專利名稱：螺紋收尾及圓頂圓底齒形滾絲輪、搓絲板的制作方法
螺紋結合具有結構簡單、性能可靠、加工容易等特點，特別像螺栓、螺母一類的標準件已經成為通用的商品，它是一種普通級別的螺紋緊固件。隨著現代工業技術的發展，軍事工業、航天、高速軌道交通、磁懸浮高速列車、汽車、船舶、工程機械、電站動力設備、橋梁建筑、鋼結構等一些重要場合的連接，乃至人體骨胳斷裂的連接，這種永久性連接和固定，已不再是傳統方法所生產的高強度螺栓所能勝任的。隨之發展的即工業級8.8級以上的高強度螺紋異型緊固件，在各種重要螺紋連接構件上，取代了粗放型的螺栓和螺母，這種高強度螺紋異型緊固件，正成為新型發展的工業化生產的基礎產業。
汽車工業的迅速發展，對高強度螺釘、螺栓承受交變、沖擊載荷及抗疲勞強度的要求也相應地提高了，汽車行業使用的螺釘、螺栓的性能等級一般已達8.8級(GB38-76《螺栓技術條件》規定，8.8級系指材料抗拉強度為800N/mm2，屈服點的最小值為抗拉強度的80％，即640N/mm2)、10.9級，有的甚至達12.9級(硬度HB355-430)，高強度螺釘、螺栓的材料多采用合金鋼，如40Cr、35CrMo、42CrMo等。由于螺紋加工通常安排在調質熱處理后進行，因此對滾絲輪、搓絲板等螺紋工具的精度、硬度、耐磨性和韌性等提出了更高的要求。目前在汽車行業引進項目中使用進口螺紋工具軋制的螺紋工件，其螺紋齒形均呈圓頂圓底和圓弧齒根螺紋收尾形狀(見附圖1)。如奧迪、桑塔納轎車等速萬向節傳動軸上的螺紋、CKD車輪螺釘、HONDA125發動機缸蓋螺栓、氣門芯調節螺釘等都是使用該類螺紋工具軋制而成。
隨著汽車制造業技術水平的提高，主機廠對汽車緊固件的質量標準越來越重視，汽車緊固件的生產越來越趨向于航空標準緊固件的要求，8.8級以上的高強度螺栓，螺紋收尾要求都參照執行美國H28MJ螺紋標準和國家軍用標準GJB52-85，從根本上克服了螺紋受載疲勞后最后一扣斷裂的現象。日本OSG公司將輾制這種螺紋要求的滾絲輪稱之RR型齒形，即螺紋齒部到光桿或中徑桿最后1-2扣的齒根為大于等于0.15011P圓弧齒根過渡，其目的主要是減少應力集中，有效地提高抗疲勞強度。
高強度螺栓應采用圓頂圓底齒形的螺紋及圓弧齒根螺紋收尾，能消除螺紋牙底、牙頂因折點處應力集中而引起的螺栓斷裂，對提高螺栓抗疲勞強度十分有利。螺紋齒頂呈圓弧形還能有效防止螺栓在制造、表面處理、周轉及裝配時的磕碰損傷。尤其在對螺栓表面進行鍍層處理時，雖然采用浸鍍法可防止螺紋表面的機械損傷，但在大批量專業化生產中，為提高生產效率及保證鍍層的均勻性，采用滾鍍法更為有利，而圓弧齒頂在滾鍍工序中正好可以有效防止螺紋碰傷。由于齒頂呈圓弧形狀，克服了電鍍時尖端放電現象，使齒頂鍍層著附均勻，無鋸齒邊和鍍層剝落，提高了抗蝕能力。此外，圓弧齒頂的采用對提高產品合格率、改善旋合性以及防止裝配人員手部劃傷等都有一定的作用，故越來越受到重視。國外高強度緊固件螺紋已廣泛采用了圓頂圓底齒形及圓弧齒根螺紋收尾的工藝技術。
高強度螺紋緊固件的生產，螺紋工具至關重要。滾絲輪、搓絲板是標準緊固件行業加工螺釘、螺栓螺紋時常用的螺紋工具，其加工原理為冷擠壓成型，它具有生產效率高、加工成本低、自動化程度高、加工出的螺紋精度及強度高、表面質量好等優點，因此得到了廣泛應用。
目前國內各工具廠受到生產技術水平限制，無法達到上述要求，其生產的滾絲輪、搓絲板軋制高強度螺栓全都存在著應力集中、疲勞后在螺紋最后1-2扣發生斷裂現象和潛在的斷裂危險(見附圖2)。由于工具的制約，我國螺紋緊固件行業的基礎較差，絕大部分生產的為普通螺紋緊固件，而市場上急需的高強度螺紋異型緊固件嚴重短缺，供不應求，一些購貨方不得不花費大量外匯進口配套，上海大眾8.8級以上的高強度螺栓至今仍全部進口。
最近，上海上標集團汽車緊固件有限公司進口德國巴德杜本公司的滾絲輪、上海特強汽車緊固件有限公司進口日本OSG公司的滾絲輪均采用了這種技術，而且螺紋輾制后還采用日本CP-400輪廓儀對螺紋進行×50多截面的繪制齒形檢查，從而保證了零缺陷高強度螺栓圓頂圓底的圓弧參數和螺紋最后1-2扣收尾的幾何精度要求。這對我國目前生產的滾絲輪、搓絲板、絲錐等螺紋工具的齒形成型問題提出了新的課題。
本人根據上海大眾、一汽集團、南汽集團標準件廠、上汽標、上海標五、上海特強、常熟英滬國際緊固件有限公司等單位要求將這一技術國產化的意向，成功研制了RR系列圓弧齒根螺紋收尾的圓頂圓底齒形高強度螺栓滾絲輪和搓絲板。供各有關廠家投入生產后都取得了顯著的效果，節省了大量外匯，降低了生產成本，保證了高強度螺栓的安全性。該發明技術填補了國內空白，使我國高強度螺栓緊固件產品上了一個新臺階，為我國在螺紋工具制造技術領域達到國際先進水平作出了貢獻。
一、螺紋牙底形狀國家標準GB197-81《普通螺紋公差與配合》第三節螺紋牙底形狀，第10條規定性能等級高于或等于8.8級的緊固件，其外螺紋牙底輪廓要有圓滑連接的曲線，曲線部分的半徑R不應小于0.125P，其數值見表一。
表一外螺紋最小牙底半徑(Rmin)
外螺紋牙底倒圓時形成的最大小徑d1max位置，是在同時與兩個Rmin＝0.125P的圓弧相切的直線處。這兩個圓弧必須分別通過最大實體牙型的側面和小徑圓柱面的交點，并與螺紋的最小實體側面相切(見圖3)。此時最大削平高度＝H/4-Rmin{1-cos[π/3-arc cos(1-Td2/4Rmin)]}+Td2/2最小削平高度＝0.125P≈H/7外螺紋基本偏差處于h位置時(見附圖3)，上偏差為零，此時最大實體牙型兩側與基本牙型兩側重合，最大削平高度處(即最大小徑d1max處)的牙底形狀為兩圓弧加一直線。在最小實體牙型位置，最小削平高度處(即d1max處)的牙底形狀為單一圓弧。(在實際加工中，取單圓弧對砂輪圓弧R的修整及R的測量等都較為準確和方便)。為使螺紋副旋合時內螺紋小徑和外螺紋小徑不發生干涉，應在H/4配合的最大實體狀態下確定外螺紋牙底單圓弧的大小，即按H/4時和P/4來計算，此時圓弧仍應通過最大實體牙型的側面和小徑圓柱面的交點，當削平高度為H/6時，介于最大削平高度與最小削平高度之間，且根據標準要求R不應小于0.125P，即Rmin＝P/8cosα 當P＝1.25時Rmin＝1.25/(8*cos30°)≈0.180mmRmax＝0.2825mm(見附圖4)應注意，此處Rmin＝0.180mm為計算結果，與標準中規定的Rmin＝0.125P的R不同。在設計滾絲輪、搓絲板齒形參數和滾柱參數時，應以基本牙型為依據，根據外螺紋基本偏差和等級變化，在工藝上和滾柱上作相應調整，以達到設計的要求。
大眾汽車有限公司和奧迪汽車有限公司標準中心VW126 24標準規定齒底圓弧半徑R＝H/6＝0.14434P；從有關資料顯示，增大齒底圓弧半徑R對提高螺栓的抗疲勞強度十分明顯，航空工業上使用高強度螺栓的齒底圓弧半徑則增大到R＝0.18042P(國家軍用標準GJB3.2-82)《MJ螺紋、螺栓和螺母的尺寸與公差。。以下是國內外標準關于螺紋牙底圓弧的規定、計算方法及通過計算得出的M8×1.25-6g牙底圓弧R尺寸的比較1.國家標準GB197-81Rmin＝0.125P Rmin＝0.156mm2.國家軍用標準GJB3.2-82(ISO5855)Rmin＝0.15011P Rmin＝0.188mmRmax＝0.18024P Rmax＝0.226mm3.美國標準ANSI B1.1-82UNR牙型Rmin＝0.10825P Rmin＝0.135mmRmax＝0.14434P Rmax＝0.180425mm4.美國聯邦標準H28(MJ螺紋相同)UNJ牙型Rmin＝0.15011P Rmin＝0.188mmRmax＝0.18024P Rmax＝0.226mm5.德國DIN標準Rmax＝0.14434P Rmax＝0.180425mm6.計算結果Rmin＝0.14434P Rmin＝0.180425mmRmax＝0.226PRmax＝0.2825mmGB197-81性能等級高于或等于8.8級的緊固件，其外螺紋牙底輪廓要有圓滑連接的曲線，曲線部分的半徑R不應小于0.125P(見表1)，這些是與ISO/68是一致的。
UNR外螺紋的牙底輪廓應該光滑、連接、不反向輪廓，任何點處的曲率半徑不得小于0.108P，并且應該同牙型側和任何直線段成切線相接。在最大實體牙型條件下，相切點應該位于至少不低于基本大徑0.625H處，最大圓弧則0.14434P。(見附圖5a、附圖5b)UNJ螺紋牙底圓弧半徑、齒廓應是一條連續、平滑、吻合、無退刀的曲線，沒有一部分曲線有一個小于0.15011P的半徑，而且曲線在不小于0.5625H深度上與螺紋牙側相切。如果外螺紋小徑在最大和最小所確定的徑向范圍內，齒廓可能包括切平面圓弧，它們由相切的平面在牙底處連接，齒廓必須用光學儀器檢查。螺紋尾部不完整螺紋的牙底應有一個等于或大于附圖6a所示的完整螺紋的最小牙底圓弧半徑的過渡半徑R≥0.15011P以及附圖6b所示的螺紋尾部形狀。它們常用的尺寸見表二。
表二UNJ統一統一英制螺釘螺紋牙底圓弧半徑極限和通端環規小徑(mm)
MJ外螺紋的牙底與牙側，由圓弧光滑的曲線連接，曲線任何一處的連接圓弧其半徑值不得小于0.15011P，彎曲方向僅允許凹向(相對螺紋軸線而言)，該圓弧在最大實體牙型中，與牙型兩側表面相切于槽寬為5/16P處，其半徑值為0.18042P，該圓弧在最小實體牙型中，當底徑為最小極限尺寸d3min時，其半徑值為0.15011P。該圓弧也可以由切于牙側兩圓弧和底部相連的一直線構成(見附圖8a、附圖8b)，具體參數見表三。
表三MJ螺紋牙底半徑極限值
綜上所述高強度螺栓螺紋齒形成型，必須在工具設計和和制造時，保證被加工的螺紋齒形、齒根圓弧和螺紋收尾符合各標準及表列的參數。螺紋收尾是指產品的倒數第一扣完整螺紋的牙底之間的過渡區，該完整螺紋的小徑等于允許的最大小徑，其大徑等于允許的最小大徑。當對牙底半徑有規定時，最后一扣完整螺紋在小徑處的牙底半徑必須滿足規定要求。(見附圖7a、附圖7b、附圖7c、附圖7d、附圖7e、附圖7f)ANSI美國螺紋標準化委員會頒布的國家標準中所涉及的各種統一螺紋的比較
(見附圖9)二、螺紋牙頂形狀關于螺栓螺紋的齒頂圓弧尺寸與公差的確定，通過查閱《國際螺紋手冊》、《螺紋標準大全》中有齒形角為60°的圓頂圓底螺紋的數種國外標準圖例，發現齒形尺寸、齒頂圓弧半徑尺寸與公差均無統一的標準參數，不同標準之間差異較大。
根據螺紋的互換性要求，按照國家標準GB196、GB197及有關國外標準，在確定螺紋齒頂圓弧基本參數時，同樣應滿足ISO965/1-80、DIN13第13部分削頂H/8的要求。經螺紋綜合量規檢驗合格后，在互換使用時應保證不發生齒頂干涉，圓弧的尺寸及公差應與螺紋大徑尺寸及公差高度一致，即圓弧的最小與最大極限尺寸與齒側相切(見附圖10)。
通過理論分析和計算，螺紋齒頂圓弧半徑應取R＝0.10825P+(Td+es-Td2)/2，通過對德國進口的CKD車輪螺釘螺紋、日本HONDA125發動機缸蓋雙頭螺栓螺紋等緊固零件的螺紋齒頂圓弧進行檢測，結果基本吻合。在設計、制造圓頂圓底齒形滾絲輪、搓絲板時，必須綜合考慮多種因素，如螺紋公差帶及精度要求，修整機構的計算機控制、滾壓、磨削、熱處理等直至產品螺紋成型，每一環節均應嚴格控制，從而保證產品的螺紋幾何尺寸及形狀誤差均控制在公差帶內。
高強度螺栓的螺紋齒形為圓頂圓底齒形圓弧齒根螺紋收尾，能有效地消除牙底牙頂因折點所造成的應力集中現象，提高其抗疲勞強度，防止或減少螺紋表面因周轉、裝配、表面處理時而發生的機械損傷。見附圖11，從中可看出普通齒形滾絲輪滾壓螺紋后，在齒頂表面留下了冷擠壓成型過程中由于金屬材料變形、位移所產生未合起的連續縫隙，雙牙尖皺紋比較嚴重(也有稱包角、包縫)。這種雙牙尖皺紋的深部應力較集中，有的深達100μm左右，有的成倒樹叉枝形，在齒紋頂表面留下微裂紋狀態，同時齒頂兩側的折點應力也較為集中，齒頂部分由較大的塑性變形金屬流動皺折組成，特別是高強度螺釘對應力十分敏感。再者，由于螺栓服役的條件較差，受環境介質的影響很大，極易在此生成腐蝕坑陷，使PH值下降，氫侵入鋼中而發生延遲破壞。圓頂圓底齒形的滾絲輪滾壓螺紋后，這種皺疊現象就較少，這與滾絲輪、搓絲板齒形直接有關，因為滾壓螺紋時金屬材料是在齒間內流動、導向、變形、成型。因此對高強度螺釘采用圓弧齒根螺紋收尾及圓頂圓底齒形滾絲輪和搓絲板加工有著十分重要的意義。
三

附圖1上圖為圓弧齒根螺紋收尾的螺栓；下圖為圓弧齒根螺紋收尾形狀的滾絲輪。
附圖2上圖為螺紋收尾危險斷裂處；下圖為已斷裂的螺栓。
附圖3圖為外螺紋牙底形狀。
附圖4圖為螺紋牙底形狀尺寸公差帶。
附圖5a圖為UN外螺紋的設計牙形；附圖5b圖為UNR外螺紋的設計牙形。
附圖6a圖為統一標準英制螺紋UNJ螺紋牙形最大實體極限；附圖6b圖為螺紋尾部形狀。
附圖7a圖為不完整螺紋，標準尺寸外徑桿型緊固件；附圖7b圖為不完整螺紋，中徑桿型緊固件；附圖7c圖為標準尺寸外徑桿型緊固件，帶凸肩螺栓；附圖7d圖為加大桿型緊固件；附圖7e圖為螺紋到頭的外徑桿型緊固件；附圖7f圖為螺紋到頭的中徑桿型緊固件。
附圖8a圖為最大實體狀態的MJ外螺紋設計牙形；附圖8b圖為公差帶位置h時，MJ外螺紋的上、下極限牙形。
附圖9圖為ANSI BI委員會范圍內的60°英寸制螺紋的定義。
附圖10圖為M8×1.25-6g螺紋牙頂形狀尺寸公差帶。
附圖11圖為普通齒形螺紋與圓頂圓底齒形螺紋電鏡圖的對比。
權利要求
1.滾絲輪、搓絲板模具齒形部分呈圓頂圓底形狀，齒頂圓弧根據不同螺紋要求取半徑R≥0.125P-0.180P。齒根圓弧半徑R=0.10825P+2s-Td2‾Td+e‾.]]>
2.滾絲輪、搓絲板模具的螺紋倒角為圓牙倒角，Kr為25°-60°之間或圓弧曲線倒角，并在2P之內，有C型和S型。模具的倒角部分牙頂圓弧半徑根據不同螺紋要求仍保持R≥0.125P-0.180P。即保證被加工的螺栓螺紋收尾大于等于1扣至2扣為圓弧齒根過渡的螺紋收尾。
3.滾絲輪、搓絲板齒形呈圓頂圓底形狀及圓弧齒根螺紋收尾可有不同組合，涵蓋GB197-81《普通螺紋公差與配合》螺紋標準全部規格和系列及美制統一螺紋和英制BSW時制螺紋全部規格和系列。
全文摘要
目前國內各工具廠受到生產技術水平限制，其生產的滾絲輪、搓絲板輾制高強度螺栓全都存在著應力集中、疲勞后在螺紋最后1－2扣發生斷裂現象和潛在的斷裂危險。滾絲輪、搓絲板在齒形設計和制造時采用本發明，為加工高強度螺栓螺紋齒形呈圓頂圓底及圓弧齒根螺紋收尾，防止螺栓疲勞斷裂及延遲破壞，提供了可靠的螺紋生產工具。該螺紋齒形能有效地消除螺紋牙底、牙頂因折點所造成的應力集中而引起的螺栓斷裂，對提高螺栓抗疲勞強度十分有利。螺紋齒頂呈圓弧形還可防止或減少螺紋表面因周轉、裝配、表面處理時而發生的機械損傷，克服電鍍時尖端放電現象，使齒頂鍍層著附均勻，無鋸齒邊和鍍層剝落，提高了抗蝕能力。
文檔編號B21H3/06GK1923401SQ20051002919
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月29日 優先權日2005年8月29日
發明者徐根林 申請人:徐根林