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螺纹紧固件的生产工艺概述-螺栓、螺钉、螺柱

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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点击次数:19次 发布时间:2018/11/12 【打印此页】【关闭
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