑤探伤处理；
⑥螺纹加工，在所述杆部的所需部位成型出螺纹；
⑦表面机械强化和防腐处理。
2.根据权利要求1所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤④中，所述纵向磨削为将所述杆部设置在支板上，所述杆部的两侧相切的设置导轮和砂轮，所述导轮用于带动所述杆部进给运动，所述砂轮用于对所述杆部进行磨削，所述导轮与所述砂轮所在平面成一个角度范围1°-30°，所述导轮带动所述杆部运动绕所述杆部的轴心做圆周运动的同时沿所述杆部的轴向做纵向运动，同时所述杆部与圆周运动的所述砂轮磨削，磨削后的所述杆部表面呈微细的螺旋纹。
3.根据权利要求1或2所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤④中，对所述杆部进行粗磨时，粗磨到所述杆部坯径比螺纹滚丝前坯径大0.02mm-0.08mm时进行精磨。
4.根据权利要求3所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤①中，所述钢材选用中碳合金钢。
5.根据权利要求1或2或4所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤②中，所述冷挤压技术通过多工位冷成型工艺完成。
6.根据权利要求5所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤③中，所述热处理过程中的淬火温度为850℃-870℃，保温时间大于25分钟，淬火介质为快速淬火油。
7.根据权利要求1或2或4或6所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤③中，所述热处理过程中的回火温度为380℃-420℃，回火时间大于60分钟。
8.根据权利要求7所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤⑦中，所述表面机械强化过程包括对所述工件进行加热除油污，所述加热温度为320℃-330℃，保温1小时，在连续式网带加热炉中进行。
9.根据权利要求8所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤⑦中，所述表面机械强化过程还包括对所述工件表面进行抛丸处理，所述抛丸处理通过抛丸机来进行。
10.根据权利要求9所述的高强度螺栓的制造工艺，其特征在于：在所述步骤⑦中，所述防腐处理包括热水清理后进行氧化处理，所述氧化处理在氧化槽中进行，所需温度为138℃-142℃，时间为20-25分钟。
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