基于Solidworks的高強度螺栓根部滾壓強化裝置設計

石彪 曹鳳梅 羅通 任波龍

摘要： 針對高強度螺栓根部在沒有強化前使用容易發生疲勞而斷裂，研究一種實現高強度螺栓根部滾壓強化的工藝裝置。通過對滾壓強化理論和滾壓強化特點分析的基礎上，擬定了滾壓強化方案，基于Solidworks設計了方便不同R區滾壓、施力可控、操作簡單的滾壓強化工藝裝置。

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.

關鍵詞： 螺栓;根部R區;滾壓強化;滾壓參數

Key words： bolt;root R region;rolling strengthening;rolling parameters

中圖分類號：TH162????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A??????????????????????? ????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0094-02

0? 引言

高強度螺栓屬于緊固件，隨著制造技術的發展，廣泛應用于飛機、大型發電設備、汽車、高速火車、大型船舶、大型成套設備等重要機械的連接中，反復的拆裝或承受大扭矩對高強度螺栓要求極高。因此，其加工精度和表面狀況的好壞，將直接影響主機的使用壽命及安全。而高度度螺栓的根部R區發生了尺寸突變，為應力集中區，極易在該部位產生裂紋甚至斷裂。因此，該部位的質量控制就顯得尤為重要。工程中常用高強度螺栓的材料為18Cr2Ni4W、25Cr2MoV、30CrMnSiA等高強度鋼，毛坯獲得方法為模鍛，桿部尺寸精度不低于IT7級，表面粗糙度為Ra0.8，故制造工藝上要安排熱處理后進行磨削加工并進行根部R區滾壓強化，最后進行鍍鎘/鍍鋅等表面處理。滾壓強化的技術原理其實就是利用滾刀對被加工的零件表面反復施加滾壓力的強化方式。滾壓力使工件表面產生塑性變形和壓應力，從而消除載荷拉應力，使工件表面光亮平整，從而獲得更高數值的疲勞強度[1]。影響滾壓強化效果的工藝參數主要由滾壓力、滾壓次數及滾壓速度，這些參數需通過強化裝置對不同規格的螺栓進行實驗來獲取。

1? 滾壓強化裝置

1.1 螺栓根部強化工藝? 制造業中常用的某些部件連接的方式是用對接螺栓進行連接，對接螺栓的疲勞壽命的會直接影響機器的使用年限，對接螺栓的制造后需用強化的加工方式對其根部進行強化，如圖1所示。

傳統的強化方式是將零件裝到機床上，然后采用的一個滾輪滾壓施力，被加工的零件只能水平放置，結構簡圖如圖2所示。這種滾壓加工方式存在的問題是被零件不能夠自動定心，加工耗時、耗人力，而且用彈簧控制滾輪施力的大小是不穩定的，操作人員操作比較困難，需要高技術的操作人員等缺點。因此設計一種能適用于鉆床及其一些普通的機床就可以加工的滾壓裝置是必要的，并且在加工過程中要能實現被零件的自動定心找正，螺栓根部R區受力均勻可控制。這樣的裝置擴寬機床的使用范圍，降低對工人的操作技能要求，提高加工生產的效率，節省加工所消耗的人力物力。

1.1.1 螺栓根部疲勞應力分析? 螺栓根部結構圖如圖3所示。在滾壓過程中工件的表面會產生應力集中現象[3]，這種應力是不可能避免的。如圖3中曲線所示，圖中是我們假設螺栓根部R區在受到滾壓力時呈現的切向應力在輪廓線上各位置的的分布。從圖示得知在R區？準≈45°[4]的位置，會導致螺栓發生疲勞斷裂，因為這里附近的疲勞應力是最大，因此為提高螺栓的抗疲勞強度必須對根部R區的表面進行強化。

1.1.2 滾壓強化技術要求? 在滾壓強化裝置中，滾輪與被加工零件根部R區接觸的工作截面，截面的角度半徑在選擇的時候小于零件根部R區的最小角度。根據實驗得出，滾輪R一般按照工件根部R值小0.5來確定，并且保證滾壓后工件件的表面粗糙度要低于0.8μm。[5]滾輪的施力方向與螺栓軸線呈45°，螺栓根部R區疲勞應力最大表面法向是這個角度。其余的要求為：①進行滾壓加工時的零件可以實現自動定心找正。②加工的零件可以在夾具內轉動。③滾壓力的大小可控。

1.2 滾壓強化工藝裝置總體設計方案? 以滾壓強化工藝原理為基礎，根據以上的設計要求，基于Solidworks軟件，設計的滾壓強化工藝裝置總體結構如圖4所示。

1.2.1 工件的定位和夾緊? 因為螺栓的頭部是六角形，所以夾具頭的夾持部分下端是符合螺栓頭部大小的六角套筒，把螺栓頭部伸進六角套筒，然后用鎖緊螺釘進行鎖緊。這樣螺栓頭部被夾緊在夾具頭，因為夾具頭安裝在鉆床主軸，因此螺栓頭部與鉆床主軸同軸實現定位，如圖5所示。然后用定力扳手轉動夾緊螺母帶動壓緊套向上運動，這是三個滾輪貼緊螺栓根部R區，因為夾具體被固定在鉆床底座，同時底座是跟鉆床主軸是同軸的，所以三個滾輪對螺栓的根部實現三心定位。

1.2.2 導向裝置? 在夾具體上面錐面處均勻分布著三個與夾具體軸線呈45°角的斜孔，滾輪組件裝入夾具體上面分布的三個斜孔中，當壓緊套向上移動時，三個滾輪接近螺栓根部R區。這個過程可以實現對被加工零件部位的的自動定心和找正，其結構如圖6所示。

1.2.3 夾具體? 夾具體與螺母軸為螺紋配合，夾具體上面錐面處均勻分布著三個與夾具體軸線呈45°角的斜孔，滾輪組件裝入夾具體上面分布的三個斜孔中。滾輪組件的底面為球面，滾輪組件底面的球面和夾緊套的內錐面內的槽緊緊的貼合，壓緊套與底座緊配合。工作時，螺母軸轉動使夾具體上下移動，使三組滾滾組件做向心運動或離心運動，對試件施加相應的力。通過實驗可得出，每轉一圈可對螺栓所施加的力的大小，從而實現對試件施加確定的力。

1.2.4 夾具滾壓強化工作過程? 將滾壓強化裝置的夾具底座安裝在鉆床的或加工機床的底座上，要求是夾具的中心要與機床的主軸在同一軸心上。然后把夾具頭與機床的主軸進行連接鎖緊，夾具頭也和機床的主軸保持在同心軸上。被加工的零件頭部用夾具頭夾緊并用鎖緊螺釘鎖緊。之后用定扳手轉動螺母，壓緊套向上運動;三個滾輪組件在壓緊套的推動下向中心運動。當三個滾輪組件的頭部貼到工件的根部R區。啟動機床，機床主軸轉動帶動夾具頭，這樣零件開始轉動，然后扳動扳手使壓緊套向上運動推動滾輪組件，滾輪對螺栓根部R區的進行滾壓強化。夾具頭的螺紋套的規格可以根據被加工零件大小可進行更換。

2? 滾壓實驗

因對接螺栓規格較多，故實驗過程選取常見規格M24進行滾壓強化實驗，以判斷表面強化工藝的效果能否達到預期目標，并檢驗強化裝置能否滿足強化目標。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，以確定強化裝置設計方案及定力扳手能否能達到預期目標并收集實驗數據[6]。通過對M24螺栓滾壓實驗結果分析，可以看出，利用滾壓強化裝置對螺栓根部在一定滾壓力和滾壓圈數的作用下，基本可以達到預期目標。

3? 結論

將上述實驗方法應用與其他常見規格螺栓，得出了如表1所示結論。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60r/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。

參考文獻：

[1]周航，周旭東，周宛.金屬零件表面滾壓強化技術的現狀與展望[J].工具技術，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，張振純，陳小云，張世昌，朱云明.連桿螺栓頸部圓角滾壓強化技術[J].汽車工藝與材料，1997（3）.

[4]胡寧靜，胡蓉蓉，胡道秋.滾壓工藝國內外發展動向[J].湘潭大學自然科學學報，1994（2）：98-103.

[5]管其明，王自勤，余述凡.高強度螺栓圓角沖擊滾壓技術[J].航空制造工程，1998（3）.

[6]曹鳳梅.對接螺栓根部強化工藝研究[J].硅谷，2014，7（10）：36-37.