论文部分内容阅读
摘要：针对柴油机组装过程中出现的16V280ZJA柴油机主轴承盖及气缸盖螺栓、螺母组装困难，螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题，从长螺纹配合精度和螺栓螺纹加工工艺方面进行了原因分析，并提出了切实可行的解决方法，实施后保证了长配合螺纹的质量，解决了长配合螺纹组装困难、螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题。
关键词：螺纹配合；滚丝轮；咬死；解决方法
1.问题的提出
运用于16V280ZJA柴油机上的主轴承盖及气缸盖螺栓（以下简称280大螺栓），如图1所示，其设计精度高，精度等级为M48×3-4h，与之配合的螺母及机体螺孔精度为M48×3-4H，螺纹配合长度达到90mm。因为规格为M48×3的4h螺纹的标准配合长度为≤45mm，280大螺栓、螺母的配合精度已超过了精密设计。
图1 280大螺栓
为了加工出合格的高精度、高强度螺栓，螺纹采用滚压加工。而长期以来，280大螺栓、螺母一直存在着组装困难，螺纹咬死甚至不能正常拆卸的质量问题，严重制约了16V280ZJA型柴油机正常装配和检修。
2.280大螺栓螺纹咬死质量问题的原因分析
造成280大螺栓与螺母组装困难，螺纹咬死甚至不能正常拆卸的质量问题的原因分析如下：
2.1.螺纹的设计精度过高。根据国家标准GB/T197-2003规定，对于精密设计，当螺栓、螺母装配属于长配合螺纹时即>45配合时，内螺纹精度取6H，外螺纹取5h或4h。而280大螺栓设计精度为M48×3-4h，其中径公差为最大值Φ46.051，最小值Φ45.919，公差带宽度为0.132。我公司设计要求螺母和机体螺孔与之配合的设计精度为M48×3-4H，其中径公差最大值Φ46.231，最小值Φ46.051，公差带宽度为0.180。两者旋合长度为90mm，因此280大螺栓螺纹的配合长度及螺纹精度均已超过了精密设计要求，当螺纹旋合长度增加时，螺距累积误差、螺旋线轴向误差就有可能增加，加工时要求满足同样的公差值就会更加困难；相反，当旋合长度减小时，加工时要求满足同样的公差值就会容易些。因此，当尺寸精度及形位公差一旦在极限状态时极易出现组装困难、螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题。
2.2.检测手段不足。在螺纹批量生产中，可采用螺纹量规联合对螺纹进行综合检验，可综合检验内、外螺纹作用中径是否合格。检测280大螺栓用的螺纹环规，由于标准螺纹环规厚度只有24mm，因此只能满足标准配合螺纹长度L≤45的检测要求，对长配合螺纹长度L>45的检测却不能满足。
2.3.滚丝轮存在问题：标准滚丝轮内孔直径一般采用Φ54或Φ75，我公司目前采用的是Φ75孔径。滚丝轮在加工产品时，滚丝轮受力不平衡，除受径向力外，还有轴向力等，与滚丝轮内孔相配的机床芯轴因孔径受到限制，造成滚压径向压力不足，达不到M48×3螺纹一刀滚压成型的压力要求。280大螺栓无法一刀滚压加工成活，必须采用多刀滚压螺纹，多刀滚压极容易产生螺纹叠压、粗糙度降低、产生毛刺，降低了滚丝轮的使用寿命，同轴度、圆度、直线度均得不到保证，致使螺纹质量下降。
2.4.热处理硬度问题：280大螺栓硬度范围要求为296～350HB。在热处理时，为保证机械性能合格，螺栓硬度通常按上限热处理。由于炉温的不均匀性和螺栓平放方式，造成同炉螺栓热处理硬度离散度较大，有时达到6HRC。螺纹加工中，因螺栓硬度不均匀，致使滚丝轮受力不均，在螺纹滚压中，由于螺栓在圆周和长度方向上存在热处理硬度误差，因复映误差的影响，产生螺纹的螺距累积误差和螺旋线轴向误差，造成螺纹的形位公差得不到保证，降低滚丝轮滚压质量和滚丝轮的耐用度。
3.280大螺栓螺纹咬死的解决方法
根据上述原因分析，对280大螺栓螺纹咬死质量问题的解决方法如下：
3.1.根据国家标准GB/T2516-2003，并结合产品特点，设计部门下达了280大螺栓螺纹精度按M48×3-4h、螺母及机体螺孔的螺纹精度按M48×3-5H的内控标准执行的通知，即中径公差最大值Φ46.275，最小值 Φ46.051，这样螺纹5H的中径公差带宽度为0.224，比原螺母及机体螺孔4H螺纹的中径公差带宽度0.18，中径公差带宽度放宽了0.044，适当加大了螺纹配合的间隙，降低螺纹配合的精度，有利于解决螺纹配合咬死的质量问题。
3.2.优化改进回火工艺，按工艺规定，定期检测、校验炉中温度场，保证回火后的产品硬度比较均匀，同一热处理炉的280大螺栓硬度离散度控制在3.5HRC以内。重新制作回火框以改善280大螺栓装炉方式，以前采用重叠平放，重新制作回火框后改为竖放，使280大螺栓受热更均匀，避免重叠平放产生变形。
3.3.螺栓端部的退尾倒角，一般要求为45°。经过多次工艺试验，采用了与水平方向倒角为30°的工艺参数，解决了滚丝轮在滚压过程中，因倒角偏斜造成的滚丝轮崩牙的问题。
3.4.因Φ75孔滚丝轮孔径小，造成滚丝机芯轴直径偏小，按滚丝机厂家提供的压力公式计算需要50t压力时，才能实现280大螺栓M48×3螺纹一刀滚压成型的要求。而直径为Φ75的芯轴承受不了50t径向压力，因此必须采用多刀滚压，螺纹必将产生接刀，造成形位公差得不到保证。而国内滚丝轮制造方式多为滚压制式，制造精度不能达国家标准，因制造精度差，每付滚丝轮通常在加工300～500件产品左右时，由于其滚丝轮硬度为HRC61～62，有时在加工200件时，滚丝轮就崩牙或牙型变形，精度就不能满足滚压要求，必须更换滚丝轮，致使寿命短。
经过多次试验、调整加工的工艺及参数，选用了国产非标准的Ф100孔径磨制AM48×3×140-2滚丝轮，如图2。由于滚丝轮孔直径的加大，与之相配的滚丝机芯轴直径得到增粗，所承受的径向滚压压力完全满足压力50t要求，解决了一刀滚压螺纹成型。280大螺栓螺纹经计量检测，形位公差完全满足了图纸要求，每付滚丝轮可正常加工800～1200件产品。
图2 滚丝轮
3.5.对滚轮生产厂家提出较高的制造非标滚丝轮的技术要求，确保磨制滚丝轮的制造精度达到国家标准规定的要求。用改进后的Φ100孔径的滚丝轮加工的螺纹表面质量得到较大提高，毛刺显著减少。
3.6.调整滚丝轮轴线到最佳位置：进行螺栓首件检查及螺栓螺纹中径跳动计量。根据计量结果，精细调整滚丝轮轴线与螺栓轴线的平行度，确保280大螺栓螺纹加工符合图纸要求。
3.6.模拟280大螺栓螺纹栽入机体螺孔的装配实际情况，设计制作了280大螺栓螺纹加长专用检具（工艺螺母），以加强螺栓螺纹径向跳动的检查，同时保证了90mm外螺纹的直线度检测，作为标准螺纹环规检测的补充检具，使用后满足长螺纹检测的要求。
3.8.采用新材料3M工业百洁布清除280大螺栓螺纹加工后产生的毛刺，并纳入正式工艺。新增螺母清洗、去毛刺工序，提高产品外观质量。
3.9.采用塑料套保护280大螺栓两端螺纹，可以有效地防止搬运过程中螺纹的磕碰。
4.结束语
通过对280大螺栓螺纹咬死质量问题分析并实施提出的解决方法，加强了280大螺纹滚压加工的过程控制，自制了螺纹检具，从螺纹滚压加工过程、热处理装炉方式及热处理工艺完善，清洗去毛刺，螺纹保护等方面进行控制，保证了长螺纹配合螺纹的加工质量，解决了280大螺栓与螺母组装困难、螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题，取得了一定的技术效益及经济效益。
参考文献：
[1]上海市金属切削技术协会，《金属切削手册》[M]，海科学技术出版社，2003。
[2]GB/T971-2008《滚丝轮》，中国标准出版社，2008.9。
[3]许祖德、薛恒明，《金属切削刀具与磨具标准应用手册》[M]，机械工业出版社，1996。
[4]姜繁《公英制连接螺纹标准手册》[M]，中国标准出版社，1995。
关键词：螺纹配合；滚丝轮；咬死；解决方法
1.问题的提出
运用于16V280ZJA柴油机上的主轴承盖及气缸盖螺栓（以下简称280大螺栓），如图1所示，其设计精度高，精度等级为M48×3-4h，与之配合的螺母及机体螺孔精度为M48×3-4H，螺纹配合长度达到90mm。因为规格为M48×3的4h螺纹的标准配合长度为≤45mm，280大螺栓、螺母的配合精度已超过了精密设计。
图1 280大螺栓
为了加工出合格的高精度、高强度螺栓，螺纹采用滚压加工。而长期以来，280大螺栓、螺母一直存在着组装困难，螺纹咬死甚至不能正常拆卸的质量问题，严重制约了16V280ZJA型柴油机正常装配和检修。
2.280大螺栓螺纹咬死质量问题的原因分析
造成280大螺栓与螺母组装困难，螺纹咬死甚至不能正常拆卸的质量问题的原因分析如下：
2.1.螺纹的设计精度过高。根据国家标准GB/T197-2003规定，对于精密设计，当螺栓、螺母装配属于长配合螺纹时即>45配合时，内螺纹精度取6H，外螺纹取5h或4h。而280大螺栓设计精度为M48×3-4h，其中径公差为最大值Φ46.051，最小值Φ45.919，公差带宽度为0.132。我公司设计要求螺母和机体螺孔与之配合的设计精度为M48×3-4H，其中径公差最大值Φ46.231，最小值Φ46.051，公差带宽度为0.180。两者旋合长度为90mm，因此280大螺栓螺纹的配合长度及螺纹精度均已超过了精密设计要求，当螺纹旋合长度增加时，螺距累积误差、螺旋线轴向误差就有可能增加，加工时要求满足同样的公差值就会更加困难；相反，当旋合长度减小时，加工时要求满足同样的公差值就会容易些。因此，当尺寸精度及形位公差一旦在极限状态时极易出现组装困难、螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题。
2.2.检测手段不足。在螺纹批量生产中，可采用螺纹量规联合对螺纹进行综合检验，可综合检验内、外螺纹作用中径是否合格。检测280大螺栓用的螺纹环规，由于标准螺纹环规厚度只有24mm，因此只能满足标准配合螺纹长度L≤45的检测要求，对长配合螺纹长度L>45的检测却不能满足。
2.3.滚丝轮存在问题：标准滚丝轮内孔直径一般采用Φ54或Φ75，我公司目前采用的是Φ75孔径。滚丝轮在加工产品时，滚丝轮受力不平衡，除受径向力外，还有轴向力等，与滚丝轮内孔相配的机床芯轴因孔径受到限制，造成滚压径向压力不足，达不到M48×3螺纹一刀滚压成型的压力要求。280大螺栓无法一刀滚压加工成活，必须采用多刀滚压螺纹，多刀滚压极容易产生螺纹叠压、粗糙度降低、产生毛刺，降低了滚丝轮的使用寿命，同轴度、圆度、直线度均得不到保证，致使螺纹质量下降。
2.4.热处理硬度问题：280大螺栓硬度范围要求为296～350HB。在热处理时，为保证机械性能合格，螺栓硬度通常按上限热处理。由于炉温的不均匀性和螺栓平放方式，造成同炉螺栓热处理硬度离散度较大，有时达到6HRC。螺纹加工中，因螺栓硬度不均匀，致使滚丝轮受力不均，在螺纹滚压中，由于螺栓在圆周和长度方向上存在热处理硬度误差，因复映误差的影响，产生螺纹的螺距累积误差和螺旋线轴向误差，造成螺纹的形位公差得不到保证，降低滚丝轮滚压质量和滚丝轮的耐用度。
3.280大螺栓螺纹咬死的解决方法
根据上述原因分析，对280大螺栓螺纹咬死质量问题的解决方法如下：
3.1.根据国家标准GB/T2516-2003，并结合产品特点，设计部门下达了280大螺栓螺纹精度按M48×3-4h、螺母及机体螺孔的螺纹精度按M48×3-5H的内控标准执行的通知，即中径公差最大值Φ46.275，最小值 Φ46.051，这样螺纹5H的中径公差带宽度为0.224，比原螺母及机体螺孔4H螺纹的中径公差带宽度0.18，中径公差带宽度放宽了0.044，适当加大了螺纹配合的间隙，降低螺纹配合的精度，有利于解决螺纹配合咬死的质量问题。
3.2.优化改进回火工艺，按工艺规定，定期检测、校验炉中温度场，保证回火后的产品硬度比较均匀，同一热处理炉的280大螺栓硬度离散度控制在3.5HRC以内。重新制作回火框以改善280大螺栓装炉方式，以前采用重叠平放，重新制作回火框后改为竖放，使280大螺栓受热更均匀，避免重叠平放产生变形。
3.3.螺栓端部的退尾倒角，一般要求为45°。经过多次工艺试验，采用了与水平方向倒角为30°的工艺参数，解决了滚丝轮在滚压过程中，因倒角偏斜造成的滚丝轮崩牙的问题。
3.4.因Φ75孔滚丝轮孔径小，造成滚丝机芯轴直径偏小，按滚丝机厂家提供的压力公式计算需要50t压力时，才能实现280大螺栓M48×3螺纹一刀滚压成型的要求。而直径为Φ75的芯轴承受不了50t径向压力，因此必须采用多刀滚压，螺纹必将产生接刀，造成形位公差得不到保证。而国内滚丝轮制造方式多为滚压制式，制造精度不能达国家标准，因制造精度差，每付滚丝轮通常在加工300～500件产品左右时，由于其滚丝轮硬度为HRC61～62，有时在加工200件时，滚丝轮就崩牙或牙型变形，精度就不能满足滚压要求，必须更换滚丝轮，致使寿命短。
经过多次试验、调整加工的工艺及参数，选用了国产非标准的Ф100孔径磨制AM48×3×140-2滚丝轮，如图2。由于滚丝轮孔直径的加大，与之相配的滚丝机芯轴直径得到增粗，所承受的径向滚压压力完全满足压力50t要求，解决了一刀滚压螺纹成型。280大螺栓螺纹经计量检测，形位公差完全满足了图纸要求，每付滚丝轮可正常加工800～1200件产品。
图2 滚丝轮
3.5.对滚轮生产厂家提出较高的制造非标滚丝轮的技术要求，确保磨制滚丝轮的制造精度达到国家标准规定的要求。用改进后的Φ100孔径的滚丝轮加工的螺纹表面质量得到较大提高，毛刺显著减少。
3.6.调整滚丝轮轴线到最佳位置：进行螺栓首件检查及螺栓螺纹中径跳动计量。根据计量结果，精细调整滚丝轮轴线与螺栓轴线的平行度，确保280大螺栓螺纹加工符合图纸要求。
3.6.模拟280大螺栓螺纹栽入机体螺孔的装配实际情况，设计制作了280大螺栓螺纹加长专用检具（工艺螺母），以加强螺栓螺纹径向跳动的检查，同时保证了90mm外螺纹的直线度检测，作为标准螺纹环规检测的补充检具，使用后满足长螺纹检测的要求。
3.8.采用新材料3M工业百洁布清除280大螺栓螺纹加工后产生的毛刺，并纳入正式工艺。新增螺母清洗、去毛刺工序，提高产品外观质量。
3.9.采用塑料套保护280大螺栓两端螺纹，可以有效地防止搬运过程中螺纹的磕碰。
4.结束语
通过对280大螺栓螺纹咬死质量问题分析并实施提出的解决方法，加强了280大螺纹滚压加工的过程控制，自制了螺纹检具，从螺纹滚压加工过程、热处理装炉方式及热处理工艺完善，清洗去毛刺，螺纹保护等方面进行控制，保证了长螺纹配合螺纹的加工质量，解决了280大螺栓与螺母组装困难、螺纹咬死甚至不能拆卸的质量问题，取得了一定的技术效益及经济效益。
参考文献：
[1]上海市金属切削技术协会，《金属切削手册》[M]，海科学技术出版社，2003。
[2]GB/T971-2008《滚丝轮》，中国标准出版社，2008.9。
[3]许祖德、薛恒明，《金属切削刀具与磨具标准应用手册》[M]，机械工业出版社，1996。
[4]姜繁《公英制连接螺纹标准手册》[M]，中国标准出版社，1995。