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2. 2提高抗疲勞壽命的工藝方法

     螺紋聯(lián)接件在未強(qiáng)化之前,其抗拉疲勞破壞的幾率為: 65%的破壞發(fā)生在與螺母聯(lián)接的第一扣；20%的破壞發(fā)生在螺紋與光桿的轉(zhuǎn)變處(Lin：這種描述基本正確，但是，造成在這些部位發(fā)生疲勞破壞的根本原因還是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度過(guò)高)，也就是發(fā)生在螺紋的收尾處; 15%的破壞發(fā)生在螺栓頭與螺桿過(guò)渡圓角處,如圖1所示。必須說(shuō)明,上述數(shù)據(jù)建立在整個(gè)聯(lián)接件金屬流線(xiàn)沒(méi)有破壞的條件下。

     為改善抗拉疲勞壽命,可以在螺栓形狀和工藝上采取措施,目前有效的方法如下。

2. 2. 1采用MJ螺紋(即加強(qiáng)螺紋)

     MJ螺紋與普通螺紋的主要區(qū)別在外螺紋的小徑d1 和R ,如圖2 所示。MJ 螺紋的主要特點(diǎn)是小徑d1 較普通螺紋大些,牙根圓角半徑增大,減小螺栓的應(yīng)力集中。對(duì)R 有具體要求(Rmax = 0. 180 42 P,Rmin = 0. 150 11 P, P為螺距) ,而普通螺紋無(wú)此要求,甚至可以為平直段。這一重要變動(dòng),可以大大改善小徑的抗拉疲勞性能。目前航空、航天器螺栓多采用MJ螺紋。

2. 2. 2改善螺紋疲勞性能

　　采用滾壓螺紋的工藝方法,由于冷作硬化的作用,表層有殘余壓應(yīng)力,可使螺栓內(nèi)部金屬纖維線(xiàn)走向合理且不被切斷,其疲勞強(qiáng)度可較車(chē)制螺紋高30%～40%。若熱處理后再滾壓螺紋,使零件表面得到強(qiáng)化并獲得殘余壓力層,其材料表面疲勞極限可提高70%～100%。

這種工藝還具有材料利用率高、生產(chǎn)率高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)為不同工藝方法下的疲勞壽命值。試驗(yàn)螺栓材料為30CrMnSiA, 螺栓標(biāo)準(zhǔn)為GJB121. 2. 3, 6 ×26 (即MJ6)按試驗(yàn)方法進(jìn)行抗拉疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)疲勞載荷: Pmax = 10. 1 kN, Pmin = 1. 01kN,結(jié)果見(jiàn)表2。

　　從表2可知,熱處理后滾螺紋再冷滾螺栓轉(zhuǎn)角處圓角r(見(jiàn)圖1)的抗拉疲勞性能好。冷擠r的值要求不嚴(yán)格,技術(shù)條件只規(guī)定了變形量上限。

　　2. 2. 3嚴(yán)格控制收尾尺寸

　　如圖1所示,螺栓螺紋與光桿過(guò)渡區(qū)是重要的疲勞源之一,嚴(yán)格按收尾尺寸控制過(guò)渡區(qū)形狀是提高該區(qū)域疲勞壽命的重要措施。因此,在設(shè)計(jì)制造滾絲輪時(shí),必須按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格修磨收尾處,且在滾絲時(shí)嚴(yán)格控制滾絲位置。具體措施可采用較大的過(guò)渡圓角見(jiàn)圖3a,切制卸載結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3b、圖3c,螺紋收尾處切制退刀槽也可減少應(yīng)力集中(Lin：圖3b和3c的示意圖有明顯的誤導(dǎo)作用。增大過(guò)渡區(qū)域的圓角，的確有緩和局部應(yīng)力集中的作用，但是圖3b 3c)。

對(duì)圖1所示螺栓轉(zhuǎn)角r冷擠,可提高轉(zhuǎn)角處抗拉疲勞壽命。如表2 所示, 若只采取2. 2. 1 ) ,2. 2. 2) , 2. 2. 3)項(xiàng)強(qiáng)化措施,疲勞斷裂將全部發(fā)生在螺栓轉(zhuǎn)角r處。所以,冷擠強(qiáng)化轉(zhuǎn)角r是提高螺栓整體抗拉疲勞壽命的重要措施之一。

　　2. 3避免產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力

　　由于設(shè)計(jì)、制造和裝配不良的原因,會(huì)導(dǎo)致螺栓偏心載荷。偏心載荷會(huì)在螺栓中引起附加彎曲應(yīng)力,大大降低螺栓的疲勞強(qiáng)度,所以,從結(jié)構(gòu)和工藝上應(yīng)采取相應(yīng)的措施,以避免附加彎矩的產(chǎn)生。

　　(1)螺栓的沉孔角度要準(zhǔn)確,只允許0°～0. 5°的正偏差,不允許負(fù)偏差,如圖1所示。

　　(2)螺栓的支承面應(yīng)平整,并與螺栓孔軸線(xiàn)垂直。

　　(3)對(duì)工件上裝配六角頭一類(lèi)的安裝孔,孔的倒角應(yīng)符合國(guó)際規(guī)定。

　　2. 4預(yù)緊力裝配

　　預(yù)緊力是螺紋聯(lián)接中被關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。理論和實(shí)踐證明,螺栓和被聯(lián)接件的剛度不變,只恰當(dāng)?shù)卦龃箢A(yù)緊力,對(duì)抗拉疲勞性能有明顯提高。這就是螺栓預(yù)緊應(yīng)力高達(dá)( 0. 7～0. 8)σs 的一個(gè)原因。為此,準(zhǔn)確控制預(yù)緊力并保持其不減退是很重要的。預(yù)緊應(yīng)力大小由定力扳手或預(yù)應(yīng)力指示墊圈控制。不同條件下對(duì)預(yù)應(yīng)力大小要求不同,常用的預(yù)應(yīng)力估算可用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

　　對(duì)一般機(jī)械預(yù)緊應(yīng)力: σp = (0. 5 ～ 0. 7)σs ;對(duì)高強(qiáng)度聯(lián)接: σp = 0. 75σs (為屈服極限)(Lin：這種預(yù)應(yīng)力的提法又與前面的46%的提法相矛盾)。近年來(lái)出現(xiàn)一種螺栓聯(lián)接的新方法,就是把螺栓預(yù)緊到屈服點(diǎn),使螺栓在塑性域工作。詳情可參閱日本人丸山一郎的論文《塑性ねじ域締結(jié)》(《機(jī)械の研究》40卷No12. 1988) 。對(duì)重要預(yù)緊應(yīng)力抗疲勞聯(lián)接,應(yīng)作不同預(yù)緊應(yīng)力的疲勞壽命試驗(yàn),才能確定正確而可用的預(yù)應(yīng)力值。

3.總結(jié)

     文中通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從螺栓的選材、加工工藝和裝配方面，提出了一些提高螺栓抗拉疲勞強(qiáng)度的具體措施，有些已在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了其有效性，有些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論仍有待于得到理論上的進(jìn)一步探討和支持?？偠灾?，提高螺栓的抗拉疲勞性能必須采取綜合措施，任何單一的措施都不能完成整體抗疲勞的需要。

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