十字槽沉頭螺釘斷頭分析

楊玖錫，羅學玉，樊開倫，王鳳，田沖，穆明波，馬鵬，肖黔紅，徐荔波

貴州航天精工制造有限公司 貴州遵義 563000

1 序言

GB/T 819.1—2016《十字槽沉頭螺釘 第1部分：4.8級》規定的十字槽沉頭螺釘，是貴州航天精工制造有限公司歷年以來承制的一種常規緊固件，包括H型、Z型十字槽沉頭螺釘，如圖1、圖2所示。產品經熱處理后，在拉伸試驗過程中，最小拉伸載荷在大于標準規定的情況下發生斷頭，斷頭部位一般都發生在頭部與桿部交接處。根據GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》拉伸試驗規定：當試驗拉伸達到規定的拉伸載荷時，不得斷裂；當載荷大于標準值時，直至拉斷，斷裂應發生在桿部或未旋合的螺紋長度內，而不應發生在頭部與桿的交接處。

綜上可知，拉伸試驗過程頭部與桿部交接處發生斷頭問題是加工產品的技術瓶頸，嚴重影響產品的正常入庫交付，并已出現大批量報廢現象。因此，本文針對十字槽沉頭螺釘斷頭問題進行綜合分析和工藝研究。

2 綜合分析

2.1 結構尺寸分析

十字槽沉頭螺釘結構主要由頭和桿兩部分組成（見圖1）[1]，其中紅色框內為頭部，其余為桿部。頭部為十字槽沉頭，頭部十字槽分H型和Z型，結合頭厚尺寸k和十字槽插入深度尺寸（見表1）[1]分析，十字槽沉頭螺釘的頭與桿交接處被十字槽插入深度貫穿；桿部為小徑桿型，由螺紋與靠頭下交接處的螺紋空白組成。同時，由于頭部與桿部交接處截面被十字槽插入深度貫穿，因此頭部與桿部交接處的承載面積要小于螺紋的截面積，從而分析出該螺釘頭部與桿部交接處的承載能力最為薄弱，拉伸試驗時將在最薄弱處斷裂。

表1 十字槽沉頭螺釘頭厚尺寸k和插入深度尺寸（mm）

圖1 十字槽沉頭螺釘

2.2 加工工藝分析

十字槽沉頭螺釘實際加工工藝為：備料（鋼材強度450～580MPa）→冷鐓→清洗→制標→去應力熱處理→搓絲→清洗→無損檢測→電鍍→檢查。從加工工藝得知，該螺釘產品主要是將強度為450～580MPa的鋼絲，冷鐓成形十字槽沉頭頭部并產生頭部強化，然后進行去應力熱處理后搓絲而成。從工藝方法可以分析出，十字槽沉頭螺釘在整個加工過程中頭部與桿部交接處的強度有兩種狀態：一種是去應力熱處理前，頭部冷鐓成形后產生強化，使頭部與桿部交接處的強度要高于桿部強度；另一種是去應力熱處理后，由于去應力溫度的不同，去應力會不同程度地消除頭部的冷變形強化效果，當去應力高到一定溫度時，頭部的冷變形強化效果會完全消失，此時，頭部與桿部處于同一強度值：均為原材料的強度，但頭部與桿部交接處的承載面積小于螺紋截面積，斷裂自然會發生在承力最薄弱的頭桿結合處。

2.3 工藝驗證分析

（1）冷鐓工序分析 某批次規格M3，材料ML25，加工工藝為：備料（鋼材強度450～580MPa）→冷鐓→清洗→搓絲→清洗→拉伸試驗。經檢查，頭部各尺寸均為中上限測量值，其中十字槽插入深度要求1.7～2.1mm[2]，實測值為1.7～1.85mm，也偏中上限值，經拉伸試驗（樣件見圖2），結果見表2。

圖2 拉伸試驗樣件

表 2 拉伸試驗結果

從冷鐓工序加工將頭部各尺寸控制為中上限，十字槽插入深度控制靠近最小極限尺寸值后，從隨機抽樣的10件樣件的拉伸試驗可以看出，拉伸值均≥2.11kN規定值，且未斷頭，說明冷鐓工序后的十字槽沉頭螺釘頭部受到冷鐓強化，頭部與桿部交接處的強度要高于桿部，因此拉伸試驗拉斷處在螺紋段。

（2）去應力分析 將上述規格為M3，材料為ML25冷鐓加工后200件產品進行去應力熱處理（工藝為500℃×2h），經拉伸試驗，結果見表3和圖3。

表3 熱處理后拉伸試驗結果

圖3 熱處理后拉伸試驗樣件

從去應力熱處理后隨機抽樣10件拉伸試驗結果可知，盡管拉伸大于規定值，但產品在500℃×2h去應力熱處理后，頭與桿的交接處冷變形強化效果消除，此時頭部與桿部處的強度均為原材料的強度，而頭桿結合處的承載面積小于螺紋截面積。因此，拉伸試驗會在頭桿結合處斷裂。

（3）去應力熱處理工藝研究分析 通過上述分析，針對去應力熱處理后影響該螺釘頭與桿交接處強度下降。現討論提出幾種去應力熱處理工藝參數的驗證方案：分別為300℃×2h，空冷；350℃×2h，空冷；400℃×2h，空冷；430℃×2h，空冷； 500℃×2h，空冷。經去應力熱處理后分別隨機抽樣10件進行拉伸試驗，結果顯示為400℃×2h，空冷；430℃×2h，空冷； 500℃×2h，空冷方案的拉伸試驗過程均發生1～3件的斷頭現象；而300℃×2h，空冷與350℃×2h，空冷方案的拉伸試驗在滿足規定拉伸的情況100%未斷頭，拉伸試驗結果見圖4和表4。

圖4 300℃、350℃方案拉伸試驗樣件

表4 300℃、350℃方案拉伸試驗結果

（4）加強去應力參數驗證分析 為了進一步分析去應力受溫度高低的影響，再次擬出去應力熱處理工藝為300℃×2h，空冷；350℃×2h，空冷；400℃×2h，空冷，且將螺釘規格增加為M3、M4、M5。經拉伸試驗，結果見表5。

從表5可以分析出，400℃×2h空冷去應力熱處理方案，規格為M3、M4、M5都有1件以上在拉伸試驗中斷頭，而另外兩種去應力熱處理方案的拉伸試驗均未斷頭。由此可見，去應力熱處理溫度會影響螺釘頭與桿交接處的強度。

表5 再次去應力熱處理工藝試驗結果

3 結果與討論

經過綜合分析，雖然頭部在冷鐓強化后頭與桿交接處強度要高于桿段，但在去應力熱處理后頭與桿結合部位的冷變形強化效果會受到影響，冷變形強化效果的消除會因去應力溫度的不同而消除程度不同。因此，如何做好冷鐓后的去應力不受影響，保證頭與桿交接處的強度高于桿部段，通過不同的去應力溫度參數驗證得到了解決。因此，防止十字槽沉頭螺釘斷頭的措施主要有：原材料強度控制在450～580MPa；冷鐓頭強化提高強度；頭部尺寸尤其是十字槽插入深度控制中限偏下差；最佳的去應力熱處理工藝為350℃×2h，空冷。