特殊螺栓连接副是汽车、内燃机等众多机械行业装配作业中广泛采用的一种方法。连杆的大端的紧固螺栓连接副是柴油机重要的连接件,发动机连杆螺栓连接副不但要承受很大的扭力和拉力,而且在气缸的压缩和爆发行程中,还要受到每分钟上千次交变应力的冲击。由于连杆自身的运动和受力比较复杂,导致螺栓连接副的损坏时有发生,人为的装配和使用不当是特殊螺栓连接副损坏的重要因素。如果 不正确使用,就容易使其松动、断裂。一旦紧固螺栓连接副发生断裂性事故,将可能导致烧瓦抱轴或捣烂机体的严重事故,其后果不堪设想。
(温州紧固件-特殊螺栓连接副)
一、连杆特殊螺栓连接副的加工工艺、技术要求及提高疲劳强度措施 1. 连杆特殊螺栓连接副的加工工艺 特殊螺栓连接副是发动机上的一种重要紧固连接件。工作时它要承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力的作用。发动机运转中,它一旦破裂就会引起严重事故。因此,要求它具有足够的强度、冲击韧度和疲劳抗力。 在汽车制造业中选作连杆螺栓连接副的材料较多,如45钢、40Cr、40CrNi、40MnB钢等。发动机的连接杆螺栓连接副多采用屈服极限高和冲击韧性好的中碳合金钢或铬镍钼合金钢,如35CrMo、42Mn2V、40MnB和30Ni3Cr2Mo等。但综合比较各钢种的力学性能、工艺性能与经济性,经实践验明,40Cr钢能达到各项技术指标要求,是制作连杆螺栓连接副较为理想的材料。 连杆件一般加工工艺为:下料→模锻成形→正火→粗加工(切削)→调质→精加工。 连杆螺栓连接副通常选用40Cr钢经调质工艺处理即可满足使用要求。连杆螺栓连接副加工工艺与连杆件加工工艺相仿。 2. 特殊螺栓连接副的技术要求 特殊螺栓连接副调质处理硬度应达到39-44HRC,同一根螺栓连接副上硬度差不大于3HRC个单位,索氏体级别1级; 连杆螺栓连接副冷镦或锻打模压制成,其宏观组织应具有符合外形的纤维方向,不允许有割断流线和应力集中处存在; 杆身、螺纹部分和头部支承面不允许有毛刺、裂纹、伤痕、锈蚀等缺陷,但在保证螺纹能正常旋入的条件下,螺纹末端两牙允许有不完整螺纹存在; 连杆螺栓连接副应经磁力探伤检测,控伤后作退磁处理; 去除锐边、毛刺; 表面发黑处理; 其余要求按JB/T8416-1996≤内燃机连杆螺栓连接副技术条件≥执行。螺栓连接副的机械性能应不低于GB/T3098.1-2000≤紧固件机械 性能螺栓连接副、螺钉和螺栓连接副≥中规定的性能等级12.9级。 连杆螺栓连接副结构在选 用中的主要问题 是疲劳强度。因此,要采取各种措施来提高其疲劳强度,并且避免螺栓连接副受附加的应力。提高连杆螺栓连接副疲劳强度的方法有很多,可采取如下措 施在制造和使用中多加注意和采用。 3. 提高特殊螺栓连接副疲劳强度措施 减小特殊螺栓连接副工作时的脉冲负荷,可以提高螺栓连接副的疲劳强度。降低基本载荷系数就能减少螺栓连接副的脉冲负荷。减小特殊螺栓连接副的刚度和提高连杆大头的刚度,都可降低基本载荷 系数。降低连杆螺栓连接副刚度的办法是减小螺栓连接副光杆部份的直径和增加螺栓连接副的长度。螺纹根部有应力集中,是螺栓连接副的薄弱环节,从杆身和螺纹等强度考虑,这样做是合适。应该指出,从增大被连接件刚度,减少基本载荷系数,从而提高连杆螺栓连接副的疲劳强度考虑,被连接件之间应避免采用软质垫片,更不充许采用弹簧垫圈。理论与实践都已证明,由于工作时螺栓连接副主体材料发生的是拉伸变形,螺母主体材料发生的是压缩变形,结果导致螺纹各圈上的载荷分布不均匀。头几圈螺纹根部的应力比后面螺纹的应务要大得多。有资料表明,在所有断裂的螺栓连接副中,约65%左右是在螺母支承面算起的第一、二圈螺纹处疲劳断裂。为了改善螺纹的载荷分布 ,方法之一是将螺纹的头圈切成10-15°的倒角。由于这几圈螺纹容易变形,便将一部分载荷转移到后面各圈的螺纹上去,使整个载荷分布 均匀。改善螺纹载荷分布的另一种方法是采用受拉螺母使螺母的变形方向与螺栓连接副一致,螺纹各圈的载荷也就比较均匀。在截面变化出容易产生应力集中,造成疲劳断裂。因此,在截面变化处应取圆滑过渡。过渡圆弧的半径一般不应小于过渡外杆的0.2倍。细牙螺纹对螺杆的削弱程度小,应力集中的情况也比粗牙螺纹好,所以连杆螺栓连接副一般都采用细牙螺纹。螺纹杆身及过渡圆 角的粗糙度,一般都在0.04-0.08um以下,螺纹也应抛光到0.04-0.08um. 对螺纹根部应进行滚压,使金属表面产生冷硬化层,并产生压应力。这样可以提高材料的机械性能以及缓和螺纹根部的拉伸应力集中,以改善螺栓连接副的疲劳强度。 二、 连杆特殊螺栓连接副螺栓连接副损作、断裂的原因 连杆螺栓连接副常见的损伤形式有螺栓连接副断裂、螺纹部份损坏和屈服变形。 出现损伤的主要原因有以下六种。 1.设计制造时钢材选用不当,强度过低或质量不佳(如有微细的裂纹等缺陷); 加工精度和表面粗糙度太低;连杆螺栓连接副头部与圆柱部分呈煎饺过渡,因而产生了应力集中。 2.未按照螺栓连接副的使用规定和力矩装配。修理人员在装配时拧紧力矩过大,超过了螺栓连接副材料的屈服极限,使螺栓连接副产生了永久性变形,在冲击载荷作用下因过度伸长而断裂。 3.拧紧螺栓连接副的力矩过小或未按照拧紧方法进行,使连杆大头处产生缝隙,或者连杆轴承与轴颈的事间隙过大,使螺栓连接副承受冲击载荷超过承载能力而断裂或滑丝;清洁工作 差,致使螺栓连接副与连杆支承结合面不垂直,使螺栓连接副产生附加弯曲应力而断裂或螺纹滑丝;装配时螺母未装正造成配合不好而滑丝。 4.装配时紧固得太紧,使其承受较大的预意大利和;装配时固定的不紧或由于开口切串出、折断使螺母松动,从而使连杆螺栓连接副承受过大的冲击力; 连杆螺栓连接副头、螺母与连杆的支承面接触不均匀,使连杆螺栓连接副受力偏斜;装配时,一个连标上的两个螺栓连接副紧固得不均匀,使其两侧受力不均匀。 5.连杆螺栓连接副在连杆孔中配合过松;由于长期使用造成连杆螺栓连接副磨损严重或过度疲劳; 在使用、维修时产生刻痕、划伤等缺陷,使强度降低;连杆大头瓦隙过大或由于磨损使间隙增大,从而使连杆螺栓连接副承受过大的冲击力; 连杆大头瓦过热使连杆螺栓连接副因受热而伸长,可能承受较大的冲击力; 活塞卡住等原因使连杆螺栓连接副承受过大的拉力。 6.连杆螺栓连接副的损坏往往出现在螺纹处,其原因是螺纹根部产生较大应力,应力集中时的长期作用,将加速疲劳现象的出现。 除此之外,螺栓连接副材料、装配、加工、热处理等影响因素也不容忽视。影响疲劳极限的因素一般情况下有螺栓连接副的公称尺寸愈大,疲劳极限愈低;高强度合金螺纹的疲劳极限比普通碳素钢高,但不显著。 螺栓连接副的损坏虽与连杆运动所产生的工作应力,正应力(拉伸、弯曲)和剪应力及交变动载荷有关,但最主要的破坏应力是预紧应力所引起的正应力。在实际工作中,人为的装拆,配合,维护工作的不规范化行为较为常见,这也是造成构件损伤的重要人为因素。在机械设备中,不能完全排除由设计、加工等方面所引起的构件损伤问题 。虽然,构件的损伤和破坏的原因是多方面的,但人为因素占有比较大的比重。所以提高并强化操作者规范化管理水平,提高管理人员的业务素质,才能真正形成集约化管理生产方式。 三、 连杆螺栓连接副放断裂措施以及操作的处理 连杆螺栓连接副的正确使用及折断的预防措施如下: 1.设计制造时应选用强度高、塑性好的材料,加工后应进行磁粉探伤。加工精度和表面粗糙度均应符合图纸要求。设计制造时,连杆螺栓连接副头部与圆柱部分应光滑过渡,不应呈尖角过渡。 2.连杆螺栓连接副采用铬钢或镍铬合金钢,经热处理精制而成,在螺纹的等级、内外硬度、端面垂直度等方面都有严格要求,必须由专业厂生产。非专业及修配单位都不得自制,更不准用其它螺栓连接副代替。凡是使用过的加杆螺栓连接副,安装前应先检查有无裂纹。可将其浸入煤油30分钟,取出擦干后在外表涂一层粉笔灰,若有裂存在,该处粉笔灰会因吸收渗出的煤油而变成黑色,此连杆螺栓连接副应报废,不应再用。 3.紧固时,选用合格的扳手,并不可随意加套管,使力臂过长。装配应严格按照螺栓连接副施拧规定紧固,然后穿上开口销并打开销口; 连杆螺栓连接副头、螺母应紧密配合在连杆支承面上。同一连杆上的两个螺栓连接副紧固应一致。在检修时应检查连杆螺栓连接副的磨损情况及有裂纹,如磨损严重或产生裂纹即应更换。在使用、修理时,注意不要损伤连杆螺栓连接副,如发现损伤严重时应予以更换。检修时连杆大头瓦的间隙应调整到规定数值,不能过小。机油质量要符合规定,油量不能太大。在发动机运转时,应认真检查运转情况,防止活塞卡住。 4.装配前,搞好清洁,并注意确保螺栓连接副安装到位。 5.如果连杆大头的分解面磨损或损坏较轻时,可用研磨方法磨平或用砂布打光。修整后的分解面应保持相互平行,无偏斜; 用涂色法检查,接触点应均匀分布并不得少于总面积的70%。若分界面的磨损和损坏较重时,可用电弧焊被后机械加工来修复。焊补分解面时,应分次进行。每次焊补的厚度不得超 过1.5□;每焊完一层,应冷却到环境温度时再焊下一层,以免温度过高使连杆发生变形。 3.6 用碾压螺纹代替切削螺纹 用棒料车削的螺纹,内部的金属纤维被切断,强度降低。而用碾压法加工的螺纹,金属的纤维连续,强度可以提高很多。采用碾压加工的螺纹,其疲劳强度比车削的要高50% 。为了减小螺栓连接副的附加弯曲力矩,对螺栓连接副头部支承面相对于螺纹中心线,以及连杆大头螺母承面相对于螺栓连接副孔中心线,都提出了不垂直度的专门要求。有资料表明, 不垂直度为2度时,螺栓连接副的疲劳极限下降40% 。对于拧紧螺母时,防止螺栓连接副转动的特殊螺栓连接副头,应采用适当的方法来达到减少附加弯矩的目的。螺栓连接副拧紧时,由于预紧力矩的作用,在螺纹和杆身上都会引起附加扭转剪应力,它的数值有时可达预紧力的30-80%,所以应该尽量避免。根据同样道理,螺栓连接副头部采用镦粗的方法制成。以保持金属纤维的连续性,提高它的强度。通常可以在拧紧之后,将扳手反向释主一个很小的角度,借以消除这种附加应力。特殊螺栓连接副拧紧后,长期在脉冲载荷下工作,有可能松动,使预紧力减小,为些必须采取防松措施。常用的防松措施有防松垫片、开口销、槽形螺母等。近年来广泛采用镀铜的防松办法,它是在螺栓连接副的螺纹部份镀上一层0.08-0.012厚的铜 。这层铜在螺栓连接副拧紧后产生塑性变形。使螺纹表面相互咬合,达到防止螺母回松的目的。
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