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2. 2提高抗疲勞壽命的工藝方法

     螺紋聯接件在未強化之前,其抗拉疲勞破壞的幾率為: 65%的破壞發生在與螺母聯接的第一扣；20%的破壞發生在螺紋與光桿的轉變處(Lin：這種描述基本正確，但是，造成在這些部位發生疲勞破壞的根本原因還是結構的應力集中程度過高)，也就是發生在螺紋的收尾處; 15%的破壞發生在螺栓頭與螺桿過渡圓角處,如圖1所示。必須說明,上述數據建立在整個聯接件金屬流線沒有破壞的條件下。

     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(即加強螺紋)

     MJ螺紋與普通螺紋的主要區別在外螺紋的小徑d1 和R ,如圖2 所示。MJ 螺紋的主要特點是小徑d1 較普通螺紋大些,牙根圓角半徑增大,減小螺栓的應力集中。對R 有具體要求(Rmax = 0. 180 42 P,Rmin = 0. 150 11 P, P為螺距) ,而普通螺紋無此要求,甚至可以為平直段。這一重要變動,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,表層有殘余壓應力,可使螺栓內部金屬纖維線走向合理且不被切斷,其疲勞強度可較車制螺紋高30%～40%。若熱處理后再滾壓螺紋,使零件表面得到強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、生產率高和制造成本低等優點。表2 試驗數據為不同工藝方法下的疲勞壽命值。試驗螺栓材料為30CrMnSiA, 螺栓標準為GJB121. 2. 3, 6 ×26 (即MJ6)按試驗方法進行抗拉疲勞試驗,試驗疲勞載荷: Pmax = 10. 1 kN, Pmin = 1. 01kN,結果見表2。

　　從表2可知,熱處理后滾螺紋再冷滾螺栓轉角處圓角r(見圖1)的抗拉疲勞性能好。冷擠r的值要求不嚴格,技術條件只規定了變形量上限。

　　2. 2. 3嚴格控制收尾尺寸

　　如圖1所示,螺栓螺紋與光桿過渡區是重要的疲勞源之一,嚴格按收尾尺寸控制過渡區形狀是提高該區域疲勞壽命的重要措施。因此,在設計制造滾絲輪時,必須按標準嚴格修磨收尾處,且在滾絲時嚴格控制滾絲位置。具體措施可采用較大的過渡圓角見圖3a,切制卸載結構見圖3b、圖3c,螺紋收尾處切制退刀槽也可減少應力集中(Lin：圖3b和3c的示意圖有明顯的誤導作用。增大過渡區域的圓角，的確有緩和局部應力集中的作用，但是圖3b 3c)。

對圖1所示螺栓轉角r冷擠,可提高轉角處抗拉疲勞壽命。如表2 所示, 若只采取2. 2. 1 ) ,2. 2. 2) , 2. 2. 3)項強化措施,疲勞斷裂將全部發生在螺栓轉角r處。所以,冷擠強化轉角r是提高螺栓整體抗拉疲勞壽命的重要措施之一。

　　2. 3避免產生附加彎曲應力

　　由于設計、制造和裝配不良的原因,會導致螺栓偏心載荷。偏心載荷會在螺栓中引起附加彎曲應力,大大降低螺栓的疲勞強度,所以,從結構和工藝上應采取相應的措施,以避免附加彎矩的產生。

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

　　(2)螺栓的支承面應平整,并與螺栓孔軸線垂直。

　　(3)對工件上裝配六角頭一類的安裝孔,孔的倒角應符合國際規定。

　　2. 4預緊力裝配

　　預緊力是螺紋聯接中被關注的一個問題。理論和實踐證明,螺栓和被聯接件的剛度不變,只恰當地增大預緊力,對抗拉疲勞性能有明顯提高。這就是螺栓預緊應力高達( 0. 7～0. 8)σs 的一個原因。為此,準確控制預緊力并保持其不減退是很重要的。預緊應力大小由定力扳手或預應力指示墊圈控制。不同條件下對預應力大小要求不同,常用的預應力估算可用下列經驗公式：

　　對一般機械預緊應力: σp = (0. 5 ～ 0. 7)σs ;對高強度聯接: σp = 0. 75σs (為屈服極限)(Lin：這種預應力的提法又與前面的46%的提法相矛盾)。近年來出現一種螺栓聯接的新方法,就是把螺栓預緊到屈服點,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》(《機械の研究》40卷No12. 1988) 。對重要預緊應力抗疲勞聯接,應作不同預緊應力的疲勞壽命試驗,才能確定正確而可用的預應力值。

3.總結

     文中通過試驗數據和實踐經驗，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度的具體措施，有些已在實際應用中驗證了其有效性，有些經驗數據和結論仍有待于得到理論上的進一步探討和支持。總而言之，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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