4.影响高强度紧固件品质的工艺因素

影响高强度紧固件品质的工艺因素
冷镦过程中局部区域的塑性变形可达60%-80%,为此要求 钢材必须具有良好的塑性。当钢材的化学成分一定时,金 相组织就是决定塑性优劣的关键性因素。通常认为粗大片 状珠光体不利于冷镦成形,而细小的球状珠光体可显著地 提高钢材塑性变形的能力。 对高强度紧固件用量最多的中碳钢和中碳合金钢,在 冷镦前进行球化(软化)退火,以便获得均匀细致的球状珠光 体,以更好地满足实际生产的需要。 对中碳钢盘条软化退火而言,其加热温度多选择在该 钢材临界点上下保温,加热温度一般不能太高,否则会产生 三次渗碳体沿晶界析出,造成冷镦开裂;而对于中碳合金钢 的盘条采用等温球化退火,在Ac1+(20~30℃)加热后,炉冷 到略低于Ar1(约700℃)等温一段时间,然后炉冷至500℃左 右出炉空冷。钢材的金相组织由粗变细、由片状变球状, 冷镦开裂率将明显减少。
影响高强度紧固件品质的工艺因素
滚(搓)压螺纹是指利用塑性变形使螺纹成形的加工方 法。它是用带有和被加工螺纹同样螺距和牙型的滚压(搓 丝板)模具,一边挤压圆柱形螺坯,一边使螺坯转动,最终将 滚压模具上的牙型转移到螺坯上,使螺纹成型的。 滚(搓)压螺纹加工的共同点是滚动转数不必太多。如 果过多,则效率低,螺纹牙型表面容易产生剥离现象或者是 乱扣（和斜螺纹）现象。反之,如果滚动转数太少,螺纹直 径容易失圆,滚压初期压力异常增高,造成模具寿命缩短。 , , 滚压螺纹常见的缺陷:螺纹部分表面裂纹或划伤、乱 扣、螺纹部分失圆。这些缺陷若大量发生,就会在加工阶 段被发现。如果发生的数量较少,生产过程注意不到这些 缺陷就会流通到用户,造成麻烦。因此, 应归纳加工条件的 关键问题,在生产过程中控制这些关键因素。
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毛坯切料后,送到镦粗整形工位。该工位可提高毛坯的 质量,可使下一个工位的成型力降低15%~17%,并能延长 模具寿命；制造螺栓可采用多次缩径。 为了顺利实现冷镦成型工艺,各种冷镦机、特别是多工 位冷镦机应满足以下要求。 A、用半封闭切料工具切割毛坯,最简单的方法是采用套筒式 切料工具;切口的角度不应大于3°;而当采用开口式切料 工具时,切口的斜角可达5~7°。 B、短尺寸毛坯在由上一个工位向下一个成型工位传递过程 中,应能翻转180°。这样能发挥自动冷镦机的潜力,加工 结构复杂的紧固件,提高零件精度。 C、在各个成型工位上都应装有冲头退料装置,凹模均应带有 套筒式顶料装置。
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本,任意减少拉拔道次,过大的减面率增加了盘条钢丝的加 工硬化倾向,直接影响了盘条钢丝的冷镦性能。 如果各道次的减面率分配不合适,也会使盘条钢丝在 拉拔过程中产生扭转裂纹,这种沿钢丝纵向分布、周期一 定的裂纹在钢丝冷镦过程中暴露。此外,拉拔过程中如润 滑不好,也可造成冷拨盘条钢丝有规律地出现横裂纹。 盘条钢丝出拉丝模口上卷的同时切线方向与拉丝模不 同心,会造成拉丝模单边孔型的磨损加剧,使内孔失圆,造成 钢丝圆周方向的拉拔变形不均匀,使钢丝的圆度超差,在冷 镦过程中钢丝模截面应力不均匀而影响冷镦合格率。 盘条钢丝拉拔过程中,过大的部分减面率使钢丝的表 面质量恶化,而过低的减面率却不利于片状渗碳体的破碎, 难以获得尽可能多的粒状渗碳体,即渗碳体的球化率低,对 钢丝的冷镦性能极为不利。采用拉拔方式生产的棒料和盘 条钢丝,部分减面率宜控制在10%-15%的范围内。
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D、成型工位的数量(不包括切断工位)一般应达3~4个工位 (特殊情况下6个以上)。 E、在有效使用期内,主滑块导轨和工艺部件的结构能保证冲 头和凹模的定位精度。 F、在控制送料长度的挡扳上必须安装终端限位开关,必须注 意镦锻力的控制。 在自动冷镦机上制造高强度紧固件所使用的冷拨盘条 钢丝的不圆度应在直径公差范围内,而较为精密的紧固件, 其钢丝的不圆度则应限制在1/2直径公差范围内。如果钢 丝直径达不到规定的尺寸,则零件的镦粗部分或头部就会 出现折痕,或者形成毛刺,如果直径小于工艺所要求的尺寸, 则头部就会不完整,棱角或涨粗部分不清晰。
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冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧 固件用钢。由于它是常温下利用金属塑性加工成型,每个 零件的变形量很大,承受的变形速度也很高。因此,对冷镦 钢原料的性能要求十分严格。 在长期生产实践和用户使用调研的基础上,结合 GB/T6478--2001《冷镦钢和冷挤压用钢》、GB/T699-1999《优质碳素结构钢》及日标JlSG3507--2005《冷顶 锻用碳素钢盘条》的特点，以8.8级、9.8级螺栓的材料要 求为例,各种化学元素的确定。 C含量过高,冷成形性能将降低,太低则无法满足零件 机械性能的要求,因此定为0.20%-0.50%。
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螺纹的脱碳会导致紧固件在未达到机械性能要求的拉 力时先发生脱扣,使螺纹紧固件失效,缩短使用寿命。由于 原材料的脱碳,如果退火不当,更会使原材料脱碳层加深。 调质热处理过程中,一般会从炉外带进一些氧化气体。棒 料钢丝的铁锈或冷拔后盘条钢丝表面上的残留物,入炉加 热后也会分解,反应生成一些氧化气体。例如钢丝的表面 铁锈,它的成分是碳酸铁及氢氧化物,在加热后将分解成 CO2及H2O,从而加重了脱碳。研究表明,中碳合金钢的脱 碳程度较碳钢严重,而最快的脱碳温度在700~800℃之间。 由于钢丝表面的附着物在一定条件下分解化合成CO2及 H2O的速度很快,如果连续式网带炉炉气控制不当,也会造 成螺纹脱碳超差。 高强度紧固件当采用冷镦成形时,原材料和退火的脱 碳层不但仍然存在,而且被挤压到螺纹的顶部,对于需要淬 火的紧固件表面,得不到所要求的硬度,其机械性能(特别是 强度和耐磨性)降低。另外,钢丝表面脱碳,表层与内部组织 不同,而且有不同的膨胀系数,淬火时有可能产生表面裂纹。
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七、热处理 高强度紧固件根据技术要求都要进行调质处理。调质 处理是为了提高紧固件的综合机械性能,以满足产品规定 的抗拉强度值和屈强比。 热处理工艺对高强度紧固件尤其是它的内在质量有着 至关重要的影响,因此,生产优质的高强度紧固件,必须要有 先进的热处理技术和装备。 由于高强度螺栓生产量大,价格低廉,螺纹部分又是比 较细微相对精密的结构,因此,要求热处理设备必须具备生 产能力大、自动化程度高、热处理质量好的能力,进入20 世纪90年代以来，带有保护气氛的连续式热处理生产线 己占主导地位,震底式、铸链炉、连续式网带炉尤其适用 于中小规格紧固件的热处理调质。调质线除了炉子密封性 能好以外,还具有先进的气氛、温度和工艺参数计算机控 制,设备故障报警和显示等功能。高强度紧固件从上料→ 清洗→加热→淬火→清洗→回火→着色到下线,全部自动 控制运行,有效保证了热处理质量。
冷镦材料与热处理方法
4.影响高强度紧固件品质的工艺因 素
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
影响高强度紧固件品质的工艺因素
钢材的冷镦加工己成为在汽车、电器及其它机械部件 生产时不可缺少的制造方式,尤其是对紧固件行业而言,诸 如螺钉、螺栓、螺母等产品的生产几乎80%以上采用此种 生产效率高的制造工艺。紧固件的冷镦加工必须依赖钢材 卓越的冷顶锻性能和合理的加工工艺过程。本文对影响高 强度紧固件品质的加工工艺因素进行综合分析,作为提升 高强度紧固件品质的参考依据,供同行参考。 高强度螺栓加工工艺为:热轧盘条→(冷拔)→球化(软 化)退火→机械除鳞→酸洗→拉拔→冷镦成形→螺纹加工 →热处理→检验。 一、钢材设计 在紧固件制造中,正确选用紧固件材料是重要一环,因 为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。如材料选用不 正确或不适当,可能造成性能达不到要求,使用寿命缩短,甚 至发生意外,或加工困难,制造成本高等。
影响高强度紧固件品质的工艺因素
35、45、ML35、SWRCH35K钢软化退火温度一般区 域为725~735℃;而SCM35、40Cr、SCR435钢球化退火 加热温度的一般区域为745~770℃,等温温度680~700℃。 三、剥壳除鳞 冷镦钢盘条去除氧化铁皮工序为剥壳、除鳞（有机械 除鳞和化学酸洗工序）。机械除鳞替代化学酸洗既提高了 生产率,又减小了环境污染。此除鳞过程包括弯曲法(普遍 使用带三角形凹槽的圆轮反复弯曲盘条)、喷丸法等,除鳞 ) , 效果较好,但不能使残余铁鳞去净(氧化铁皮清除率为98% 以上),尤其是氧化铁皮粘附很强时。因此,机械除鳞受铁皮 厚度、结构和应力状态的影响,仅用于低强度紧固件(≤6.8 级)用的低碳钢盘条。高强度紧固件(≥8.8级)用盘条在机械 除鳞后,为除净所有的氧化铁皮,再经化学酸洗工序即复合 除鳞。
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Mn能提高钢的淬透性,但添加过多则会强化基体组织 而影响冷成形性能;在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大 的倾向,故在国标的基础上适当提高,定为0.45%-0.80%。 Si能强化铁素体,促使冷成形性能降低,材料延伸率下 降。定为Si≤0.30%。S、P为杂质元素,它们的存在会沿晶 界产生偏折,导致晶界脆化,损害钢材的机械性能,应尽可能 降低,定为P≤0.030%,S≤0.035%。 B B含硼量最大值均为0.005%,因为硼元素虽然具有显 0.005%, 著提高钢材淬透性等作用,但同时会导致钢材脆性增加。 含硼量过高,对螺栓、螺钉和螺柱这类需要良好综合机械 性能的工件是非常不利的。 二、球化(软化)退火 沉头螺钉、内六角圆柱头螺栓采用冷镦工艺生产时, 钢材的原始组织会直接影响着冷镦加工时的成形能力。
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冷镦成型所能达到的精度还同成型方法的选择和所采 用的工序有关。此外,它还取决于所用设备的结构特点、 工艺特点及使用状态,工模具精度、寿命和磨损程度。 冷镦成型和挤压使用的高合金钢、硬质合金模具的工 作表面粗糙度不应大于Ra=0.2 µm,这类模具工作表面的 粗糙度达到Ra=0.025~0.050µm时,具有最高寿命。 六、螺纹加工 螺栓螺纹一般采用冷加工,使一定直径范围内的螺纹 坯料通过搓(滚)丝板(模),由丝板(滚模)压力使螺纹成形。 可获得螺纹部分的塑性流线不被切断,强度增加、精度高、 质量均一的产品,因而被广泛采用。 为了制出最终产品的螺纹外径,所需要的螺纹坯径是 不同的,因为它受螺纹精度、材料有无镀层因素限制。
影响高强度紧固件品质的工艺因素
五、冷镦成形 通常,螺栓头部的成形采用冷镦塑性加工,同切削加工 相比,金属纤维(金属流线)沿产品形状呈连续状,中间无切 断,因而提高了产品的强度,特别是机械性能优良。 冷镦成形工艺包括切料与成形,分单工位冷镦、双击 冷镦和多工位自动冷镦。一台多工位自动冷镦机分别在几 个成型凹模里进行冲压、镦锻、挤压和缩径等工艺一次完 成。 单工位或多工位自动冷镦机使用的原始毛坯的加工特 点是由材料尺寸长5~6米的棒料或重量为1900~2100kg的 盘条钢丝的尺寸决定的,即加工工艺的特点在于冷镦成型 不是采用预先切好的单件毛坯,而是采用自动冷镦机本身 由棒料和盘条钢丝切取和镦粗的(必要时)毛坯。 在挤压型腔之前,毛坯必须进行整形。通过整形可得 到符合工艺要求的毛坯。在镦锻、缩径和正挤压之前,毛 坯不需整形。
影响高强度紧固件品质的工艺因素
对低碳钢盘条而言,机械除鳞残留的铁皮,易造成拉拔 模不均匀磨损。当拉拔模孔由于盘条钢丝摩擦升温时粘附 上铁皮,使盘条钢丝表面产生纵向拉痕。盘条钢丝冷镦凸 缘螺栓或圆柱头螺钉时,头部出现微裂纹的原因,95%以上 是钢丝表面在拉拔过程中产生的划痕所引起。因此,机械 除鳞法不宜用来高速拉拔。 四、拉拔 拉拔工序有两个目的,一是改制原材料尺寸;二是通过 形变强化作用使紧固件获得基本的机械性能。对于中碳钢、 中碳合金钢还有一个目的,是使盘条空冷后得到的片状渗 碳体在拉拔过程中尽可能地破碎,为随后的球化(软化)退火 得到粒状渗碳体作好准备。然而,有些厂家为降低生产成