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当前位置:首页 > 新闻资讯 > 公司动态 螺纹紧 固件生产工艺之螺栓螺钉螺柱 时间:2018-12-21 点击量:
螺纹紧 固件的生产作为紧固件全生命周期的重要一环,是决定 连接副在全生命周期可靠性的重要过程。螺纹紧 固件的主要生产工艺包括:材料改制,毛坯成型,螺纹成型,机加工,热处理,表面处理,表后处 理以及筛选和包装。
对于某 个具体螺纹紧固件,其生产 工艺并不一定包含上述所有的过程,而是上 述过程的部分组合。
例如:六角法兰面螺栓,其生产工艺过程为:材料改制→冷镦成型→螺纹成型(搓丝)→调质热处理→表面处理→筛选→包装
1.材料改制
材料改 制作为一个过程,就是将 钢厂生产的热轧盘条,经过加 工变成适合冷镦成型的精线。(红打成 型可直接由棒材剪断下料,无需改制)
在材料改制过程中,盘条发 生了三方面的变化:
1.线径由 入厂直径变成冷镦工艺要求直径,并保证了圆度;
2.线材内 部组织由钢厂热轧片状珠光体组织变成球状珠光体组织,硬度降低,塑性更好;
3.表面状 态由热轧氧化皮状态变成磷皂化状态,适于冷镦润滑。
为达成上述三个目的,材料改 制一般是由三个分过程所组合而成:酸洗磷皂化、拉丝(抽线)、球化退火退火/再结晶退火。
酸洗就 是用酸清洗掉盘圆表面的氧化皮/铁锈;磷化是 在盘圆基体表面形成一层多孔的磷酸盐覆盖层;皂化是 在磷化后的盘圆上附着一层皂化物润滑剂,磷化和 皂化一起在盘圆表面形成润滑层,为拉丝或冷镦润滑。这三个 过程都在酸洗磷皂化生长线上进行。
拉丝是 经磷皂化的盘圆通过拉丝模具缩径为需要直径线材的过程,用拉丝机进行加工。
球化退 火是将盘圆在其材料的Ac1温度以上20-30℃,保温一 段时间后缓慢冷却,得到在 铁素体基体上均匀分布球状或颗粒状碳化物的组织。球化退 火后的材料塑性好,易于冷镦加工。再结晶 退火是将经过粗抽的线材再次退火,消除冷作硬化,以便再 次精抽到合适线径。
为完成 一种线材的改制,往往需 要上述三个工序的多次组合而成。形成诸如一球一抽,一球两抽,两球两抽的制程组合。
例如φ25的SCM435材料,经两球两抽为φ24的精线,其改制路线为:酸洗→球化→酸洗磷皂化φ→粗抽φ24.49→再结晶退火→酸洗磷皂化→精抽φ24。
2.冷镦成型
冷镦成 型是指用冷镦机将精线用模具冷镦为零件毛坯,除特殊尺寸(细杆、大倒角等)和螺纹外,零件的 所有尺寸均在此工序获得。
冷镦的 模具分成两部分,一部分 主要用来成型螺纹杆部,称为主模;一部分成型螺栓头部,称为冲模。螺栓类 紧固件的头部一般需要多次变形才能成型,螺纹杆部则不一定。
根据可 成型零件的复杂程度,冷镦机 分成了多种型号,根据主 模冲模的数量分为:一模两冲,两模四冲,三模三冲,四模四冲,五模五冲。螺栓螺 钉类零件一般使用上述设备足矣。更复杂 的设备一般用来成型非标异性零件。
根据可 成型零件的大小,设备会分成多种型号。设备型 号一般包含代表成型能力的代号和代表模腔数量的代号组成,如10B4S,
冷镦模 具是多个部件的组合,例如一 套四模四冲成型模具,其由四 个工步的模具组成,每个工 步又分成主模和冲模,主模和冲模又由模壳,凹模,片模,冲针,顶针,弹簧等组成,其中一 些部件是共用的,一些部件(涉及零件具体尺寸)是根据零件特制的。
    零件冷 镦成型加工首先需要根据模具设计将需要的模具组合装配到一起,再装入冷镦机。再将设 计要求的线径精线导入,设备上有切料模,切下设计的长度,再依次 通过各个工步镦锻成型,每一工 步都需要根据最终成型零件的尺寸来进行调整,如增加 或减少切料长度,调整顶针位置等等。直到合 格零件冷镦出来。对于复杂的产品,这一过 程往往需要几个小时甚至几天(新产品 新模具新工艺初次调试)。这也是 制约整个冷镦产能的关键过程。
3.机加工
机加工 用于成型零件上不能用冷镦成型的特殊尺寸,比如大的倒角,径向孔洞等。用于紧 固件的机加工设备很多,既有专 用的如螺栓倒角机,也有通用的数控车床,钻床等设备。下面将 简单介绍常见的紧固件机加工。
倒角:主要用 于螺栓尾部倒角,特别是 螺纹导向端如截锥端、圆锥端 的尾部倒角都需要通过机加工进行成型。这一类 尾部倒角现用自动倒角机可以快速进行加工。
车削:是指用 数控车床对特殊尺寸杆部、头部进行的加工。中间细小的光杆、杆部凹槽、球头、大尺寸 轴肩等一般需要通过车削进行加工。车削加 工需要配合适用的夹具才能完成。
钻孔:螺栓头 部穿钢丝的空洞、空心螺栓(例如制动钳过油螺栓)的中心 孔和径向孔等需要用钻孔机进行钻孔加工。
校直:对于长 径比很大的螺栓(一般大于10),其在热处理、表面处 理等加工过程中容易产生弯曲,需要根 据产品特性在热处理后或包装前对零件进行校直。校直前 后一般需要用直线度检具进行全选以确保合格。
磨削:对于精 度等级要求很高的螺纹坯径以及有高精度配合要求的螺栓杆部,需要用 磨床进行加工以保证尺寸进度。
割尾:对于有割尾槽的螺栓,需要用 专用割尾机进行加工。也有用 冷镦直接成型的,不过这 种方式的刮漆槽部位是圆弧形,不利于 刮削油漆以及异物。
4.螺纹成型
螺纹成 型是加工螺纹的过程,目前的 螺纹都是通过挤压的方式成型螺纹,根据成 型的力的大小分为搓丝和滚丝,如图1。
搓丝是 用两块平的搓丝板,一块往复运动,一块静止,搓丝板 在一次往的过程中即完成了螺纹的挤压成型;然后搓丝返回至起点,送料机 构将新的光坯再次送入,重新开始新的循环。
搓丝的 挤压力来自于电机的往复力,对于大 规格螺栓力量不够,此时需要使用滚丝,滚丝是 使用两个滚丝轮,滚丝轮上刻有螺纹,成型时,先将光 坯放入旋转的滚丝轮之间,再使用 液压机构挤压一侧滚丝轮,到达设 定挤压终点时返回即完成一件零件螺纹加工。对于大规格(M18以上)和部分 热处理后螺纹成型的零件采用滚丝。还有一些形状特殊,用搓丝 机不好送料的零件也有用滚丝加工的。滚丝一 般采用人工放料,加工效率低于搓丝。
螺纹成 型分为热前搓丝和热后搓丝,热前是 指螺纹成型在热处理前,此时螺 栓材料硬度较低,易于加工,搓丝板的寿命也高。热后搓 丝是指在热处理后进行螺纹成型,热后螺 纹成型可以保留成型时对螺纹表面的压应力,螺纹的 抗疲劳性能更好,多用于 发动机等承受交变载荷的零件,但是热 后搓丝的搓丝板寿命低,成本更高。
5.热处理
热处理 是通过加热和冷却的配合获得需要的螺栓材料组织,达到需 要的机械性能的过程。紧固件 的热处理主要有三种:调质、渗碳(可和调质同步进行)和感应淬火。
调质热处理是淬火+高温回火,得到回火马氏体(索氏体)的热处理过程,采用热 处理加工线来完成,典型的 紧固件调质热处理线见图2。
螺栓经上料,清洗除油(现在也 通常将脱磷集成到这一步,称为在线脱磷),再进入淬火加热炉,在奥氏 体化温度下保温一段时间后,掉入淬 火油槽完成淬火;淬火后 的零件组织为马氏体组织,硬度很高,但脆性也大,再经清 洗去油后进入回火炉高温回火,组成变成索氏体,硬度降低,塑韧性也提高,获得综 合优良的机械性能。   
6.表面处理
紧固件 的表面处理首先是为了零件的防腐蚀,包括储 存防腐和功能性防腐,同时也 为了获得某些表面要求,比如摩擦系数、导电性、外观。
常见的 防护性表面处理分为:短期低等级防腐,发黑上油和磷化上油;中等级防腐,电镀锌;高等级防腐,电镀锌 合金和无铬锌铝涂层。不太常 用的还有电泳和热浸锌。其它功 能或外观表面处理有:锌锡合金、镀铜和镀铬。
发黑上油:发黑是 通过强氧化剂在零件表面形成一层四氧化三铁薄膜,达到防腐蚀的目的,传统的 发黑在高温的强碱性溶液中浸泡发黑,污染大,能耗高。现在也 有在回火炉内通入特殊气体来发黑的气体发黑方法,以及利用回火余温,在回火 冷却槽内添加发黑剂发黑的液体发黑法。但需要注意的是,后两种 发黑法并未在零件表面形成致密的四氧化三铁薄膜,液体发 黑是在零件表面附着了一层黑色树脂。虽然也 能达到提高防腐蚀的效果,但在表 面摩擦性能上是有区别的。
磷化上油:磷化上 在零件表面通过化学反应形成一层磷酸盐沉积物,再通过上油填充空隙,达到防腐蚀的目的,且磷化层疏松易滑动,能起到 很好的润滑作用,表面摩擦系数稳定。磷化根据药水的不同,有锌系、锰系、锌钙系等,他们在 形成的磷酸盐晶体的结构上存在差别,因此在 防腐和摩擦系数上存在差别。
电镀锌:电镀锌 是钢铁零件最常用的防腐蚀措施,且具有很好的外观,在紧固 件上也有大量的应用。
电镀锌工艺过程为:出油→除锈→镀锌→钝化→封闭。先除油 除锈获得清洁的表面,再通过 电化学反应在零件表面镀上锌层,再用钝 化剂在锌表面形成致密的铬酸盐钝化膜,最后再 用封闭剂填充钝化膜裂纹。
根据电 镀锌槽药水的配方酸碱性,电镀锌 分为酸性镀锌和碱性镀锌,根据钝 化液是否含六价铬又分为三价镀锌和六价镀锌,六价铬为剧毒物,电镀废水处理困难,所以现 在逐步淘汰六价铬钝化。为控制 电镀锌的表面摩擦系数,一般在 封闭剂里加入摩擦控制润滑剂。
电镀锌一般推荐用于8.8级及以 下性能等级紧固件,10.9级螺栓 因存在氢脆风险不推荐使用电镀锌,使用时必须增加驱氢;12.9级重要 部位螺栓禁止镀锌。
需要注意的是:
a无论碱 性镀锌还是酸性镀锌,电镀液均为水溶液,存在氢离子,故均存在氢脆风险。
b驱氢只 能减小氢脆发生的风险,不能完全消除。
c氢脆的 平行支撑面检测合格并不能完全排除发生氢脆的可能。
d氢离子 进入钢铁基体主要在电镀过程中,酸洗过程的时间短,温度低。对氢脆的贡献:电镀>磷化>酸洗。
电镀锌 层在受到外界腐蚀时,外层钝 化封闭层首先被破坏,锌层与 水和氧反应形成白锈;然后腐蚀继续,锌层穿 透后金属基体发生腐蚀生成三氧化二铁的红锈。这就是 盐雾试验中的白锈时间和红锈时间。增加封 闭是为提高白锈时间,提高锌 层厚度可以提高白锈到红锈的时间。发黑和 磷化不存在锌层,故没有白锈时间,只有红锈时间。
电镀锌合金(锌镍合金、锌铁合金):通常,电镀锌即使经过封闭,其防腐 蚀盐雾等级也不过两三百小时。对镀锌 层添加合金可以提高锌层的防腐蚀能力,常用的 镀锌合金有锌镍合金和锌铁合金。其盐雾 时间可达七八百小时。(现在,也有通 过添加树脂封闭剂来大幅提高防腐蚀性能的镀锌方法,通常是黑锌。其原理 是在传统镀层外增加树脂保护层,利用树 脂的防腐蚀能力来延长白锈时间,从而提高防腐蚀能力)
与电镀锌类似,电镀锌 合金也存在氢脆风险,零件强 度等级越高风险越大。
无铬锌铝涂层:无铬锌 铝涂层又称环保达克罗,与达克 罗的关系可见小编以前的文章《达克罗 涂层的三生三生》。其具有环保(无含重 金属的废水废渣),无氢脆 风险和防腐蚀能力强的优点。在高强度、高防腐 蚀要求的紧固件上得到大量使用。无铬锌 铝涂层分为底涂和面涂,底涂主 要是锌片和铝片以及粘接剂组成,起到防腐蚀的目的,面涂一 般含有摩擦系数稳定剂,可以控制摩擦系数,也可以 提高防腐蚀能力和得到特殊外观。
无铬锌 铝涂层和电镀相比,唯一的 缺点就是涂层与基体的结合力弱于镀层,在某些 条件下可能会发生局部脱落影响防腐蚀能力。
从摩擦 系数的稳定性和不同表面的适应性上,无铬锌 铝涂层由于电镀层。
电泳:电泳是 通过电化学方法在金属表面沉积一层高分子树脂,起到防腐蚀目的。氢脆风险较小,但使用率不高,仅在一 些内饰用紧固件上有应用。
热浸锌:热浸锌 是将紧固件浸泡于熔融的锌液中得到,锌层厚度很厚,可达50um以上,汽车用 紧固件很少使用。螺纹工程需选用6az等级,螺纹强度会降低,且能耗高,不环保。
锌锡合金:在电气系统用紧固件,为导电需求,有采用锌锡合金电镀。
镀铜:对焊接螺栓,为提高导电性,会采用镀铜处理;对某些 高温环境使用的螺栓螺母,也有采用电镀铜。总的紧 固件镀铜应用较少。
镀铬:为保证外观,外露的 车轮螺母会采用镀亮铬。
7.表后处理
表面处 理主要是为紧固件的防腐蚀需求,兼顾外 观和摩擦系数控制要求。对于另 外一些特殊要求,需要在 表面处理后再进行处理,紧固件 常用的表后处理有涂胶、凃蜡和防粘剂。
涂胶:涂胶的 一大目的是增加螺栓防止旋转松动的能力。按其原 理分为化学胶和尼农胶。另一类 涂胶是起到密封的目的。
化学胶就是粘接剂,预涂于 螺栓啮合螺纹处,安装后胶水发生反应,将螺栓螺母粘接防松。化学胶又细分为AB胶和厌氧胶,AB胶里面 有两种组分的微胶囊,螺栓安装挤破微胶囊,两种组 分发生反应固化粘接;厌氧胶 的组分微胶囊破裂后在无氧条件下发生固化粘接。化学胶 固化后拆卸会破坏粘接,维修需更换新螺栓。
尼龙胶 是在螺纹表面涂上一层硬质尼龙,安装后 依靠尼龙的嵌入挤压力防松。加工时 先将螺栓通过感应加热,再将尼 龙粉喷于螺栓加热表面,尼龙粉 融化粘接其上完成涂布。
密封胶类似于化学胶,安装后固化,起到防止泄露的目的,对其有 防泄露测试要求。
凃蜡:对于有 些需要特别润滑的紧固件,常规的 封闭剂或面涂层内涵润滑剂不能满足要求,此时需要额外凃蜡。比如三角牙自攻螺栓。蜡分为水蜡和固体蜡,水蜡采用浸泡+甩干+烘干的加工工艺;固体蜡 需要将蜡先融化,再浇淋 到感应加热的螺栓上的特定部位。
某些屈 服点装配的螺栓,为获得 尽可能大的轴向预紧力,也会凃蜡润滑。
防粘剂:典型代表如特氟龙,在焊接螺栓、焊接螺 母等需随车身电泳的紧固件上有应用。可以防 止螺栓粘上焊渣,也可避 免紧固件在随车身电泳时堆积电泳漆。
8.筛选
生产完成的螺栓,在包装 前需要筛选已挑出缺陷零件或混料,目前的 筛选有光学筛选、激光筛选和涡流筛选。筛选一 般都是采用比对法,光学筛 选和激光筛选可以筛选混料和外形尺寸缺陷(如无螺 纹或螺纹不完整,漏垫片等),光学筛 选还可以筛选内凹槽积液;涡流筛 选可以筛选大的硬度偏差,筛选材 料错误混料和热处理零件异常。
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