基于Solidworks的高强度螺栓根部滚压强化装置设计
2021-11-07石彪曹凤梅罗通任波龙
石彪 曹凤梅 罗通 任波龙
摘要： 针对高强度螺栓根部在没有强化前使用容易发生疲劳而断裂，研究一种实现高强度螺栓根部滚压强化的工艺装置。通过对滚压强化理论和滚压强化特点分析的基础上，拟定了滚压强化方案，基于Solidworks设计了方便不同R区滚压、施力可控、操作简单的滚压强化工艺装置。
Abstract： Aiming at the problem that the root of high-strength bolt is prone to fatigue and fracture when used without strengthening， a process device for rolling strengthening of the root of high-strength bolt is studied. Based on the analysis of rolling strengthening theory and characteristics of rolling strengthening， the rolling strengthening scheme is proposed. Based on Solidworks， a rolling strengthening process device is designed which is convenient for rolling in different R zones， controllable force application and simple operation.
关键词： 螺栓;根部R区;滚压强化;滚压参数
Key words： bolt;root R region;rolling strengthening;rolling parameters
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0094-02
0 引言
高强度螺栓属于紧固件，随着制造技术的发展，广泛应用于飞机、大型发电设备、汽车、高速火车、大型船舶、大型成套设备等重要机械的连接中，反复的拆装或承受大扭矩对高强度螺栓要求极高。因此，其加工精度和表面状况的好坏，将直接影响主机的使用寿命及安全。而高度度螺栓的根部R区发生了尺寸突变，为应力集中区，极易在该部位产生裂纹甚至断裂。因此，该部位的质量控制就显得尤为重要。工程中常用高强度螺栓的材料为18Cr2Ni4W、25Cr2MoV、30CrMnSiA等高强度钢，毛坯获得方法为模锻，杆部尺寸精度不低于IT7级，表面粗糙度为Ra0.8，故制造工艺上要安排热处理后进行磨削加工并进行根部R区滚压强化，最后进行镀镉/镀锌等表面处理。滚压强化的技术原理其实就是利用滚刀对被加工的零件表面反复施加滚压力的强化方式。滚压力使工件表面产生塑性变形和压应力，从而消除载荷拉应力，使工件表面光亮平整，从而获得更高数值的疲劳强度[1]。影响滚压强化效果的工艺参数主要由滚压力、滚压次数及滚压速度，这些参数需通过强化装置对不同规格的螺栓进行实验来获取。
1 滚压强化装置
1.1 螺栓根部强化工艺 制造业中常用的某些部件连接的方式是用对接螺栓进行连接，对接螺栓的疲劳寿命的会直接影响机器的使用年限，对接螺栓的制造后需用强化的加工方式对其根部进行强化，如图1所示。
传统的强化方式是将零件装到机床上，然后采用的一个滚轮滚压施力，被加工的零件只能水平放置，结构简图如图2所示。这种滚压加工方式存在的问题是被零件不能够自动定心，加工耗时、耗人力，而且用弹簧控制滚轮施力的大小是不稳定的，操作人员操作比较困难，需要高技术的操作人员等缺点。因此设计一种能适用于钻床及其一些普通的機床就可以加工的滚压装置是必要的，并且在加工过程中要能实现被零件的自动定心找正，螺栓根部R区受力均匀可控制。这样的装置扩宽机床的使用范围，降低对工人的操作技能要求，提高加工生产的效率，节省加工所消耗的人力物力。
1.1.1 螺栓根部疲劳应力分析 螺栓根部结构图如图3所示。在滚压过程中工件的表面会产生应力集中现象[3]，这种应力是不可能避免的。如图3中曲线所示，图中是我们假设螺栓根部R区在受到滚压力时呈现的切向应力在轮廓线上各位置的的分布。从图示得知在R区？准≈45°[4]的位置，会导致螺栓发生疲劳断裂，因为这里附近的疲劳应力是最大，因此为提高螺栓的抗疲劳强度必须对根部R区的表面进行强化。
1.1.2 滚压强化技术要求 在滚压强化装置中，滚轮与被加工零件根部R区接触的工作截面，截面的角度半径在选择的时候小于零件根部R区的最小角度。根据实验得出，滚轮R一般按照工件根部R值小0.5来确定，并且保证滚压后工件件的表面粗糙度要低于0.8μm。[5]滚轮的施力方向与螺栓轴线呈45°，螺栓根部R区疲劳应力最大表面法向是这个角度。其余的要求为：①进行滚压加工时的零件可以实现自动定心找正。②加工的零件可以在夹具内转动。③滚压力的大小可控。
1.2 滚压强化工艺装置总体设计方案 以滚压强化工艺原理为基础，根据以上的设计要求，基于Solidworks软件，设计的滚压强化工艺装置总体结构如图4所示。
1.2.1 工件的定位和夹紧 因为螺栓的头部是六角形，所以夹具头的夹持部分下端是符合螺栓头部大小的六角套筒，把螺栓头部伸进六角套筒，然后用锁紧螺钉进行锁紧。这样螺栓头部被夹紧在夹具头，因为夹具头安装在钻床主轴，因此螺栓头部与钻床主轴同轴实现定位，如图5所示。然后用定力扳手转动夹紧螺母带动压紧套向上运动，这是三个滚轮贴紧螺栓根部R区，因为夹具体被固定在钻床底座，同时底座是跟钻床主轴是同轴的，所以三个滚轮对螺栓的根部实现三心定位。
1.2.2 导向装置 在夹具体上面锥面处均匀分布着三个与夹具体轴线呈45°角的斜孔，滚轮组件装入夹具体上面分布的三个斜孔中，当压紧套向上移动时，三个滚轮接近螺栓根部R区。这个过程可以实现对被加工零件部位的的自动定心和找正，其结构如图6所示。
1.2.3 夹具体 夹具体与螺母轴为螺纹配合，夹具体上面锥面处均匀分布着三个与夹具体轴线呈45°角的斜孔，滚轮组件装入夹具体上面分布的三个斜孔中。滚轮组件的底面为球面，滚轮组件底面的球面和夹紧套的内锥面内的槽紧紧的贴合，压紧套与底座紧配合。工作时，螺母轴转动使夹具体上下移动，使三组滚滚组件做向心运动或离心运动，对试件施加相应的力。通过实验可得出，每转一圈可对螺栓所施加的力的大小，从而实现对试件施加确定的力。
1.2.4 夹具滚压强化工作过程 将滚压强化装置的夹具底座安装在钻床的或加工机床的底座上，要求是夹具的中心要与机床的主轴在同一轴心上。然后把夹具头与机床的主轴进行连接锁紧，夹具头也和机床的主轴保持在同心轴上。被加工的零件头部用夹具头夹紧并用锁紧螺钉锁紧。之后用定扳手转动螺母，压紧套向上运动;三个滚轮组件在压紧套的推动下向中心运动。当三个滚轮组件的头部贴到工件的根部R区。启动机床，机床主轴转动带动夹具头，这样零件开始转动，然后扳动扳手使压紧套向上运动推动滚轮组件，滚轮对螺栓根部R区的进行滚压强化。夹具头的螺纹套的规格可以根据被加工零件大小可进行更换。
2 滚压实验
因对接螺栓规格较多，故实验过程选取常见规格M24进行滚压强化实验，以判断表面强化工艺的效果能否达到预期目标，并检验强化装置能否满足强化目标。通过对M24螺栓进行拉伸实验，螺栓根部R区硬度检测、R区表面粗糙度检测，以确定强化装置设计方案及定力扳手能否能达到预期目标并收集实验数据[6]。通过对M24螺栓滚压实验结果分析，可以看出，利用滚压强化装置对螺栓根部在一定滚压力和滚压圈数的作用下，基本可以达到预期目标。
3 结论
将上述实验方法应用与其他常见规格螺栓，得出了如表1所示结论。①随着定力扳手通过滚压装置对螺栓根部R区施加压力不断增大的过程中可以发现，施加力愈大，螺栓抗拉强度及硬度值也不断增大;但增大到某一值后，残余应力趋于饱和，实验数据变化不大。②滚压圈数控制在5-15圈以内，期间圈数的变化对实验结果影响不大。滚压圈数超出15圈后，螺栓根部R区会产生残余压应力，不利于螺栓疲劳强度的提高。③随着滚压速度的增加，残余应力最大值逐渐增大，但是增加到一定程度后，会逐渐减小。本研究过程中，滚压速度应控制在60r/min。此外，随着滚压速度的增加，残余应力层深度基本不变。然而，过快的滚压速度会导致表面产生划痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲劳强度的提高。
参考文献：
[1]周航，周旭东，周宛.金属零件表面滚压强化技术的现状与展望[J].工具技术，2009，43（12）：18-22.
[2]Majzoobi GH， Azadikhah K， Nemati J. The Effects of Deep Rolling and Shot Peening on Fretting Fatigue Resistance of Aluminum-7075-T6[J]. Materials Science and Engineering： A，2009，516（1/2）：235-247.
[3]李軍，徐政，张振纯，陈小云，张世昌，朱云明.连杆螺栓颈部圆角滚压强化技术[J].汽车工艺与材料，1997（3）.
[4]胡宁静，胡蓉蓉，胡道秋.滚压工艺国内外发展动向[J].湘潭大学自然科学学报，1994（2）：98-103.
[5]管其明，王自勤，余述凡.高强度螺栓圆角冲击滚压技术[J].航空制造工程，1998（3）.
[6]曹凤梅.对接螺栓根部强化工艺研究[J].硅谷，2014，7（10）：36-37.
