CN1923401A - 螺纹收尾及圆顶圆底齿形滚丝轮、搓丝板 - Google Patents

Abstract

目前国内各工具厂受到生产技术水平限制，其生产的滚丝轮、搓丝板辗制高强度螺栓全都存在着应力集中、疲劳后在螺纹最后1－2扣发生断裂现象和潜在的断裂危险。滚丝轮、搓丝板在齿形设计和制造时采用本发明，为加工高强度螺栓螺纹齿形呈圆顶圆底及圆弧齿根螺纹收尾，防止螺栓疲劳断裂及延迟破坏，提供了可靠的螺纹生产工具。该螺纹齿形能有效地消除螺纹牙底、牙顶因折点所造成的应力集中而引起的螺栓断裂，对提高螺栓抗疲劳强度十分有利。螺纹齿顶呈圆弧形还可防止或减少螺纹表面因周转、装配、表面处理时而发生的机械损伤，克服电镀时尖端放电现象，使齿顶镀层着附均匀，无锯齿边和镀层剥落，提高了抗蚀能力。

Description

螺纹收尾及圆顶圆底齿形滚丝轮、搓丝板

螺纹结合具有结构简单、性能可靠、加工容易等特点，特别像螺栓、螺母一类的标准件已经成为通用的商品，它是一种普通级别的螺纹紧固件。随着现代工业技术的发展，军事工业、航天、高速轨道交通、磁悬浮高速列车、汽车、船舶、工程机械、电站动力设备、桥梁建筑、钢结构等一些重要场合的连接，乃至人体骨胳断裂的连接，这种永久性连接和固定，已不再是传统方法所生产的高强度螺栓所能胜任的。随之发展的即工业级8.8级以上的高强度螺纹异型紧固件，在各种重要螺纹连接构件上，取代了粗放型的螺栓和螺母，这种高强度螺纹异型紧固件，正成为新型发展的工业化生产的基础产业。

汽车工业的迅速发展，对高强度螺钉、螺栓承受交变、冲击载荷及抗疲劳强度的要求也相应地提高了，汽车行业使用的螺钉、螺栓的性能等级一般已达8.8级(GB38-76《螺栓技术条件》规定，8.8级系指材料抗拉强度为800N/mm²，屈服点的最小值为抗拉强度的80％，即640N/mm²)、10.9级，有的甚至达12.9级(硬度HB355-430)，高强度螺钉、螺栓的材料多采用合金钢，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。由于螺纹加工通常安排在调质热处理后进行，因此对滚丝轮、搓丝板等螺纹工具的精度、硬度、耐磨性和韧性等提出了更高的要求。目前在汽车行业引进项目中使用进口螺纹工具轧制的螺纹工件，其螺纹齿形均呈圆顶圆底和圆弧齿根螺纹收尾形状(见附图1)。如奥迪、桑塔纳轿车等速万向节传动轴上的螺纹、CKD车轮螺钉、HONDA125发动机缸盖螺栓、气门芯调节螺钉等都是使用该类螺纹工具轧制而成。

随着汽车制造业技术水平的提高，主机厂对汽车紧固件的质量标准越来越重视，汽车紧固件的生产越来越趋向于航空标准紧固件的要求，8.8级以上的高强度螺栓，螺纹收尾要求都参照执行美国H28MJ螺纹标准和国家军用标准GJB52-85，从根本上克服了螺纹受载疲劳后最后一扣断裂的现象。日本OSG公司将辗制这种螺纹要求的滚丝轮称之RR型齿形，即螺纹齿部到光杆或中径杆最后1-2扣的齿根为大于等于0.15011P圆弧齿根过渡，其目的主要是减少应力集中，有效地提高抗疲劳强度。

高强度螺栓应采用圆顶圆底齿形的螺纹及圆弧齿根螺纹收尾，能消除螺纹牙底、牙顶因折点处应力集中而引起的螺栓断裂，对提高螺栓抗疲劳强度十分有利。螺纹齿顶呈圆弧形还能有效防止螺栓在制造、表面处理、周转及装配时的磕碰损伤。尤其在对螺栓表面进行镀层处理时，虽然采用浸镀法可防止螺纹表面的机械损伤，但在大批量专业化生产中，为提高生产效率及保证镀层的均匀性，采用滚镀法更为有利，而圆弧齿顶在滚镀工序中正好可以有效防止螺纹碰伤。由于齿顶呈圆弧形状，克服了电镀时尖端放电现象，使齿顶镀层着附均匀，无锯齿边和镀层剥落，提高了抗蚀能力。此外，圆弧齿顶的采用对提高产品合格率、改善旋合性以及防止装配人员手部划伤等都有一定的作用，故越来越受到重视。国外高强度紧固件螺纹已广泛采用了圆顶圆底齿形及圆弧齿根螺纹收尾的工艺技术。

高强度螺纹紧固件的生产，螺纹工具至关重要。滚丝轮、搓丝板是标准紧固件行业加工螺钉、螺栓螺纹时常用的螺纹工具，其加工原理为冷挤压成型，它具有生产效率高、加工成本低、自动化程度高、加工出的螺纹精度及强度高、表面质量好等优点，因此得到了广泛应用。

目前国内各工具厂受到生产技术水平限制，无法达到上述要求，其生产的滚丝轮、搓丝板轧制高强度螺栓全都存在着应力集中、疲劳后在螺纹最后1-2扣发生断裂现象和潜在的断裂危险(见附图2)。由于工具的制约，我国螺纹紧固件行业的基础较差，绝大部分生产的为普通螺纹紧固件，而市场上急需的高强度螺纹异型紧固件严重短缺，供不应求，一些购货方不得不花费大量外汇进口配套，上海大众8.8级以上的高强度螺栓至今仍全部进口。

最近，上海上标集团汽车紧固件有限公司进口德国巴德杜本公司的滚丝轮、上海特强汽车紧固件有限公司进口日本OSG公司的滚丝轮均采用了这种技术，而且螺纹辗制后还采用日本CP-400轮廓仪对螺纹进行×50多截面的绘制齿形检查，从而保证了零缺陷高强度螺栓圆顶圆底的圆弧参数和螺纹最后1-2扣收尾的几何精度要求。这对我国目前生产的滚丝轮、搓丝板、丝锥等螺纹工具的齿形成型问题提出了新的课题。

本人根据上海大众、一汽集团、南汽集团标准件厂、上汽标、上海标五、上海特强、常熟英沪国际紧固件有限公司等单位要求将这一技术国产化的意向，成功研制了RR系列圆弧齿根螺纹收尾的圆顶圆底齿形高强度螺栓滚丝轮和搓丝板。供各有关厂家投入生产后都取得了显著的效果，节省了大量外汇，降低了生产成本，保证了高强度螺栓的安全性。该发明技术填补了国内空白，使我国高强度螺栓紧固件产品上了一个新台阶，为我国在螺纹工具制造技术领域达到国际先进水平作出了贡献。

一、螺纹牙底形状

国家标准GB197-81《普通螺纹公差与配合》第三节螺纹牙底形状，第10条规定：性能等级高于或等于8.8级的紧固件，其外螺纹牙底轮廓要有圆滑连接的曲线，曲线部分的半径R不应小于0.125P，其数值见表一。

表一    外螺纹最小牙底半径(Rmin)

螺距Pmm	Rminμm	螺距Pmm	Rminμm
				0.20.250.3	253138	1.251.51.75	156188219
0.350.40.45	445056	22.53	250313375
				0.50.60.7	637588	3.544.5	438500563
0.750.81	94100125	55.56	625688750

外螺纹牙底倒圆时形成的最大小径d₁max位置，是在同时与两个Rmin＝0.125P的圆弧相切的直线处。这两个圆弧必须分别通过最大实体牙型的侧面和小径圆柱面的交点，并与螺纹的最小实体侧面相切(见图3)。此时：最大削平高度＝H/4-Rmin{1-cos[π/3-arc cos(1-Td₂/4Rmin)]}+Td₂/2

最小削平高度＝0.125P≈H/7

外螺纹基本偏差处于h位置时(见附图3)，上偏差为零，此时最大实体牙型两侧与基本牙型两侧重合，最大削平高度处(即最大小径d1max处)的牙底形状为两圆弧加一直线。在最小实体牙型位置，最小削平高度处(即d1max处)的牙底形状为单一圆弧。(在实际加工中，取单圆弧对砂轮圆弧R的修整及R的测量等都较为准确和方便)。为使螺纹副旋合时内螺纹小径和外螺纹小径不发生干涉，应在H/4配合的最大实体状态下确定外螺纹牙底单圆弧的大小，即按H/4时和P/4来计算，此时圆弧仍应通过最大实体牙型的侧面和小径圆柱面的交点，当削平高度为H/6时，介于最大削平高度与最小削平高度之间，且根据标准要求R不应小于0.125P，即

       Rmin＝P/8cosα                         当P＝1.25时

       Rmin＝1.25/(8*cos30°)≈0.180mm        Rmax＝0.2825mm

(见附图4)

应注意，此处Rmin＝0.180mm为计算结果，与标准中规定的Rmin＝0.125P的R不同。在设计滚丝轮、搓丝板齿形参数和滚柱参数时，应以基本牙型为依据，根据外螺纹基本偏差和等级变化，在工艺上和滚柱上作相应调整，以达到设计的要求。

大众汽车有限公司和奥迪汽车有限公司标准中心VW126 24标准规定：齿底圆弧半径R＝H/6＝0.14434P；从有关资料显示，增大齿底圆弧半径R对提高螺栓的抗疲劳强度十分明显，航空工业上使用高强度螺栓的齿底圆弧半径则增大到R＝0.18042P(国家军用标准GJB3.2-82)《MJ螺纹、螺栓和螺母的尺寸与公差。。以下是国内外标准关于螺纹牙底圆弧的规定、计算方法及通过计算得出的M8×1.25-6g牙底圆弧R尺寸的比较：

1.国家标准GB197-81

Rmin＝0.125P  Rmin＝0.156mm

2.国家军用标准GJB3.2-82(ISO5855)

Rmin＝0.15011P  Rmin＝0.188mm

Rmax＝0.18024P  Rmax＝0.226mm

3.美国标准ANSI B1.1-82UNR牙型

Rmin＝0.10825P  Rmin＝0.135mm

Rmax＝0.14434P  Rmax＝0.180425mm

4.美国联邦标准H28(MJ螺纹相同)UNJ牙型

Rmin＝0.15011P  Rmin＝0.188mm

Rmax＝0.18024P  Rmax＝0.226mm

5.德国DIN标准：

Rmax＝0.14434P  Rmax＝0.180425mm

6.计算结果：

Rmin＝0.14434P  Rmin＝0.180425mm

Rmax＝0.226P    Rmax＝0.2825mm

GB197-81性能等级高于或等于8.8级的紧固件，其外螺纹牙底轮廓要有圆滑连接的曲线，曲线部分的半径R不应小于0.125P(见表1)，这些是与ISO/68是一致的。

UNR外螺纹的牙底轮廓应该光滑、连接、不反向轮廓，任何点处的曲率半径不得小于0.108P，并且应该同牙型侧和任何直线段成切线相接。在最大实体牙型条件下，相切点应该位于至少不低于基本大径0.625H处，最大圆弧则0.14434P。(见附图5a、附图5b)

UNJ螺纹牙底圆弧半径、齿廓应是一条连续、平滑、吻合、无退刀的曲线，没有一部分曲线有一个小于0.15011P的半径，而且曲线在不小于0.5625H深度上与螺纹牙侧相切。如果外螺纹小径在最大和最小所确定的径向范围内，齿廓可能包括切平面圆弧，它们由相切的平面在牙底处连接，齿廓必须用光学仪器检查。螺纹尾部不完整螺纹的牙底应有一个等于或大于附图6a所示的完整螺纹的最小牙底圆弧半径的过渡半径R≥0.15011P以及附图6b所示的螺纹尾部形状。它们常用的尺寸见表二。

表二    UNJ统一统一英制螺钉螺纹牙底圆弧半径极限和通端环规小径

                                        (mm)

标注		牙底圆弧半径		通端环规小径
								规格	系列	最大0.18042P	最小0.15011P	2A级		3A级
最大	最小	最大	最小
				1/4-201/4-285/16-185/16-243/8-163/8-247/16-147/16-201/2-131/2-209/16-129/16-185/8-115/8-183/4-103/4-167/8-97/8-141-81-141-1/8-71-1/8-121-1/4-71-1/4-121-3/8-61-3/8-121-1/2-61-1/2-12	UNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJFUNJCUNJF	0.2290.1630.2540.1900.2870.1900.3280.2290.3530.2290.3810.2540.4170.2540.4570.2870.5080.3280.5740.3280.6550.3810.6550.3810.7650.3810.7650.381	0.1900.1370.2110.1600.2390.1600.2720.1900.2920.1900.3180.2110.3450.2110.3810.2390.4240.2720.4780.2720.5440.3180.5440.3180.6350.3180.6350.318					5.0855.4416.5336.8787.9458.4669.3099.84210.75911.43012.18412.87813.58414.46516.53017.46519.42620.41722.25523.58924.98326.46728.15826.64230.73932.81433.91435.989	5.0725.4286.5206.8667.9308.4539.2949.83010.74411.41712.16912.86513.56914.45316.51517.45019.40820.40122.23823.57424.96626.45228.14129.62730.71932.79933.89435.974	5.1135.4666.5636.9067.9788.4949.3459.87610.79811.46312.22512.91313.62514.50116.57617.50319.47420.45722.30623.63225.03926.51328.21429.63330.80032.86333.97536.038	5.1005.4536.5516.8947.9638.4819.3299.86310.78211.45012.21012.90113.60914.48816.56117.48819.45620.44222.28823.61725.02226.49728.19729.67230.78032.84733.95536.022

MJ外螺纹的牙底与牙侧，由圆弧光滑的曲线连接，曲线任何一处的连接圆弧其半径值不得小于0.15011P，弯曲方向仅允许凹向(相对螺纹轴线而言)，该圆弧在最大实体牙型中，与牙型两侧表面相切于槽宽为5/16P处，其半径值为0.18042P，该圆弧在最小实体牙型中，当底径为最小极限尺寸d3min时，其半径值为0.15011P。该圆弧也可以由切于牙侧两圆弧和底部相连的一直线构成(见附图8a、附图8b)，具体参数见表三。

表三    MJ螺纹牙底半径极限值

P	底径
			0.15011Pmin	0.18042Pmax
	0.20.250.3	0.0300.0380.045			0.0360.0450.054
0.350.40.45			0.0530.0600.068	0.0630.0720.081
	0.50.60.7	0.0750.0900.105			0.0900.1080.126
0.750.81			0.1130.1200.150	0.1350.1440.180
	1.251.51.75	0.1880.2250.263			0.2260.2710.316
22.53			0.3000.3750.450	0.3610.4510.541
	3.544.5	0.5250.6000.675			0.6310.7220.812
55.568			0.7510.8260.9011.201	0.9020.9921.0831.443

综上所述高强度螺栓螺纹齿形成型，必须在工具设计和和制造时，保证被加工的螺纹齿形、齿根圆弧和螺纹收尾符合各标准及表列的参数。螺纹收尾是指产品的倒数第一扣完整螺纹的牙底之间的过渡区，该完整螺纹的小径等于允许的最大小径，其大径等于允许的最小大径。当对牙底半径有规定时，最后一扣完整螺纹在小径处的牙底半径必须满足规定要求。(见附图7a、附图7b、附图7c、附图7d、附图7e、附图7f)

        ANSI美国螺纹标准化委员会颁布的国家标准中所涉及的各种统一螺纹的比较

螺纹识别	UN螺纹内螺纹和外螺纹	UNR螺纹仅外螺纹	UNJ螺纹内螺纹和外螺纹
				ANSI标准文件	B1.1：统一英寸制螺纹B1.2：统一英寸制螺纹的量规及其检验	B1.1：统一英寸制螺纹B1.2：统一英寸制螺纹的量规及其检验	B1.15(草案)：统一英寸制螺纹-UNJ螺纹牙型B1.2：统一英寸制螺纹的量规及其检验
外螺纹牙底	外螺纹牙底可以是平的，也可以是倒圆的	指定的倒圆牙底	指定的倒圆牙底
				外螺纹小径	外螺纹小径无公差	外螺纹小径无公差	外螺纹小径无公差
外螺纹	等级：1A级、2A级和3A级	UNR等级：1A级、2A级和3A级	UNJ的3A级外螺纹只同UNJ的内螺纹装配
				内螺纹	UN等级：1B级、2B级和3B级	标记UNR的内螺纹不存在；UNR外螺纹同UN内螺纹装配	UNJ等级：3B级(在内螺纹的牙底上无倒圆要求)

(见附图9)

二、螺纹牙顶形状

关于螺栓螺纹的齿顶圆弧尺寸与公差的确定，通过查阅《国际螺纹手册》、《螺纹标准大全》中有齿形角为60°的圆顶圆底螺纹的数种国外标准图例，发现齿形尺寸、齿顶圆弧半径尺寸与公差均无统一的标准参数，不同标准之间差异较大。

根据螺纹的互换性要求，按照国家标准GB196、GB197及有关国外标准，在确定螺纹齿顶圆弧基本参数时，同样应满足ISO965/1-80、DIN13第13部分削顶H/8的要求。经螺纹综合量规检验合格后，在互换使用时应保证不发生齿顶干涉，圆弧的尺寸及公差应与螺纹大径尺寸及公差高度一致，即圆弧的最小与最大极限尺寸与齿侧相切(见附图10)。

通过理论分析和计算，螺纹齿顶圆弧半径应取R＝0.10825P+(Td+es-Td₂)/2，通过对德国进口的CKD车轮螺钉螺纹、日本HONDA125发动机缸盖双头螺栓螺纹等紧固零件的螺纹齿顶圆弧进行检测，结果基本吻合。在设计、制造圆顶圆底齿形滚丝轮、搓丝板时，必须综合考虑多种因素，如螺纹公差带及精度要求，修整机构的计算机控制、滚压、磨削、热处理等直至产品螺纹成型，每一环节均应严格控制，从而保证产品的螺纹几何尺寸及形状误差均控制在公差带内。

高强度螺栓的螺纹齿形为圆顶圆底齿形圆弧齿根螺纹收尾，能有效地消除牙底牙顶因折点所造成的应力集中现象，提高其抗疲劳强度，防止或减少螺纹表面因周转、装配、表面处理时而发生的机械损伤。见附图11，从中可看出普通齿形滚丝轮滚压螺纹后，在齿顶表面留下了冷挤压成型过程中由于金属材料变形、位移所产生未合起的连续缝隙，双牙尖皱纹比较严重(也有称包角、包缝)。这种双牙尖皱纹的深部应力较集中，有的深达100μm左右，有的成倒树叉枝形，在齿纹顶表面留下微裂纹状态，同时齿顶两侧的折点应力也较为集中，齿顶部分由较大的塑性变形金属流动皱折组成，特别是高强度螺钉对应力十分敏感。再者，由于螺栓服役的条件较差，受环境介质的影响很大，极易在此生成腐蚀坑陷，使PH值下降，氢侵入钢中而发生延迟破坏。圆顶圆底齿形的滚丝轮滚压螺纹后，这种皱叠现象就较少，这与滚丝轮、搓丝板齿形直接有关，因为滚压螺纹时金属材料是在齿间内流动、导向、变形、成型。因此对高强度螺钉采用圆弧齿根螺纹收尾及圆顶圆底齿形滚丝轮和搓丝板加工有着十分重要的意义。

三、附图说明

附图1：上图为圆弧齿根螺纹收尾的螺栓；下图为圆弧齿根螺纹收尾形状的滚丝轮。

附图2：上图为螺纹收尾危险断裂处；下图为已断裂的螺栓。

附图3：图为外螺纹牙底形状。

附图4：图为螺纹牙底形状尺寸公差带。

附图5a：图为UN外螺纹的设计牙形；

附图5b：图为UNR外螺纹的设计牙形。

附图6a：图为统一标准英制螺纹UNJ螺纹牙形最大实体极限；

附图6b：图为螺纹尾部形状。

附图7a：图为不完整螺纹，标准尺寸外径杆型紧固件；

附图7b：图为不完整螺纹，中径杆型紧固件；

附图7c：图为标准尺寸外径杆型紧固件，带凸肩螺栓；

附图7d：图为加大杆型紧固件；

附图7e：图为螺纹到头的外径杆型紧固件；

附图7f：图为螺纹到头的中径杆型紧固件。

附图8a：图为最大实体状态的MJ外螺纹设计牙形；

附图8b：图为公差带位置h时，MJ外螺纹的上、下极限牙形。

附图9：图为ANSI BI委员会范围内的60°英寸制螺纹的定义。

附图10：图为M8×1.25-6g螺纹牙顶形状尺寸公差带。

附图11：图为普通齿形螺纹与圆顶圆底齿形螺纹电镜图的对比。

Claims (3)

1.滚丝轮、搓丝板模具齿形部分呈圆顶圆底形状，齿顶圆弧根据不同螺纹要求取半径R≥0.125P-0.180P。齿根圆弧半径 $R=0.10825P+2_{\underset{\‾}{s-\mathrm{Td}2}}^{\underset{\‾}{\mathrm{Td}+e}}.$

2.滚丝轮、搓丝板模具的螺纹倒角为圆牙倒角，Kr为25°-60°之间或圆弧曲线倒角，并在2P之内，有C型和S型。模具的倒角部分牙顶圆弧半径根据不同螺纹要求仍保持R≥0.125P-0.180P。即保证被加工的螺栓螺纹收尾大于等于1扣至2扣为圆弧齿根过渡的螺纹收尾。

3.滚丝轮、搓丝板齿形呈圆顶圆底形状及圆弧齿根螺纹收尾可有不同组合，涵盖GB197-81《普通螺纹公差与配合》螺纹标准全部规格和系列及美制统一螺纹和英制BSW时制螺纹全部规格和系列。

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