CN102941447B - 一种螺栓的制造加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺栓的制造加工工艺，本发明通过热墩-固溶处理-粗加工-自然失效处理-精加工和滚压加工外螺纹-表面处理-检测，这一套工艺流程来加工螺栓，其中真空失效处理提前至粗加工和精加工之间，并在热墩和粗加工之间增设了固溶处理，从而保证了在对半成品螺栓工件精加工和滚压加工外螺纹之间，使半成品螺栓工件的内部金属流线分布均匀，避免了半成品螺栓工件精加工和滚压加工外螺纹后，成品螺栓工件的内部金属流线断裂的问题，保证了成品螺栓工件的硬度和强度，进而解决了现有技术加工十二角头法兰面螺栓使其内部金属流线被切断的问题。

Description

一种螺栓的制造加工工艺

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种螺栓的制造加工工艺。

背景技术

高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓由于具备良好的联接性能，耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗振动、安装方便等特点，在飞机发动机燃烧室部位得到了广泛应用。其相关标准对高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓的形状、结构、尺寸、机械性能等都有明确的要求。由于发动机燃烧室的工作温度为650℃，这就要求燃烧室上的高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓在650℃至800℃的环境中，高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓的联接性能不失效。这就对高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓的各项机械性能提出了严格的要求：耐高温（900℃以上），耐振动（在发动机高速旋转的情况下产生巨大的振动而不失效），耐疲劳（在飞机最大航程下不维修而不失效）。同时也对高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓的选材提出了严格的要求，必须选择经过真空自耗电极重熔的耐高温INCO718材料。由于材料耐高温，螺栓头型特殊，因此标准要求高温合金INCO718十二角法兰面高强度螺栓的头部到杆部的金属流线不允许被破坏或切断，螺纹部位的金属流线连续且在螺纹牙型底部流线的密度最大，螺栓耐疲劳，这就对螺栓的制造加工提出了更加严格的要求，因此，此制造加工工艺尤为重要。而采用常规的冷镦加工方法，无法实现对高温合金INCO718材料的镦制加工；采用车铣结合的加工方法则容易将螺栓头杆结合处的金属流线切断，导致成品螺栓的疲劳寿命及抗拉强度无法达到标准规定的要求。

发明内容

本发明提出了一种螺栓的制造加工工艺，旨在解决现有技术加工十二角头法兰面螺栓使其内部金属流线被切断的问题。

本发明的螺栓的制造加工工艺的技术方案如下：

一种螺栓的制造加工工艺,包括以下步骤：

步骤一，选取基材，并通过热墩模具对基材进行墩制加工，以得到半成品螺栓工件；

步骤二，对半成品螺栓工件进行固溶处理；

步骤三，对经由步骤二加工得来的半成品螺栓工件进行外形尺寸的粗加工，并在半成品螺栓工件的头部钻设保险孔；

步骤四，对经由步骤三加工得来的半成品螺栓工件进行真空时效处理；

步骤五，对经由步骤四加工得来的半成品螺栓工件进行外形尺寸的精加工，并在半成品螺栓工件的杆部滚压加工外螺纹，以得到成品螺栓工件；

步骤六，对成品螺栓工件进行表面处理，并对成品螺栓工件的机械性能进行检测。

根据权利要求1所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述基材的材料为型号为INCO718的高温合金。

所述基材的外形的棒状。

所述步骤一中墩制加工之前，通过普通车床对基材进行车削加工。

在步骤四和步骤五之间，对成品螺栓工件的头部和杆部的过渡处进行滚压加工。

在步骤三和步骤四之间，在经由步骤四加工得来的半成品工件上进行标记加工。

所述步骤四中的真空时效处理包括以下步骤：首先，对半成品螺栓工件进行温度为718℃的回火处理，回火时间为8小时；然后将半成品螺栓工件降温至621℃，保温8小时；最后，将半成品至于氩气中冷却，氩气的气压为150至200MPa，露点为-56℃。

所述步骤四中的真空时效处理的真空炉的真空度为1×10-3Pa；炉子的泄露率为20μmHg/h。

所述步骤七中的表面处理包括以下步骤：首先，除去成品螺栓工件的油渍；然后，将成品螺栓工件晾干；最后，在成品螺栓工件的表面进行镀银处理。

步骤二和步骤三之间检测半成品螺栓工件的头部到干部的金属流线，并在在晾干与表面进行镀银处理之间，对成品螺栓工件进行探伤。

本发明通过热墩-固溶处理-粗加工-自然失效处理-精加工和滚压加工外螺纹-表面处理-检测，这一套工艺流程来加工螺栓，其中真空失效处理提前至粗加工和精加工之间，并在热墩和粗加工之间增设了固溶处理，从而保证了在对半成品螺栓工件精加工和滚压加工外螺纹之间，使半成品螺栓工件的内部金属流线分布均匀，避免了半成品螺栓工件精加工和滚压加工外螺纹后，成品螺栓工件的内部金属流线断裂的问题，保证了成品螺栓工件的硬度和强度，进而解决了现有技术加工十二角头法兰面螺栓使其内部金属流线被切断的问题。

附图说明

图1是具有保险孔的十二角头法兰面螺栓的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中十二角头法兰面螺栓的头部和杆部之间的金属流线示意图；

图4是图1中十二角头法兰面螺栓的外螺纹部分的金属流线示意图；

图5是本发明的实施例中基材的结构示意图；

图6是本发明的实施例中半成品螺栓工件的结构示意图；

图7是本发明的实施例中半成品螺栓工件经步骤四加工后的结构示意图；

图8是本发明的实施例中半成品螺栓工件经步骤五加工后的结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是本发明的实施例中半成品螺栓工件经步骤六加工后的结构示意图；

图11是本发明的实施例中半成品螺栓工件经步骤八加工后的结构示意图；

图12是本发明的实施例中成品螺栓工件的结构示意图；

图13是本发明的实施例中成品螺栓工件的头部的结构示意图。

具体实施方式

本发明的螺栓的制造加工工艺的实施例：如图1至图11所示， 包括以下步骤：

步骤一，先根据螺栓的规格及长度计算镦制该规格及长度的螺栓需要的原料（选用材料型号为INCO178的高温合金棒料）的直径和长度，根据单件螺栓用料长度将高温合金棒装入普通车床的卡爪或拉管中进行车削加工，以得到适于加工的基材；

步骤二，将车削后的高温合金棒放入热镦模具中进行墩制加工，以得到半成品螺栓工件；

步骤三，热镦后的半成品螺栓工件进行固溶处理，固溶热处理的目的是为了均化组织和降低热镦后由于局部加热和冷却造成的局部硬化和同一个螺栓各个部位硬度不均的情况。固溶热处理的工艺参数为：升温至954～982℃，并在此温度下保温1小时，然后进行油冷，或者水冷，或者通入惰性气体冷却；

步骤四，固溶处理后将镦制的半成品螺栓装夹在普通车床的拉管或卡爪中进行车削加工，也就是对半成品螺栓工件进行外形尺寸的粗加工；

步骤五，在半成品螺栓工件的头部钻出标准或图纸要求的保险孔；

步骤六，钻完孔后，将半成品螺栓工件放置在标志机的工作台上制作螺栓识别标志；

步骤七，对标志好的半成品螺栓工件进行真空时效处理；

步骤八，时效处理后将螺栓装夹在数控车床的专用工装中，进行数控车削加工，数控车削结束后，无心磨削螺栓的杆部，使其杆部直径尺寸达到滚压螺纹前的螺坯尺寸要求，也就是根据标准或图纸要求的螺栓尺寸对半成品螺栓工件进行外形尺寸的精加工；

步骤九，然后在半成品螺栓工件的杆部进行滚压螺纹加工，也就是在半成品螺栓工件的杆部滚压加工外螺纹，以得到成品螺栓工件；

步骤十，将滚压完螺纹的成品螺栓放置在滚压成品螺栓工件的头部与杆部过渡部位的圆弧；

步骤十一，对成品螺栓工件进行表面处理，也就是对滚压完工后的成品螺栓工件依次进行除油、晾干、探伤、表面镀银处理，就完成了十二角法兰面螺栓的全部加工制造过程；

步骤十二，根据加工完成的成品螺栓工件的批量，按标准要求随机抽取一定数量的螺栓，在拉力、疲劳、硬度等试验机上进行螺栓的抗拉强度、疲劳寿命及硬度等机械性能测试试验，试验合格后，出具机械性能试验报告书，将该批螺栓包装入库，即完成整批螺栓的加工和验收工作。

本发明十二角法兰面高强度螺栓制造加工工艺路线为：备料—热镦—测头部到杆部金属流线—固溶处理—粗加工—钻保险孔—标志—真空时效—测硬度及强度—数控车—无心磨—滚螺纹—测螺纹部位金属流线—滚压头下圆弧—测疲劳—除油—晾干—探伤—镀银处理—机械性能试验—包装，从而实现使得成品螺栓工件的头部和杆部之间的过渡为圆弧过渡；解决了车加工时切断了螺栓头部与杆部金属流线的问题，保证了金属流线的连续性；热镦时采用单板机控制，有效的控制了热镦时加热温度、加热时间、保温时间的技术问题，同时保证了热镦后螺栓的晶粒度尺寸完全符合标准要求，彻底解决了晶粒度尺寸无法控制的难题。

本发明对螺栓头部采用热锻加工成型，由于热镦是在加热的情况下，对螺栓进行头部变形加工，他不仅可以对冷镦状态下不能变形成型的材料进行变形成型加工，而且还可以不破坏金属流线，避免因机械切削加工将头部金属流线切断的情况发生。由于金属流线是连续的，间接的提高了螺栓受力后头部发生断裂的情况。由于高强度螺栓使用在航空航天发动机部位，因此采用的材料为耐高温的高温合金INCO 718材料，该材料无法实现冷变形加工，又由于该螺栓为十二角法兰面头型，因此为了获得良好的头部形状和稳定的质量，我们采用了热镦成型，既达到了获得头部形状的目的，又保证了头部金属流线不被切削切断。

本发明采用先固溶再时效的热处理工艺，通过真空度为1×10-3Pa，泄露率为20μmHg/h的真空炉真空处理以去除半成品螺栓工件的表面污染和氧化层。先固溶处理，有效的解决了热镦后，半成品螺栓工件的头部与杆部硬度不均匀的问题，（由于热镦时采用的是局部加热，热镦结束后螺栓头部发生局部硬化，常导致头部与杆部硬度不均匀，不一致。），时效处理主要是起强化的作用，有效的解决了螺栓的硬度和强度问题。时效工艺制度：718℃时保持8小时，随后降温至621℃，再保持8小时，然后通入氩气冷却，对氩气的要求是：压力为150～200MPa，露点为－56℃。

本发明采用先时效热处理，后冷滚压螺纹的加工工艺。由于冷作硬化作用的发生，使得螺纹得到了强度，最终反映在抗拉强度上，为螺纹的抗拉强度提高。如果先进行滚压螺纹工序，则上述三个优点均存在，当滚压螺纹结束后，进行真空时效处理后，由于时效热处理的作用，使得组织重新得到了均化，从而使硬度和强度也得到了均化和相同的提高，反映在宏观上就是零件表面的硬度的一致性，已经强化的螺纹又被重新均化。但是如果先真空时效热处理，就会先使组织在热处理作用发生均化，反映在宏观硬度上就是零件的表面硬度一致，再进行滚压螺纹工序，则由于螺栓除螺纹部位被滚压，螺纹被冷作硬化，宏观上反映为螺纹强度的提高，但螺栓别的部位并没有得到滚压，因此别的部位没有发生冷作硬化，仅是热处理后的组织和硬度。从试验数据上可以很容易的看到这个结论。

                                                

本发明对半成品螺栓工件的头部和杆部的结合处进行滚压处理，实现了对螺栓头杆结合处的二次强化，增加了螺栓的抗拉强度和疲劳寿命，解决了螺栓断裂时从头杆结合处断裂，导致整批产品被拒收的难题。冷滚压后，可以提高圆弧处的表面粗糙度，增强螺栓头下圆弧处金属流线的致密程度，有效的解决了头下圆弧粗糙度达不到标准要求的问题，同时，由于金属流线致密，可有效的提高螺栓的抗拉强度值及疲劳寿命。螺栓头下圆弧的滚压通常都是在常温状态下进行的，也就是常说的冷滚压，因此，冷滚压后的头下圆弧发生了冷作硬化，强度得到了提高，同时由于滚压使得头下圆弧部位的金属流线更加致密，两项综合作用的结果是不但提高了抗拉强度，而且提高了疲劳强度。当螺栓作抗拉和疲劳试验时，均不会从头下圆弧处理断裂。试验情况如下：

通过以上几个关键工序的控制，能有效的控制成品螺栓抗拉强度不合格，疲劳寿命达不到要求的问题，有效的解决了INCO718高温合金螺栓成型难、废品率高、交付周期长、质量不稳定、机械性能达不到标准要求等一系列技术难题。本发明在普通机床上，一般操作加工人员就可以进行操作加工，加工效率极高，既保证了尺寸精度、形状位置要求，又保证了机械性能同时满足标准规定的要求。加工工艺路线简捷、操作简便、安全，效率高。因此本发明具有制造加工工艺简捷、实用、操作简便，效率高，安全性好的优点，且加工出的成品螺栓的尺寸精度高，形位公差、机械性能均能满足设计要求，测量简便，能够使用游标卡尺和千分尺就可以完成相应的尺寸测量。

Claims (9)

1. 一种螺栓的制造加工工艺, 其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选取基材，并通过热墩模具对基材进行墩制加工，以得到半成品螺栓工件；

步骤二，对半成品螺栓工件进行能够均化组织和降低热镦后由于局部加热和冷却造成的局部硬化和同一个螺栓各个部位硬度不均的固溶处理；

步骤三，对经由步骤二加工得来的半成品螺栓工件进行外形尺寸的粗加工，并在半成品螺栓工件的头部钻设保险孔；

步骤四，对经由步骤三加工得来的半成品螺栓工件进行真空时效处理；

步骤五，对经由步骤四加工得来的半成品螺栓工件进行外形尺寸的精加工，并在半成品螺栓工件的杆部滚压加工外螺纹，以得到成品螺栓工件；

步骤六，对成品螺栓工件进行表面处理，并对成品螺栓工件的机械性能进行检测；

所述基材的材料为型号为INCO718 的高温合金；

所述螺栓为十二角法兰面螺栓。

2.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述基材的外形为棒状。

3.根据权利要求2 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述步骤一中墩制加工之前，通过普通车床对基材进行车削加工。

4.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，在步骤五和步骤六之间，对成品螺栓工件的头部和杆部的过渡处进行滚压加工。

5.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，在步骤三和步骤四之间，在经由步骤三加工得来的半成品工件上进行标记加工。

6.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述步骤四中的真空时效处理包括以下步骤：首先，对半成品螺栓工件进行温度为718℃的回火处理，回火时间为8 小时；然后将半成品螺栓工件降温至621℃，保温8 小时；最后，将半成品置于氩气中冷却，氩气的气压为150 至200MPa，露点为-56℃。

7.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述步骤四中的真空时效处理的真空炉的真空度为1×10^-3Pa ；炉子的泄漏率为20μmHg/h。

8.根据权利要求1 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，所述步骤六中的表面处理包括以下步骤：首先，除去成品螺栓工件的油渍；然后，将成品螺栓工件晾干；最后，在成品螺栓工件的表面进行镀银处理。

9.根据权利要求8 所述的螺栓的制造加工工艺，其特征在于，步骤一和步骤二之间检测半成品螺栓工件的头部到杆部的金属流线，并在在晾干与表面进行镀银处理之间，对成品螺栓工件进行探伤。