螺栓圆角滚压工艺分析及数控圆角滚压机研制

陈家兑，刘 勇，田丰果，王自勤

CHEN Jia-dui, LIU Yong, TIAN Feng-guo, WANG Zi-qin

（贵州大学，贵阳 550003）

0 引言

随着航空、航天、高速列车、高级乘用车等行业的蓬勃发展，各领域对高强度螺栓的要求越来越高。螺栓头下圆角处是应力集中点，是发生疲劳断裂的危险截面之一。对螺栓头下圆角部位采取冷滚压工艺，是大幅度地提高螺栓的疲劳强度的重要手段[1]。目前，国内对螺栓头下圆角滚压多采用钻床加装辅助工装，手工操作。使得生产中存在工艺参数不确定、不稳定，产品一致性差，工人劳动强度大等缺点。对于大飞机等重大项目，对高温合金、钛合金等特种螺栓提出的技术要求就更高，上述加工方式很难实现。

因此，研究螺栓圆角滚压工艺，研制与高强度螺栓圆角滚压大批量生产模式相适应的高性能专用生产装备，解决企业在高强度螺栓生产中的技术及装备瓶颈，具有重要意义。

1 螺栓圆角滚压工艺及影响因素分析

1.1 螺栓圆角滚压原理

对螺栓圆角的冷滚压是利用金属材料冷变形加工硬化的特性,通过滚压工具对圆角部位的回转滚压，使其表层材料在压应力作用下产生塑性变形，使表层晶粒组织致密，减小表面粗糙度，纤维保持连续流畅的状态,同时产生冷作硬化现象，在表面产生有利的残余压应力，从而提高螺栓的抗疲劳强度和可靠性[2]。

1.2 螺栓圆角变形要求

高强度螺栓的头下圆角经滚压后的变形量需要严格控制[3]。如图1所示，为螺栓头下圆角滚压变形示意图，为了满足提高疲劳强度的要求，相关标准中，对螺栓头下圆角的滚压变形量有严格规定，如图1中：A、B、C等。圆角滚压的基本要求是确保滚压深度尺寸B, 又保证圆角两侧与螺栓杆部、端部过渡光滑。

图1 螺栓头下圆角滚压变形示意图

图2 滚压夹具图

1.3 影响圆角滚压尺寸的主要参数分析

螺栓圆角的塑性变形受螺栓材料的性能、滚压前圆角几何尺寸及其公差、热处理情况等多因素的影响。通过大量试验研究表明，在工艺参数中影响圆角变形量的主要参数是滚压力、滚压转速及滚压时间[2,4]。

1）滚压力：滚压力是螺栓圆角产生塑性变形的直接原因，也是影响产品加工质量的主要参数。滚压力加载过大，导致变形量过大，滚压变形量控制参数A、B、C可能超差；滚压力加载太小，圆角变形量过小，达不到提高螺栓疲劳强度的预期效果。滚压力在圆角滚压过程中是一个动态的变化过程，受到螺栓本身的材料性能、圆角几何尺寸及其公差和变形程度，加载方式及其稳定性等因素的影响。此外，滚压过程还是一个包含了塑性变形、弹性变形的复杂变形过程。因此，滚压力的控制极为重要并有一定难度。

2）滚压转速：对于不同的材料性能、热处理、直径尺寸和圆角尺寸的螺栓, 在不同的滚压力作用下有不同的变形速度要求。因此，滚压转速必须根据螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及加工效率进行合理选择。滚压转速过快，材料变形不充分，变形反弹大，达不到变形量要求；反之，加工效率低下。

3）滚压时间：滚压时间是影响滚压变形量、表面质量的一个重要参数。滚压时间过长，效率低下，滚压部位可能出现起皮，表面质量反而下降；而滚压时间过小，变形量不足，表面质量低。为此，为了保证圆角滚压的塑性变形量、批量生产时滚压质量的稳定, 必须合理控制滚压时间。

2 数控圆角滚压机研制

2.1 数控圆角滚压机工作原理

经过研究分析以及与相关企业进行充分研讨，研制出了适应高强度螺栓大批量、现代化生产的专用数控生产装备。数控圆角滚压机由主机、滚压夹具和控制系统组成，如图2、3、4所示。工作时，变频电机驱动主轴做回转运动，并可根据加工螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及合理的加工效率等因素所需的变形速度要求通过人机交互界面调整转速；伺服电机通过传动系统驱动滚压夹具上升，当螺栓头部与主轴相连的压头接触时，在摩擦力的作用下，主轴带动螺栓做回转运动。同时，夹具上的滚轮也在摩擦力的作用下，由螺栓带动绕其轴线的回转运动；当压力检测系统检测到滚压力达到设定的参数时，控制系统进入恒压保持阶段。此时，螺栓圆角在滚轮的滚压作用下变形，滚压时间到达后，伺服电机反转，滚压夹具回到初始位置，完成一个螺母收口工作循环。

图3 结构示意图

图4 设备照片

2.2 滚压力加载过程分析

经过对圆角滚压过程和特点的试验、研究，变形量尺寸精度控制要求、圆角滚压后螺栓抗疲劳强度试验和大量生产、试验结果分析，结合生产要求，数控圆角滚压机应具有滚压力控制精度高、响应速度快，生产过程效率高、产品精度高和一致性好等特点。工作循环主要应包括装卸、快进、工进1、工进2、保压及快退等过程。滚压夹具在这五个过程中的位移线图如图5所示。

图5 滚压夹具位移线图

图6 人机交互界面

工作循环中：

装卸过程（0—t1）：设备进给系统处于停止状态，进行工件的装卸；

快进过程（t1—t2）：装卸位置的存在使滚压夹具有较大的空行程，这一过程中工件应尽可能快速接近压头，提高生产效率；

工进1过程（t2—t3）：此时，工件离压头距离较小，滚压夹具上升速度迅速减小，实现平稳加载；

工进2过程（t3—t4）：当滚压力接近设定目标值时，夹具从工进1速度切换到一个更低的速度进行加载，以利精确控制滚压力；

保压过程（t4—t5）：滚压力达到设定值时，为了使材料充分变形，有效控制回弹量，保证圆角滚压变形量精度、表面质量，系统进入恒压滚压阶段。

快退过程（t5—t6）：夹具以最快速度退回到装卸位置，提高加工效率；

上述工作过程中，滚压转速和滚压力是实现圆角滚压的关键；保压过程，是保证圆角变形尺寸精度及大批量生产产品尺寸、抗疲劳强度一致性的关键；快进、快退与工进、保压之间进行大速度比的运动转换是实现大批量高效生产的关键。

2.3 数控圆角滚压机主要特点

2.3.1 位置控制精度高

在位置控制技术方面，螺母收口机采用数控技术进行位置控制，通过绝对位置控制模式，实现了运动部件快速而准确的坐标位置精确控制。执行件的脉冲当量为δ＝10µm/pulse的高精度控制。

2.3.2 滚压力的精确控制

设备在滚压夹具与传动系统中串联了合适的弹性补偿系统以及压力传感器。无弹性补偿系统串联时，系统刚度过大。由于不可避免的零件尺寸误差、变形过程中的尺寸变化、设备运动误差及振动等将造成压力波动过大。弹性补偿系统的引入，降低了滚压力对夹具位移、螺栓变形尺寸、设备振动、运动及运转误差和位置控制精度等因素的敏感性，同时起到缓冲作用，为力的精确控制奠定了基础。通过压力传感器实现滚压力的实时测量与监控，两者共同作用实现了滚压力的精确控制，误差控制在设定值的3%之内。

2.3.3 生产效率高

由于采用伺服驱动，各运动过程的速度均可在相当大的范围调整，适应了大速度比运动速度转换，使快进、快退等过程得以高速完成，节约了时间，且过程转换平稳，生产效率大幅度提高，满足了高效生产要求。

2.3.4 滚压速度可控可调

主轴采用无级变频调速驱动，可根据加工螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及加工效率等因素需要的变形速度要求进行调整，调速方便、可靠，实现不同的滚压转速控制。

2.3.5 设备适应性好

通过更换滚压夹具及调整，能适应各种不同规格的螺栓圆角滚压加工。滚压夹具的三组滚轮，具有自动定心功能，调整方便。

2.3.6 具有配方功能和日记功能

产品质量追踪、配方生产是许多重要零件质量保证的重要措施，也是必不可少的环节。设备利用高端触摸屏实现了产品生产工艺的配方功能及日记功能。配方功能实现了相同规格产品的工艺参数的一致性，从而保证了不同批次产品的质量与一致性，减少人为因素，提高了工作效率。日记功能实现了每件产品的生产情况记录，对生产日期、生产者、批号、工艺参数的动态记录，为产品质量追踪、质量保证提供了数字资料。

2.3.7 操作、监控界面友好，使用、维护方便

数控螺母收口机采用触摸屏及少量按钮开关组成人机交互系统，为用户提供了友好的操作、监控界面[5]，工艺参数、设备运行参数均通过屏幕直接数字输入，操作简便、直观。同时，通过触摸屏可以在线实时监控加工过程及设备运行情况，快速发现产品缺陷和设备故障。设备使用、维护方便。部分操作界面如图6所示。

3 应用效果

数控圆角研制成功后，进行了大量针对性试验，试验结果表明，设备性能良好。其中，对圆角滚压起关键作用的滚压力、滚压速度及滚压时间控制精度均达到较高水平。滚压力控制误差3%范围内，较好的控制了滚压转速，精确控制了滚压时间。设备运行平稳，基本无噪声，设备运行参数可以在相当大的范围调整，适应不同产品加工要求。目前，设备已交付国内多家企业使用，对几十种上百万件不同规格不同材料的高强度螺栓进行了批量加工，产品合格率近100%，设备运行稳定，提高了产品质量及稳定性，为企业提高了生产效率，创造了良好的经济效益。

4 结论

通过对高强度螺栓圆角滚压工艺的试验、分析，找出了影响圆角滚压的主要因素。根据工艺研究结果，研制了满足螺栓圆角滚压大批量、现代化生产的专用数控生产装备。该设备采用了数控、伺服驱动、变频调速、触摸屏人机交互等技术，具有滚压力控制精度高且稳定，生产效率高、适应性好、运行平稳、操作维护简单、环境友好等特点。实际应用表明，数控圆角滚压机运行良好，产品质量稳定，适合于各种规格的高强度螺栓的单件试验及大批量生产。

[1]管其明,王自勤,余述凡.高强度螺栓圆角冲击滚压技术[J].航空制造工程,1998(3).

[2]余述凡,王自勤,刘凤章.高强度螺栓圆角冷挤机[J].航空制造工程,1997(5).

[3]余述凡,王自勤,刘凤章.高强度螺栓圆角冷挤压工艺研究[J].新工艺新技术,1996(3).

[4]王勉, 王自勤.Tc16螺栓头下圆角滚压工艺参数与疲劳强度研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版), 2008(5).

[5]日本三菱公司.GT Designer2版本2画面设计手册[Z].2006.