螺栓、螺丝制作工艺及汽车用螺栓的发展方向

螺栓、螺丝是最基本的机械部件，广泛应用于汽车、产业机械和建设等各种产业。与焊接和铆接不同，螺栓的最大特征是即使在紧固后也能简单卸下，可以通过再紧固再利用。 　　1 制作工艺 　　螺栓的制作材料一般是盘卷状的线材，经酸洗、润滑、退火和拉丝等二次加工后，采用冷锻压法对螺栓的螺头和螺纹进行成形加工、热处理和表面处理。因产品种类的不同，有的需在螺纹部成形前进行热处理，有的无需进行热处理或表面处理。二次加工一般是由专业处理人员进行处理，但有时是在螺栓制作厂内进行处理。 　　1.1 螺头部的成形 　　一般把使用顶镦机或顶杆机之类的锻压机械对螺栓头部进行冷锻压成形的工序称为“顶镦加工”。所谓冷锻压，就是在常温下进行加工，它是与坯料加热后的温加工和热加工相对的称法。 　　锻压的过程就是将盘卷状的钢材剪切成适当的长度，用几个锻模装置对材料进行锻压。锻压包括镦锻、深冲、反向挤压、修整等4个工序。镦锻就是把材料从一端挤死，使其膨胀到比原来直径大的加工；深冲则相反，就是把材料从一端挤死，使其缩小到比原来直径小的加工；反向挤压就是从材料的端面向比材料直径小的锻模内挤压，使材料一边向外挤出，一边穿孔的加工；修整就是用锻模把多余的厚度去掉的加工。根据加工产品的形状，可以将这些加工法分开使用，或组合使用进行成形。产品的形状越复杂，就越需要增加加工的工序，慢慢进行成形加工，但普通螺栓只需2-5个加工工序就可加工成形。 　　1.2 螺纹部的成形加工 　　在螺栓的螺纹成形工序中使用滚轧成形机对螺纹进行冷锻压成形，成形方法与螺栓头部的成形方法相同。 　　螺纹形状的加工是将坯料放在2个1组的锻模之间进行夹持，一面转动两个锻模中的一个锻模，一面使坯料旋转，通过塑性加工变成螺纹形状。用于螺纹成形的锻模被称作“滚轧成形模”。 　　滚轧成形机有平锻模滚轧成形机、圆锻模滚轧成形机和行星式滚轧成形机3种。平锻模滚轧成形机装有两块普通的滚轧成形锻模，将一方固定，让另一方前后移动对坯料进行滚轧成形。圆锻模滚轧成形机将平行安装的两个圆筒形滚轧成形锻模沿相同方向旋转，对夹在两个锻模之间的坯料进行滚轧成形。行星式滚轧成形机的加工方法是将坯料夹在圆筒形锻模和扇形锻模之间，通过旋转圆筒形锻模进行滚轧成形。 　　1.3 热处理 　　冷锻压成形的螺栓一般使用硬度适合塑性加工的材料来制作。碳含量高的材料或添加合金元素的材料由于自身材质硬，不容易加工，因此有的需要通过退火处理使材质变软。大部分材质在冷锻压的情况下并不能满足所要求的强度。热处理就是在冷锻压后进行的处理，它可以使螺栓具有所要求的强度和力学性能，是螺栓制作工序中最重要的工序。 　　螺栓按照使用部位和用途可以分为各种强度等级。为使成形后的螺栓具有各自所要求的力学性能，需要进行热处理。 　　1.4 表面处理 　　用于汽车发动机内的螺栓由于常常粘附着润滑油，因此即使不进行表面处理，也不会生锈。但是，这种螺栓仅仅是很小一部分，大部分螺栓是在腐蚀环境下使用，因此如果不进行表面处理，很快就会生锈。生锈的螺栓如果就此放置，腐蚀后就会无法螺开，严重时螺栓会发生折断酿成大的事故。因此，在腐蚀环境下使用的螺栓需要进行电镀等表面处理。 　　螺栓的表面处理大致可分为电镀和涂敷两种。最广泛使用的是电镀法，它具有成本低、耐蚀性好的优点。在耐蚀性要求比电镀高的情况下，可以使用镀锌铁和镀锌镍等合金电镀，或涂敷锌铝复合皮膜。 　　2 汽车用螺栓的发展动向 　　近年来，汽车厂家要求降低零部件成本、轻量化和高强度等。同时，为应对环保问题，必须减少CO2排放，为降低燃耗，必须尽量减轻车身重量。 　　在螺栓的制作成本中，坯料成本占主要部分，因此最有效的办法是降低材料本身的成本。日本各汽车厂家为降低材料的供应成本，正在研究使用海外的廉价材料。 　　为满足用户的要求，螺栓制作厂家也进行了各种使螺栓轻量化的研究。作为使螺栓轻量化的措施，有的使用铝或钛等轻金属，有的减小螺栓尺寸。 　　减小螺栓尺寸，虽然可以减轻重量，但如果减小相同强度等级的螺栓尺寸，由于螺栓断面积的减小，螺栓的紧固力会下降。因此，为确保相同程度的坚固力，又减小螺栓尺寸，必须提高螺栓的强度。 　　在目前的JIS等公共标准和汽车厂家自有的标准中，只对强度等级在12.9以下的螺栓做出规定。普通的调质型螺栓当强度等级超过12.9时，迟延断裂特性会一下子变差。在一些已使用10.9或12.9的高强度等级螺栓的地方，如果想通过减小尺寸来达到轻量化，就必须使用强度等级超过12.9的螺栓，并采用某种方法改善迟延断裂特性。 　　调质型螺栓为实现高强度，有的通过添加合金元素来改善延迟断裂特性。虽然添加合金元素多少可以改善延迟断裂特性，但由于合金元素价格高，因此成本的上升是不可避免的。 　　另一个措施就是使用非调质型螺栓。非调质型螺栓就是在成形后无需进行调质（热处理），主要是通过材料的加工硬化来确保强度。非调质螺栓的金属组织与调质螺栓的完全不同，它具有很强的抗延迟断裂特性。非调质螺栓使用的是碳含量比调质螺栓高的材料，通过在坯料阶段的控制冷却和热处理，能获得高的断面收缩率，经拉丝加工形成加工硬化后，在螺栓的成形阶段进一步的加工硬化可确保螺栓的强度。普通螺栓在成形后虽然没进行调质，但为了通过冷锻压来消除螺栓内部的应变，因此必须进行发蓝处理。缺点是材料的硬度比调质型的高，非常难以成形。 　　目前，用于发动机的非调质型螺栓的强度为1600MPa，用于车身的非调质型螺栓的强度已达1400MPa。可以预计今后对这种高强度螺栓的需求将进一步扩大。