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怎樣做一顆更好更高質量的螺栓

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牙兩類,粗牙型在螺栓的標志中不顯示。

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)螺栓材質為低碳合金鋼或中碳鋼并經熱處理(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。對于鋼結構用連接螺栓,除特別注明外,一般為普通粗制C級螺栓。當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,這里就是技術要求吧,怎么定義技術要求呢,其實真的挺難得,你必須知道功能要求和技術要求之間的聯系,技術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境的或其他外界條件的要求。功能要求分析可以采用質量功能展開(亦稱質量屋)技術進行分析,這里不介紹了。

怎么才能把功能要求轉化成技術要求呢,這就需要有一定的技術積累了,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,然后把這些設計好的信息反映到設計圖紙上或技術要求中。再比如,實際應用中要求螺栓在比較惡略的腐蝕環境中長期不被腐蝕,你就需要按照腐蝕環境根據相應的標準來選擇合適的表面處理或者螺栓材料來滿足應用環境要求。

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計中要考慮的因素,甚至有些工序的先后順序也需要在設計時定義好(比如滾螺紋和調質處理,前后順序顛倒之后對螺紋的疲勞強度是有一定影響的)。

三、要使螺栓滿足應用需要,材料需選好

其實螺栓設計時,材料就應該已經選好了,這里在單獨說一遍是因為作者認為材料真的很重要,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境或者溫度變化比較大的環境中,或者極端溫度環境,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生脆斷。而如果將其應用于高溫環境下,普通碳鋼會產生蠕變,即在螺紋沒有松動的情況下,螺栓的預緊力就會降低,容易產生松動或疲勞失效。

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

四、設計材料準備好,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生產廠家的生產設備布局調換順序的,但是有些工序是不能調整的,如果工序調整了就可能影響產品質量,或降低產品性能。

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

哪些工藝順序調整了會影響產品質量呢,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,冷鐓工藝具有生產率高,材料利用率高、表面質量和內部質量高等特點,當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,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性能,熱處理工藝對緊固件,特別是高強度螺栓的內部質量有著非常重要的影響。

隨著時代的發展,90年代以后具有保護作用的連續熱處理生產線占據了主導地位。該裝置除具有優良的密封性能外,還可通過計算機對溫度和工藝參數進行精確控制,并具有設備故障報警和顯示功能。在淬火和回火熱處理的全過程中,爐外會產生一些氧化氣體。通過一系列的化學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。據技術人員介紹,中碳合金鋼脫碳比碳鋼脫碳嚴重,脫碳最快溫度在700~800℃之間。

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

螺紋表面增碳會使強度增加而塑性降低,導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先設計的硬度,此時高強度螺栓的力學性能將大大降低。

爐氣的碳勢從廣義上來說,是指在一定溫度下,爐內氣氛與一定含碳量的鋼件相界面上化學反應達到平衡的爐氣狀態。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的催化、催化劑條件等因素。對保護氣體而言,爐氣的碳勢應與鋼件本身的含碳量相當或略高,這樣才能使鋼件在加熱過程中不發生氧化和脫碳作用。

為了使碳勢對滲碳過程產生有利的綜合效果,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,不易產生炭黑,碳勢高可使滲層表面的濃度梯度大,有利于進行擴散,并提高滲速。第二階段要適當降低碳勢,因為表層已建立了較高的濃度梯度和達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,以免產生炭黑。第三階段是擴散時期,爐內碳勢可進一步降低,以使表層的碳濃度梯度和滲層深度達到工藝上的要求。

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,質量均一,因而滾壓工藝被廣泛采用。

為了制出最終產品的螺紋外徑,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,一邊使螺坯轉動,最終將滾壓模具上的牙形轉移到螺坯上,使螺紋成形。

滾(搓)壓螺紋加工的共同點是滾動轉數不必太多,如果過多,則效率低,螺紋牙表面容易產生分離現象或者亂扣現象。反之,如果轉數太少,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。這些缺陷若大量發生,就會在加工階段被發現。如果發生的數量較少,生產過程注意不到這些缺陷就會流通到用戶,造成麻煩。因此,應歸納加工條件的關鍵問題,在生產過程控制這些關鍵因素。

八、表面處理

用于生產螺栓的材料有很多,比如,碳鋼、合金鋼、以及不銹鋼。但是最常用最經濟的材料還是碳鋼。碳鋼本身沒有防腐能力,因此需要在其表面進行適當的處理才能滿足防腐的要求。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,但是如果環境溫度高于120攝氏度,油脂就會發揮。油脂沒法應用于真空環境中。石墨是一種很好的螺紋潤滑劑,但是石墨必須和流體介質混合使用,石墨的工作溫度受介質的工作溫度影響。

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,摩擦系數的可能范圍。

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