大直徑高強度螺栓螺紋滾壓方案

高博，蓋文，王青川，康二磊

1.海軍裝備部 陜西興平 713105

2.陜西柴油機重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

隨著柴油機設計強化要求不斷提高，柴油機連桿螺栓、主軸承緊固螺栓等關重螺栓的設計也在向著高強度、大直徑和大螺距的方向發展，而滾壓加工的螺紋由于其表面存在冷作壓應力，零件纖維組織較切削的螺紋更加致密，其承載能力較切削加工的螺紋更高，因此關重螺栓螺紋一般都要求滾壓加工。而螺紋滾壓過程中零件強度越高、伸長率越小，螺紋滾壓難度就越大，容易出現滾絲輪碎裂的現象，螺紋加工精度不易控制。同時由于高強度螺栓滾壓力較大，利用中心孔定位加工容易造成中心孔的損壞和頂尖的破損，因此通常采用支撐板定位的方法進行加工。而滾壓過程中隨著螺紋逐漸成形，滾壓部分外圓直徑逐漸加大，大直徑關重螺栓由于其自重較大，所以在滾壓力不足以帶動零件中心整體自動定心的情況下，就會出現零件中心與機床主軸不平行的情況，導致零件滾壓過程出現上跳或螺紋亂扣、零件中徑錐度較大的情況。因此，需要對大直徑高強度螺紋滾壓工藝技術進行研究，解決此類零件的加工問題。

2 大直徑高強度螺栓技術要求及滾壓難點分析

（1）大直徑高強度螺栓技術要求 柴油機關重螺栓主要指柴油機一些關鍵部位的聯接螺栓，主要包括柴油機連桿螺栓、平衡重螺栓和活塞頭螺栓等。為滿足不斷發展的設計要求，此類零件的設計強度要求不斷提高，強度等級普遍達到甚至超過12.9級，硬度達到42HRC。螺紋要求熱處理后滾壓加工，同時螺紋規格、螺距不斷增加，達到M78及以上，螺距也相應增加到4mm，導致螺紋滾壓力增加，加工難度加大。

以某型柴油機主軸承緊固螺栓（見圖1）為例，其技術要求如下：該零件材料為34CrNiMo6，熱處理后抗拉強度Rm≥11 0 0 M P a，屈服強度Rp0.2≥940MPa，硬度在35～40HRC，力學性能要求很高，螺紋規格為M78×4-6g，螺紋牙底圓角半徑要求在0.5～0.576mm，滾壓力計算下來數值較大，加工難度較高，對滾絲輪、滾壓設備和定位夾具要求很高。

圖1 某型柴油機主軸承緊固螺栓結構

（2）滾壓難點分析 滾絲輪是螺紋滾壓工具，最適宜加工的硬度為28～32HRC，如果零件硬度超過35HRC，則滾絲輪磨損速度會大大增加，當強度過高時會出現滾絲輪崩刃或碎裂的現象。滾絲輪磨損后也會造成螺紋精度和螺紋牙底半徑超差，滾絲輪無法正常使用。而目前關重螺栓的設計強度普遍達到1300MPa，硬度一般為39HRC，最高可達到42HRC，遠超螺紋滾壓的適宜強度，極易造成滾絲輪破損。

在螺紋滾壓過程中，滾壓力大小與被滾壓螺紋的直徑、強度有很大關系，被滾壓螺紋直徑越大、強度越高，相應的滾壓力就越大，在大滾壓力作用下如果零件中心偏斜或加工參數選取不當，則很容易發生滾絲輪崩齒、零件上跳及螺紋中徑錐度過大的情況。在大直徑高強度螺栓螺紋滾壓過程中，由于滾壓力過大易掰斷頂尖，因此一般用支片定位。由于滾壓過程中零件外徑加大，導致零件中心不易保持水平，所以易造成零件上抬及螺紋中徑錐度較大的問題，導致零件尺寸不合格或零件加工無法正常進行。

3 工藝措施

通過對大直徑高強度螺栓螺紋滾壓加工難點的分析，采取以下工藝措施來保證大直徑高強度螺栓螺紋的滾壓加工要求。

根據大直徑高強度螺栓螺紋滾壓過程中滾壓力較大的情況，在螺栓毛坯制作過程中以零件兩端中心孔為基準，車零件兩端的倒角，磨滾壓螺紋部分外圓，保證15°倒角和滾壓螺紋部分外圓同軸。從而使滾絲輪在切入工件時，受力均勻且側向力較小，避免其崩裂或過快磨損。

零件定位方式采用支片支撐，保證定位系統能夠承受較大的滾壓力。為了防止滾壓過程中零件上抬跳出的現象，在試加工階段根據經驗和相關資料，通過調整支片高度使零件中心在螺紋滾壓成形后比滾絲輪中心低0～0.3mm，但實踐證明，隨著零件熱處理后抗拉強度的不斷提高，要求零件中心在螺紋滾壓成形后比滾絲輪中心低的越多。在滾壓圖1所示的主軸承緊固螺栓時，我們通過計算使零件在螺紋滾壓成形后的中心比滾絲輪中心低0.5mm，有效防止了零件在加工過程中出現的上跳問題，保證了零件加工過程平穩、正常。

在滾壓某型主軸承緊固螺栓螺紋的調試過程中，將滾絲輪轉速由正常的25r/min降至10r/min后，螺紋滾壓過程更加穩定。因此，在大直徑高強度螺栓螺紋滾壓時適當降低滾輪轉速，更加有利于螺紋滾壓。

4 滾壓夾具

為了保證螺紋滾壓時零件中心與滾絲輪中心平行，在滾壓零件時，設計了可調整高度的滾壓夾具，在滾壓過程中對大規格且較長的零件進行支撐，并在零件滾壓過程中對支架進行調整，使零件中心與滾絲輪中心平行，并保證零件滾壓部分與支片接觸良好，防止出現零件上抬跳出和螺紋中徑錐度過大的現象，該夾具工作狀態如圖2所示。該夾具工作原理：夾具底座設計有高精度孔，與V形塊上所帶螺紋大徑選用小間隙配合，既起到V形塊的定位作用，同時還可保證V形塊沿孔中心線做上下滑動。夾具上的調節螺母如中心為普通螺紋，螺母外圓均勻鉆孔，在螺紋滾壓過程中，隨著螺紋大徑增大，零件中心上抬，這時操作人員可用調節桿轉動調節螺母，帶動滾壓支架的V形塊按照零件中心升高的高度慢慢調整，保證零件中心與支撐板支撐面平行且接觸良好。

圖2 螺紋滾壓夾具工作狀態

可調整高度的螺紋滾壓支架如圖3所示。

圖 3 可調整高度的螺紋滾壓支架

5 結束語

經過某型柴油機主軸承緊固螺栓的滾壓加工及試驗驗證，以上工藝方法有效解決了螺紋滾壓過程中滾絲輪易破碎和零件滾壓過程上抬的技術難題，提高了大直徑高強度螺栓螺紋滾壓的加工質量，實現了柴油機關重螺栓的國產化生產，對柴油機關重螺栓螺紋滾壓加工工藝技術改進具有較大的參考和指導價值。