對接螺栓根部強化工藝研究

摘 要 對接螺栓根部R區屬應力集中區，為提高螺栓抗疲勞強度，需要對其根部進行強化。通過對現有滾壓技術的研究，利用專用滾壓強化裝置進行滾壓實驗，實現對接螺栓滾壓過程的定量定性。

關鍵詞 對接螺栓；根部R區；滾壓

中圖分類號：TG162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0036-02

對接螺栓是制造業中常用的聯結形式之一，如飛機制造、壓力容器制造及建筑業等。對接螺栓在使用過程中要承受較大拉力，需進行抗拉試驗。而根部R區屬應力集中區，易在該部位發生疲勞斷裂的現象，因此制造過程中要對該區域進行強化，以提高抗疲勞強度。

表面強化是近年來國內外廣泛研究應用的工藝之一。常用的金屬表面形變強化方法主要有滾壓、內擠壓和噴丸等工藝[1]，其強化效果顯著。對接螺栓根部強化常用滾壓方式，但存在的問題是強化過程中不能實現“定量定性”。即對應各種規格的對接螺栓，目前沒有形成對應特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數，多依靠經驗值。因此，“定量定性”為材料表面強化工藝的趨勢。本文研究以強化過程“定量定性”為突破點，通過研究表面強化工藝裝置，將對接螺栓根部強化和根部硬度、螺栓抗拉強度、表面粗糙度檢測實驗相結合，選定對接螺栓常用材料，對其根部凹R區域強化工藝方法進行研究，以提供詳細的實驗數據，實現對接螺栓滾壓過程“定量定性”。 該研究預期提高螺栓根部R區表面粗糙度2～4級，提高螺栓抗疲勞強度30%左右。

1 技術路線及實施方案

1）試件制備。對接螺栓采用中等強度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學性能見表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進行，滾壓前將R區按設計圖紙要求數據加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗（包括螺栓抗拉強度、根部R區硬度、表面粗糙度實驗，記錄數據，為后續滾壓實驗數據對比做依據。）

表1 試驗材料基本力學性能[2]

屈服強度σs 抗拉強度

σb 斷面伸長

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強化工藝裝備。在表面強化工藝裝置方面，由于對接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區域進行滾壓的方法是在普通車床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點滾壓的方法對R區進行滾壓的，該滾壓方法存在的問題是自動化程度低、根部R區找正困難以及R區受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現有滾壓技術示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現有滾壓技術示意圖

圖3 現有滾壓加工示意圖

本研究主要從質量控制五環節中的“法”入手，設計專用夾具，利用車床三爪自動定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時夾具體上采用可調滾輪，針對不同的螺栓直徑和R值對螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實現滾壓過程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實驗方案。因對接螺栓規格較多，故實驗過程選取常見規格M24進行滾壓實驗，以判斷表面強化工藝的效果能否達到預期目標，并檢驗強化工藝裝備能否滿足強化目標。

4）通過對M24螺栓進行拉伸實驗，螺栓根部R區硬度檢測、R區表面粗糙度檢測，以確定工藝裝備設計方案及定力扳手能否能達到預期目標并收集第一階段實驗數據。

5）若實驗合格，則開展其他常用規格螺栓根部R區滾壓實驗，確定滾壓力、滾壓圈數、滾壓時間等定量數據。若不合格，則返回第1步，重新制定實驗方案進行實驗。

2 實驗結果

對上述實驗方案中M24螺栓進行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數情況下，得到如下實驗結果。

拉伸實驗：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標準試樣，在WDW-300E萬能試驗機上進行拉伸實驗；利用數顯洛氏硬度計HRS-150和光切法顯微鏡9J進行硬度測試和表面粗糙度檢測，實驗數據如表2。

表2 實驗數據

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數 抗拉強度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結論

通過對M24滾壓螺栓各實驗結果分析，可以看出，利用滾壓裝置對對接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數的作用下，基本可以達到預期研究目標。項目組將該研究方法應用與其他常見規格螺栓，得出了如下結論。

表3 實驗結論

螺栓規格 滾壓強化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實驗結論是在立式鉆床上進行實驗所得數據，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過滾壓裝置對螺栓根部R區施加壓力不斷增大的過程中可以發現，施加力愈大，螺栓抗拉強度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應力趨于飽和，實驗數據變化不大。

2）滾壓圈數控制在5-15圈以內，期間圈數的變化對實驗結果影響不大。滾壓圈數超出15圈后，螺栓根部R區會產生殘余壓應力，不利于螺栓疲勞強度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會逐漸減小。本研究過程中，滾壓速度應控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應力層深度基本不變。然而，過快的滾壓速度會導致表面產生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強度的提高。

基金項目

銀川能源學院2012年度院級科研項目，銀能院發[2012]63號。

參考文獻

[1]許正功，等.表面形變強化技術的研究現狀[J].裝備制造技術，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結構剛[S].

[3]車削參數和滾擠壓參數對滾輪滾擠壓表面質量影響分析[J].工具技術，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數值模擬[J].塑性工程學報，2012（2）.

作者簡介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機械設計制造。endprint

摘 要 對接螺栓根部R區屬應力集中區，為提高螺栓抗疲勞強度，需要對其根部進行強化。通過對現有滾壓技術的研究，利用專用滾壓強化裝置進行滾壓實驗，實現對接螺栓滾壓過程的定量定性。

關鍵詞 對接螺栓；根部R區；滾壓

中圖分類號：TG162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0036-02

對接螺栓是制造業中常用的聯結形式之一，如飛機制造、壓力容器制造及建筑業等。對接螺栓在使用過程中要承受較大拉力，需進行抗拉試驗。而根部R區屬應力集中區，易在該部位發生疲勞斷裂的現象，因此制造過程中要對該區域進行強化，以提高抗疲勞強度。

表面強化是近年來國內外廣泛研究應用的工藝之一。常用的金屬表面形變強化方法主要有滾壓、內擠壓和噴丸等工藝[1]，其強化效果顯著。對接螺栓根部強化常用滾壓方式，但存在的問題是強化過程中不能實現“定量定性”。即對應各種規格的對接螺栓，目前沒有形成對應特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數，多依靠經驗值。因此，“定量定性”為材料表面強化工藝的趨勢。本文研究以強化過程“定量定性”為突破點，通過研究表面強化工藝裝置，將對接螺栓根部強化和根部硬度、螺栓抗拉強度、表面粗糙度檢測實驗相結合，選定對接螺栓常用材料，對其根部凹R區域強化工藝方法進行研究，以提供詳細的實驗數據，實現對接螺栓滾壓過程“定量定性”。 該研究預期提高螺栓根部R區表面粗糙度2～4級，提高螺栓抗疲勞強度30%左右。

1 技術路線及實施方案

1）試件制備。對接螺栓采用中等強度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學性能見表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進行，滾壓前將R區按設計圖紙要求數據加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗（包括螺栓抗拉強度、根部R區硬度、表面粗糙度實驗，記錄數據，為后續滾壓實驗數據對比做依據。）

表1 試驗材料基本力學性能[2]

屈服強度σs 抗拉強度

σb 斷面伸長

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強化工藝裝備。在表面強化工藝裝置方面，由于對接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區域進行滾壓的方法是在普通車床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點滾壓的方法對R區進行滾壓的，該滾壓方法存在的問題是自動化程度低、根部R區找正困難以及R區受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現有滾壓技術示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現有滾壓技術示意圖

圖3 現有滾壓加工示意圖

本研究主要從質量控制五環節中的“法”入手，設計專用夾具，利用車床三爪自動定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時夾具體上采用可調滾輪，針對不同的螺栓直徑和R值對螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實現滾壓過程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實驗方案。因對接螺栓規格較多，故實驗過程選取常見規格M24進行滾壓實驗，以判斷表面強化工藝的效果能否達到預期目標，并檢驗強化工藝裝備能否滿足強化目標。

4）通過對M24螺栓進行拉伸實驗，螺栓根部R區硬度檢測、R區表面粗糙度檢測，以確定工藝裝備設計方案及定力扳手能否能達到預期目標并收集第一階段實驗數據。

5）若實驗合格，則開展其他常用規格螺栓根部R區滾壓實驗，確定滾壓力、滾壓圈數、滾壓時間等定量數據。若不合格，則返回第1步，重新制定實驗方案進行實驗。

2 實驗結果

對上述實驗方案中M24螺栓進行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數情況下，得到如下實驗結果。

拉伸實驗：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標準試樣，在WDW-300E萬能試驗機上進行拉伸實驗；利用數顯洛氏硬度計HRS-150和光切法顯微鏡9J進行硬度測試和表面粗糙度檢測，實驗數據如表2。

表2 實驗數據

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數 抗拉強度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結論

通過對M24滾壓螺栓各實驗結果分析，可以看出，利用滾壓裝置對對接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數的作用下，基本可以達到預期研究目標。項目組將該研究方法應用與其他常見規格螺栓，得出了如下結論。

表3 實驗結論

螺栓規格 滾壓強化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實驗結論是在立式鉆床上進行實驗所得數據，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過滾壓裝置對螺栓根部R區施加壓力不斷增大的過程中可以發現，施加力愈大，螺栓抗拉強度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應力趨于飽和，實驗數據變化不大。

2）滾壓圈數控制在5-15圈以內，期間圈數的變化對實驗結果影響不大。滾壓圈數超出15圈后，螺栓根部R區會產生殘余壓應力，不利于螺栓疲勞強度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會逐漸減小。本研究過程中，滾壓速度應控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應力層深度基本不變。然而，過快的滾壓速度會導致表面產生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強度的提高。

基金項目

銀川能源學院2012年度院級科研項目，銀能院發[2012]63號。

參考文獻

[1]許正功，等.表面形變強化技術的研究現狀[J].裝備制造技術，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結構剛[S].

[3]車削參數和滾擠壓參數對滾輪滾擠壓表面質量影響分析[J].工具技術，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數值模擬[J].塑性工程學報，2012（2）.

作者簡介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機械設計制造。endprint

摘 要 對接螺栓根部R區屬應力集中區，為提高螺栓抗疲勞強度，需要對其根部進行強化。通過對現有滾壓技術的研究，利用專用滾壓強化裝置進行滾壓實驗，實現對接螺栓滾壓過程的定量定性。

關鍵詞 對接螺栓；根部R區；滾壓

中圖分類號：TG162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0036-02

對接螺栓是制造業中常用的聯結形式之一，如飛機制造、壓力容器制造及建筑業等。對接螺栓在使用過程中要承受較大拉力，需進行抗拉試驗。而根部R區屬應力集中區，易在該部位發生疲勞斷裂的現象，因此制造過程中要對該區域進行強化，以提高抗疲勞強度。

表面強化是近年來國內外廣泛研究應用的工藝之一。常用的金屬表面形變強化方法主要有滾壓、內擠壓和噴丸等工藝[1]，其強化效果顯著。對接螺栓根部強化常用滾壓方式，但存在的問題是強化過程中不能實現“定量定性”。即對應各種規格的對接螺栓，目前沒有形成對應特定的材料、表面晶粒度、變形層厚度，應采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數，多依靠經驗值。因此，“定量定性”為材料表面強化工藝的趨勢。本文研究以強化過程“定量定性”為突破點，通過研究表面強化工藝裝置，將對接螺栓根部強化和根部硬度、螺栓抗拉強度、表面粗糙度檢測實驗相結合，選定對接螺栓常用材料，對其根部凹R區域強化工藝方法進行研究，以提供詳細的實驗數據，實現對接螺栓滾壓過程“定量定性”。 該研究預期提高螺栓根部R區表面粗糙度2～4級，提高螺栓抗疲勞強度30%左右。

1 技術路線及實施方案

1）試件制備。對接螺栓采用中等強度鋼（30CrMnSiA）制造，其力學性能見表1所示。毛坯為鍛件，滾壓安排在熱處理后進行，滾壓前將R區按設計圖紙要求數據加工，不需要留加工余量，表面粗糙度一般為Ra1.6μm～Ra0.8μm。試件圖及工藝路線如下所示。

圖1 滾壓試件圖

工藝路線：

下料—車—銑—鉗工—滾絲—熱處理（σb=1180±100 MPa）—磨削—檢驗（包括螺栓抗拉強度、根部R區硬度、表面粗糙度實驗，記錄數據，為后續滾壓實驗數據對比做依據。）

表1 試驗材料基本力學性能[2]

屈服強度σs 抗拉強度

σb 斷面伸長

率δ/% 斷后收縮

率ψ/%

885（Mpa） 1080（Mpa） 10 45

2）表面強化工藝裝備。在表面強化工藝裝置方面，由于對接螺栓頭部與螺栓光桿 沿圓弧為凹R區域進行滾壓的方法是在普通車床上依靠彈簧施力或者手工施力、單點滾壓的方法對R區進行滾壓的，該滾壓方法存在的問題是自動化程度低、根部R區找正困難以及R區受力不均、受力值難以控制等，如圖2、圖3所示為現有滾壓技術示意圖及滾壓加工示意圖。

圖2 現有滾壓技術示意圖

圖3 現有滾壓加工示意圖

本研究主要從質量控制五環節中的“法”入手，設計專用夾具，利用車床三爪自動定心的原理，使被加工螺栓軸線和夾頭的軸線同軸，同時夾具體上采用可調滾輪，針對不同的螺栓直徑和R值對螺栓施力，施力值的大小由定力扳手控制，以實現滾壓過程“定量定性”，圖4、圖5為本研究滾壓裝置及滾壓示意圖。

1-夾頭；2-夾具體；3-導向銷；4-鍵槽；5-滾輪組件；6-夾緊套；7-螺母；8-定力扳手；9-止動螺釘；10-底座

圖4 本研究滾壓裝置

圖5 本研究滾壓示意圖

3）確定實驗方案。因對接螺栓規格較多，故實驗過程選取常見規格M24進行滾壓實驗，以判斷表面強化工藝的效果能否達到預期目標，并檢驗強化工藝裝備能否滿足強化目標。

4）通過對M24螺栓進行拉伸實驗，螺栓根部R區硬度檢測、R區表面粗糙度檢測，以確定工藝裝備設計方案及定力扳手能否能達到預期目標并收集第一階段實驗數據。

5）若實驗合格，則開展其他常用規格螺栓根部R區滾壓實驗，確定滾壓力、滾壓圈數、滾壓時間等定量數據。若不合格，則返回第1步，重新制定實驗方案進行實驗。

2 實驗結果

對上述實驗方案中M24螺栓進行滾壓，在不同滾壓力和滾壓圈數情況下，得到如下實驗結果。

拉伸實驗：螺栓在立式鉆床上滾壓后，按照GB/228.1-2010制作標準試樣，在WDW-300E萬能試驗機上進行拉伸實驗；利用數顯洛氏硬度計HRS-150和光切法顯微鏡9J進行硬度測試和表面粗糙度檢測，實驗數據如表2。

表2 實驗數據

定力扳手力矩/kg.cm 滾壓圈數 抗拉強度σb HRC 表面粗糙度Ra

400 5 1070 34 0.8

400 6 1070 34 0.8

600 7 1100 35 0.4

750 8 1231 39 0.4

800 9 1310 41 0.2

850 10 1395 43 0.1

3 結論

通過對M24滾壓螺栓各實驗結果分析，可以看出，利用滾壓裝置對對接螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數的作用下，基本可以達到預期研究目標。項目組將該研究方法應用與其他常見規格螺栓，得出了如下結論。

表3 實驗結論

螺栓規格 滾壓強化R值 定力扳手力矩

/Kg.cm 滾壓圈數

M8-M12 R1-R1.5 450 5-7

M12-M24 R1.5-R2 670 7-9

M24-M48 R2-R2.5 850 9-12

注：該實驗結論是在立式鉆床上進行實驗所得數據，

表中定力扳手力矩值偏差為±10 kg.cm。

1）隨著定力扳手通過滾壓裝置對螺栓根部R區施加壓力不斷增大的過程中可以發現，施加力愈大，螺栓抗拉強度及硬度值也不斷增大；但增大到某一值后，殘余應力趨于飽和，實驗數據變化不大。

2）滾壓圈數控制在5-15圈以內，期間圈數的變化對實驗結果影響不大。滾壓圈數超出15圈后，螺栓根部R區會產生殘余壓應力，不利于螺栓疲勞強度的提高。

3）隨著滾壓速度的增加，殘余應力最大值逐漸增大，但是增加到一定程度后，會逐漸減小。本研究過程中，滾壓速度應控制在60 r/min。此外，隨著滾壓速度的增加，殘余應力層深度基本不變。然而，過快的滾壓速度會導致表面產生劃痕，增加了表面粗糙度，不利于工件疲勞強度的提高。

基金項目

銀川能源學院2012年度院級科研項目，銀能院發[2012]63號。

參考文獻

[1]許正功，等.表面形變強化技術的研究現狀[J].裝備制造技術，2007（4）.

[2] GB/T3077-1999摘自合金結構剛[S].

[3]車削參數和滾擠壓參數對滾輪滾擠壓表面質量影響分析[J].工具技術，2007（41）.

[4]劉福超，雷麗萍，曾攀.滾壓有限元模型數值模擬[J].塑性工程學報，2012（2）.

作者簡介

曹鳳梅（1981-），女，講師，研究方向：機械設計制造。endprint