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一、首先了解螺栓,簡單介紹下螺栓螺栓:

機械零件,配用螺母的圓柱形帶螺紋的緊固件。由頭部和螺桿(帶有外螺紋的圓柱體)兩部分組成的一類緊固件,需與螺母配合,用于緊固連接兩個帶有通孔的零件。

螺栓有多種類型。

按連接的受力方式分:有分普通的螺栓和有鉸制孔用的螺栓。

按頭部形狀分:有六角頭的,圓頭的,方形頭的,沉頭的等等。

按螺紋長度分為全螺紋和非全螺紋兩類。

按螺紋的牙型分為粗牙和細(xì)牙兩類,粗牙型在螺栓的標(biāo)志中不顯示。

螺栓按照性能等級分為3.6、4.8、5.6、5.8、8.8、9.8、10.9、12.9八個等級,其中8.8級以上(含8.8級)螺栓材質(zhì)為低碳合金鋼或中碳鋼并經(jīng)熱處理(淬火+回火),通稱高強度螺栓,8.8級以下(不含8.8級)通稱普通螺栓。

普通螺栓按照制作精度可分為A、B、C三個等級,A、B級為精制螺栓,C級為粗制螺栓。對于鋼結(jié)構(gòu)用連接螺栓,除特別注明外,一般為普通粗制C級螺栓。當(dāng)然還有其他異型螺栓和特殊用途螺栓, 就不再介紹了。我們通篇都以10.9級高強度螺栓為例吧,來聊聊螺栓的那些事。

二、要做好一顆螺栓,需要先設(shè)計一顆螺栓

要想做好一件東西,首先要求定義好他的特性要求,這里就是技術(shù)要求吧,怎么定義技術(shù)要求呢,其實真的挺難得,你必須知道功能要求和技術(shù)要求之間的聯(lián)系,技術(shù)要求來自于功能要求,功能要求是來自于使用者或者是使用環(huán)境的或其他外界條件的要求。功能要求分析可以采用質(zhì)量功能展開(亦稱質(zhì)量屋)技術(shù)進(jìn)行分析,這里不介紹了。

怎么才能把功能要求轉(zhuǎn)化成技術(shù)要求呢,這就需要有一定的技術(shù)積累了,舉兩個簡單的例子,你想讓螺栓的抗疲勞強度好一些,就要合理設(shè)計螺栓頭部過渡圓角、螺栓根部圓角、螺紋和螺桿過渡處,然后把這些設(shè)計好的信息反映到設(shè)計圖紙上或技術(shù)要求中。再比如,實際應(yīng)用中要求螺栓在比較惡略的腐蝕環(huán)境中長期不被腐蝕,你就需要按照腐蝕環(huán)境根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來選擇合適的表面處理或者螺栓材料來滿足應(yīng)用環(huán)境要求。

另外螺栓的性能等級,螺紋公差等級,尺寸精度等級,表面處理方法等都是設(shè)計中要考慮的因素,甚至有些工序的先后順序也需要在設(shè)計時定義好(比如滾螺紋和調(diào)質(zhì)處理,前后順序顛倒之后對螺紋的疲勞強度是有一定影響的)。

三、要使螺栓滿足應(yīng)用需要,材料需選好

其實螺栓設(shè)計時,材料就應(yīng)該已經(jīng)選好了,這里在單獨說一遍是因為作者認(rèn)為材料真的很重要,大部分螺栓都是普通碳鋼或者合金鋼,這是普通情況,而螺栓有可能用在高腐蝕性環(huán)境或者溫度變化比較大的環(huán)境中,或者極端溫度環(huán)境,那么普通碳鋼或者合金鋼就不太合適了,比如普通碳鋼材料在極端低溫情況下就會變脆,容易在毫無征兆的情況下產(chǎn)生脆斷。而如果將其應(yīng)用于高溫環(huán)境下,普通碳鋼會產(chǎn)生蠕變,即在螺紋沒有松動的情況下,螺栓的預(yù)緊力就會降低,容易產(chǎn)生松動或疲勞失效。

另外有一些螺栓還要求,高抗蠕變性能、良好的抗應(yīng)力腐蝕性能、抗氧化性能和較低的缺口敏感性。

四、設(shè)計材料準(zhǔn)備好,工藝順序很重要

螺栓是怎么制造出來的呢,一般大批量生產(chǎn)時,都是用整盤盤條,然后校直之后截斷成需要的長度的。有些工序是可以根據(jù)生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)設(shè)備布局調(diào)換順序的,但是有些工序是不能調(diào)整的,如果工序調(diào)整了就可能影響產(chǎn)品質(zhì)量,或降低產(chǎn)品性能。

工藝順序確定的一個重要的依據(jù)是在不影響產(chǎn)品性能,或者在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,使生產(chǎn)效率提高,減低生產(chǎn)成本。

哪些工藝順序調(diào)整了會影響產(chǎn)品質(zhì)量呢,比如熱處理和滾壓螺紋,如果螺栓沒有特殊的抗疲勞性能要求,熱處理后滾壓螺紋或者熱處理前滾壓螺紋都是沒有問題的,但是如果對疲勞強度要求高的話,就必須在熱處理后滾壓螺紋。

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五、鐓螺栓頭

冷鐓工藝是緊固件頭部成型的首選工藝,冷鐓工藝具有生產(chǎn)率高,材料利用率高、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量高等特點,當(dāng)鋼棒被截斷成需要的長度后,就可以鐓頭了,鐓頭可以是冷成型也可以是熱成型。一般情況下比較小的螺栓采用冷鐓成型,大的螺栓采用熱鐓成型。

鍛造成型的螺栓頭,金屬纖維連續(xù),強度高,抗疲勞性能更好。

六、熱處理

熱處理高強度螺栓的制造中的重要工序之一,其目的是提高緊固件的綜合力學(xué)性能,熱處理工藝對緊固件,特別是高強度螺栓的內(nèi)部質(zhì)量有著非常重要的影響。

隨著時代的發(fā)展,90年代以后具有保護(hù)作用的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線占據(jù)了主導(dǎo)地位。該裝置除具有優(yōu)良的密封性能外,還可通過計算機對溫度和工藝參數(shù)進(jìn)行精確控制,并具有設(shè)備故障報警和顯示功能。在淬火和回火熱處理的全過程中,爐外會產(chǎn)生一些氧化氣體。通過一系列的化學(xué)變化和高強度螺栓表面的銹蝕,高強度螺栓材料會自行脫碳。據(jù)技術(shù)人員介紹,中碳合金鋼脫碳比碳鋼脫碳嚴(yán)重,脫碳最快溫度在700~800℃之間。

脫碳是螺栓在熱護(hù)理階段需要預(yù)防的一種失效因素,脫碳會引起局部強度降低,在螺栓受力是容易產(chǎn)生微裂紋,然后發(fā)展成疲勞失效。

螺紋表面增碳會使強度增加而塑性降低,導(dǎo)致延遲裂紋或者斷裂。

煤氣控制不好,還會造成螺桿脫碳超差。在高強度螺栓冷鐓粗過程中,原材料的退火脫碳層不僅存在,而且擠壓到高強度螺栓螺紋的頂部。此時,需要淬火的高強度螺栓表面不需要預(yù)先設(shè)計的硬度,此時高強度螺栓的力學(xué)性能將大大降低。

爐氣的碳勢從廣義上來說,是指在一定溫度下,爐內(nèi)氣氛與一定含碳量的鋼件相界面上化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的爐氣狀態(tài)。爐氣的碳勢高低決定于爐氣本身的組成成分、爐氣所處的溫度以及爐內(nèi)的催化、催化劑條件等因素。對保護(hù)氣體而言,爐氣的碳勢應(yīng)與鋼件本身的含碳量相當(dāng)或略高,這樣才能使鋼件在加熱過程中不發(fā)生氧化和脫碳作用。

為了使碳勢對滲碳過程產(chǎn)生有利的綜合效果,可分段控制爐氣的碳勢,即開始階段盡可能提高碳勢,因為這時工件的吸碳能力很強,不易產(chǎn)生炭黑,碳勢高可使?jié)B層表面的濃度梯度大,有利于進(jìn)行擴散,并提高滲速。第二階段要適當(dāng)降低碳勢,因為表層已建立了較高的濃度梯度和達(dá)到了一定的滲層深度,這時工件表面的吸碳能力已開始下降,所以碳勢不宜太高,以免產(chǎn)生炭黑。第三階段是擴散時期,爐內(nèi)碳勢可進(jìn)一步降低,以使表層的碳濃度梯度和滲層深度達(dá)到工藝上的要求。

七、滾壓螺紋

滾壓螺紋之前,需要把將要滾壓螺紋的部分車削至螺紋中徑尺寸。滾壓由絲板(滾模)壓力使螺紋成形。滾壓工藝形成的螺紋優(yōu)點是螺紋部分的塑性金屬纖維流線不被切斷,因此螺栓強度增加,精度高,質(zhì)量均一,因而滾壓工藝被廣泛采用。

為了制出最終產(chǎn)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,比如 如果螺紋將來要做熱鍍鋅表面處理,在螺紋加工時就要考慮表面處理對螺紋最終尺寸的影響,在滾壓螺紋是就需要提前。

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(搓絲板)模具,一邊擠壓圓柱形螺坯,一邊使螺坯轉(zhuǎn)動,最終將滾壓模具上的牙形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)數(shù)不必太多,如果過多,則效率低,螺紋牙表面容易產(chǎn)生分離現(xiàn)象或者亂扣現(xiàn)象。反之,如果轉(zhuǎn)數(shù)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(fā)生,就會在加工階段被發(fā)現(xiàn)。如果發(fā)生的數(shù)量較少,生產(chǎn)過程注意不到這些缺陷就會流通到用戶,造成麻煩。因此,應(yīng)歸納加工條件的關(guān)鍵問題,在生產(chǎn)過程控制這些關(guān)鍵因素。

八、表面處理

用于生產(chǎn)螺栓的材料有很多,比如,碳鋼、合金鋼、以及不銹鋼。但是最常用最經(jīng)濟(jì)的材料還是碳鋼。碳鋼本身沒有防腐能力,因此需要在其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚聿拍軡M足防腐的要求。不同的表面處理方法有不同的防腐等級,并且防腐涂層的特性也各有差異,不同涂層的使用溫度也各有不同,下面介紹幾種常用的螺栓表面處理方法。

九、潤滑

不同的潤滑材料涂覆在相同的螺紋表面摩擦系數(shù)也不盡相同,即使同一種潤滑材料涂覆在不同表面處理的螺紋表面,摩擦系數(shù)也會不同。并且不同的潤滑材料適用的工作溫度也不盡相同,超出工作溫度范圍,就會失去潤滑作用。

一般油脂即可起到潤滑的作用,也具有一定的防腐效果,但是如果環(huán)境溫度高于120攝氏度,油脂就會發(fā)揮。油脂沒法應(yīng)用于真空環(huán)境中。石墨是一種很好的螺紋潤滑劑,但是石墨必須和流體介質(zhì)混合使用,石墨的工作溫度受介質(zhì)的工作溫度影響。

二硫化鉬是最常用的潤滑劑,二硫化鉬低溫減磨效果很好,當(dāng)溫度高于390℃時,就變成了三硫化物,會起到增磨的作用。以下為不同的潤滑材料與不同的螺紋表面處理匹配時,摩擦系數(shù)的可能范圍。

因此,只有設(shè)計、選材、熱處理、滾壓螺紋、表面處理、潤滑等重要工藝都做好了,才可能做出質(zhì)量好的螺栓。