法兰螺孔螺纹加工工艺选择及其承载力的试验研究

秦新义+李翔

摘 要：对法兰螺孔螺纹4种加工工艺及工艺流程分别进行论述，然后以4种加工工艺和3种板厚为变量对100mm×100mm钢板分别进行端板攻丝螺栓抗压承载力试验，试验结果表明：挤压成型工艺综合成本最低，适用于梁柱主体结构节点法兰螺孔螺纹加工；4种加工工艺情况下的端板攻丝螺栓抗压承载力F-s曲线与钢材抗拉承载力F-s曲线类似；端板攻丝螺栓极限抗压承载力均随着试件板厚的增加而增大。这对法兰螺孔螺纹加工工艺选择及其承载力研究具有一定的参考价值。

关键词：端板攻丝 螺纹 加工工艺 试验研究

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0106-04

Abstract：Four processing technology and technological process of flange screw thread are discussed respectively. Then， four kinds of processing technology and three kinds of plate thickness are respectively used to test the compressive load capacity of end plate tapping bolts of 100mm×100mm steel plate. Experimental results show that the minimum comprehensive cost of extrusion molding process， applicable to the main structure of beam column joint of flange screw thread machining； the F-s curve of the compressive load capacity of end plate tapping bolt under four processing technology is similar to the F-s curve of steel tensile capacity； the ultimate compressive load capacity of end plate tapping bolt increases with the increase of specimen thickness. This has certain reference value to the selection of flange screw thread processing technology and its bearing capacity.

Key Words：End plate tapping； Screw thread； Processing technology； Experimental study

創立于2009年的远大可建科技有限公司曾在上海世博会上1天建造6层远大世博馆，6天建造15层新方舟宾馆而轰动世界，该结构体系即为远大独创的装配式斜支撑节点钢框架结构，具有9度抗震、5倍节能、20倍净化、90%工厂制造、1%建筑垃圾等优点，由立柱、主板和斜支撑组成，利用高强螺栓将柱座和立柱、斜撑和主板、斜撑和立柱通过法兰连接成一个整体，如图1所示。由于节点密集，现场施工螺栓多，相对于传统法兰连接，柱座法兰连接的高强螺母以法兰螺孔内攻丝代替，本文主要研究法兰螺孔内螺纹加工工艺选择及相应的抗压承载力研究，为装配式斜支撑节点连接体系研究提供相关依据。

1 法兰螺孔螺纹加工工艺

法兰螺纹是在法兰螺孔表面沿着螺旋线形成的、具有三角形断面的内螺纹。目前生产加工螺纹工艺主要有螺纹切削、螺纹淬火切削、螺纹挤压成型和热熔钻钻孔攻丝等，为了了解各工艺特性，以便为后续加工工艺选择提供判断依据，以下笔者分别对其进行论述。

1.1 螺纹切削

螺纹切削是目前螺纹加工中最常见、最经济的加工方法，一般是指有成形刀具在工件上切削螺纹，工件每转一圈，通过设定的程序使数控机床的传动链保证车刀沿工件轴向准确而均匀地移动设定距离[1]，具体切削过程如图2所示。车削螺纹刀具有成形车刀和螺纹梳刀两种。成形车刀刀具结构简单，在小批量螺纹生产中较为常见；螺纹梳刀刀具结构复杂，但生产效率高，主要在中、大批量切削细牙短螺纹中采用。螺纹切削加工工艺流程：设定数控加工程序—>校正、夹紧—>钻螺孔—>孔口倒角—>车螺纹—>检验。

1.2 螺纹淬火切削

由于钢经淬火后得到马氏体金相组织，强度、刚度和硬度显著提高，相较于螺纹切削工艺，螺纹淬火切削工艺得到的螺纹强度更高，淬火钢硬度高，普通道具难于切削，需采用更加硬度的刀具切削以获得较高精度螺纹。其加工工艺流程：锯—>热—>车—>半精车—>钳—>淬火—>车螺纹—>研孔—>磨外圆—>磨螺纹—>检验[2]。

1.3 螺纹挤压成型

在螺纹加工方法中，螺纹挤压成型工艺是最先进方法之一，主要利用挤压丝锥锥部的棱齿多次反复挤压工件而形成螺纹，主要用于加工内螺纹。由于螺纹经过挤压，故螺纹强度高，一般较普通螺纹强度高20%～30%，挤压成型的螺纹齿面光洁度及螺纹精度高[3]，该工艺目前已得到了很好的推广和应用。挤压所用的丝锥形状如图3所示，其加工工艺流程：下料—>钻孔—>工件端面精磨—>清洗表面—>螺纹挤压—>检验。

1.4 热熔钻钻孔攻丝

热熔钻钻孔攻丝工艺是一种高温无屑成型、摩擦热熔钻加工工艺，主要利用碳化钨钻头在工件表面高速回转并施以一定的轴向压力，钻头头部与工件表面剧烈摩擦，产生高达650℃～750℃的高温，使与钻头头部接触的局部区域升温变红并迅速软化，随着向下的轴力和进尺增加，钻头头部锥面与工件的接触面积增大，发热量进一步增多，钻孔区温度进一步升高，变红区域扩大，并在钻孔对侧产生堆积层，使得局部工件厚度增加，钻完孔后立即使用挤压丝锥攻丝。该工艺改变了传统钻孔模式，使得在短短几秒即可完成钻孔攻丝，螺纹的结构稳定性好、精度高，加工螺纹生产效率高，但单台设备造价高昂，其加工工艺流程如图4所示，下料—>钻孔—>增加轴力—>提钻—>清洗表面—>丝锥攻丝—>检验。endprint

2 法兰螺孔螺纹承载力试验概况

2.1 试验装置

试验主要是用法兰螺孔内攻丝取代高强螺母，研究在螺栓直径一定的情况下，不同试件钢板厚度和不同螺孔螺纹加工工艺对螺栓抗压承载力的影响程度。本次试验采用YAW-5000F型压力机（最大试验力5000kN），试验装置示意如图5所示。为了保证下部螺栓偏斜挠曲，专门设置了采用锰钢制作的卡托，孔径φ22。

2.2 试件概况

试件采用100mm×100mm Q345钢板，厚度分别为6、8、10mm，螺栓采用10.9S M20高强螺栓，试件实物如图6所示，试件分组如表1所示。

2.3 试验过程及方法

（1）试件及卡托的安放：将卡托置于压力机平台中心，并将拧好螺栓的试件竖直放入卡托，放平、放正，务必使螺栓不接触卡托孔壁。

（2）试验控制：根据《金属材料拉伸试验室温试验方法》规定，采用应力速率控制法，应变速率控制在0.008s-1以内，在试验前先进场预压，预压荷载取5～10kN。

（3）试验操作：加载压力，使试件抗压承载力峰值曲线下跌45%左右，试验终止，电脑自动记录试件抗压承载力和变形随时间变化数据。

3 试验结果与分析

3.1 不同加工工艺螺栓加载力学特征及破坏形态

（1）4种加工工艺情况下的端板攻丝螺栓抗压承载力F-s曲线与钢材抗拉承载力F-s曲线类似，均为弹性变形阶段、屈曲变形阶段、强化变形阶段和破坏阶段。以下选取10mm试件在不同加工工艺情况下的抗压承载力曲线进行分析说明加载破坏过程中的异同点，如图7所示。

从图7中可知，在荷载加载初期，在预压荷载作用下，有“咯咯咯”的响声，初期变形约为0.9～1.9mm；随着加载荷载的逐渐增加，试件进入弹性阶段，弹性变形幅度较小，其中淬火切削工艺变化幅度为0.9～1.2mm，其他3种工艺变化幅度为1.9～2.6mm，4种加工工艺在弹性阶段F-s曲线斜率均相似；随后进入屈曲阶段，屈曲路径淬火切削工艺为1.2～4.2mm，其他3种工艺变化幅度为2.6～6.3mm；而强化变形阶段路径最长，期间也存在一定的“吱吱”响声，在变形位移不断增长的情况下，抗压承载力逐步成比例增加，变化位移范围达到4.2～18.5mm，约占整个位移量的60%以上。根据试验结果，4种加工工艺屈强比为14.3%～36.8%，变化规律为螺纹切削>淬火切削>挤压成型>热熔钻，说明端板攻丝在强化阶段具有一定的塑形变形能力；随后变形曲线急剧下降，变形时间短，并爆发一阵“啪”巨响，承载力陡降，螺栓脱扣或挠曲破坏。

3.2 不同加工工艺螺栓抗压承载力

如图8所示，不同板厚及加工工艺情况下，端板攻丝螺栓极限抗压承载力均随着试件板厚的增加而增大，除热熔钻攻丝工艺斜率较大外，其他3种斜率基本相同，反映出板厚的变化与极限抗压承载力存在一定的线性比例关系。在相同板厚条件下，不同加工工艺极限抗压承载力变化规律为：螺纹切削<淬火切削<挤压成型<热熔钻，其中淬火切削相对螺纹切削增加约21.69%～47.51%，挤压成型相对淬火切削增加约5.51%～12.73%，热熔钻相对挤压成型增加约50.83%～56.28%，且随着板厚的增加增长幅度趋于缓和。目前比较常见的加工工艺为螺纹切削和挤压成型，挤压成型相较螺纹切削极限抗压承载力增加28.40%～66.30%，可见挤压成型加工螺纹的抗压承载力大大优于螺纹切削工艺，而且螺纹经过挤压后表面更加光滑，有效地降低了螺栓与螺纹间的应力集中现象。挤压成型与淬火切削加工螺纹的抗压承载力相差幅值较小，但淬火切削加工工序多，工艺也较复杂，综合成本也大于挤压成型。热熔钻加工螺纹的极限抗压承载力最大，但其工艺在4种中也是最复杂的，钻完一个孔后需立即进行挤压丝锥攻丝，国内这种加工设备造价高，不可能大批量采购此类设备，如用于住宅产业化及大规模钻孔，必将严重影响钢结构法兰节点螺孔螺纹加工速度。

综上所述，挤压成型加工工艺无论从造价成本、经济适用性，还是住宅产业化方面均具有一定的优势，建议在梁柱主体结构节点螺孔螺纹优选挤压成型工艺；考虑到产业化成本，建议其他一般或辅助连接节点螺孔螺纹优选螺纹切削工艺。图8为不同板厚及加工工艺端板攻丝螺栓极限抗压承载力曲线。

4 结论

（1）螺纹切削工艺简单，适用于一般或辅助连接节点法兰螺孔螺纹加工；挤压成型工艺综合成本最低，适用于梁柱主体结构节点法兰螺孔螺纹加工。

（2）4种加工工艺情况下的端板攻丝螺栓抗压承载力F-s曲线与钢材抗拉承载力F-s曲线类似，均为弹性变形阶段、屈曲变形阶段、强化变形阶段和破坏阶段，但又有所不同，主要表现在强化变形阶段，强化变形位移值约占整个位移变形量的60%以上。

（3）端板攻丝螺纹试件除热熔钻工艺为挠曲破坏外，其余均为脱扣破坏。

（4）端板攻丝螺栓极限抗压承载力均随着试件板厚的增加而增大，不同加工工艺极限抗压承载力变化规律为：螺纹切削<淬火切削<挤压成型<热熔钻。

参考文献

[1] 梅艳波.螺纹加工方法研究[J].长江大学学报：自然科学版，2009，6（1）：279-280.

[2] 赵引良.切削淬火钢的刀具及其参数选择[J].機械管理开发，2005（3）：34-35.

[3] 张伯良.螺纹挤压加工[J].内燃机，1998（1）：10-13.

[4] 陈阿海.不锈钢热熔钻与拉铆螺母对比工艺研究[J].技术与市场，2016，23（2）：24-26.endprint