楊玖錫，羅學(xué)玉，樊開倫，王鳳，田沖，穆明波，馬鵬，肖黔紅，徐荔波

貴州航天精工制造有限公司 貴州遵義 563000

1 序言

GB/T 819.1—2016《十字槽沉頭螺釘 第1部分：4.8級》規(guī)定的十字槽沉頭螺釘，是貴州航天精工制造有限公司歷年以來承制的一種常規(guī)緊固件，包括H型、Z型十字槽沉頭螺釘，如圖1、圖2所示。產(chǎn)品經(jīng)熱處理后，在拉伸試驗過程中，最小拉伸載荷在大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況下發(fā)生斷頭，斷頭部位一般都發(fā)生在頭部與桿部交接處。根據(jù)GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》拉伸試驗規(guī)定：當(dāng)試驗拉伸達到規(guī)定的拉伸載荷時，不得斷裂；當(dāng)載荷大于標(biāo)準(zhǔn)值時，直至拉斷，斷裂應(yīng)發(fā)生在桿部或未旋合的螺紋長度內(nèi)，而不應(yīng)發(fā)生在頭部與桿的交接處。

綜上可知，拉伸試驗過程頭部與桿部交接處發(fā)生斷頭問題是加工產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸，嚴重影響產(chǎn)品的正常入庫交付，并已出現(xiàn)大批量報廢現(xiàn)象。因此，本文針對十字槽沉頭螺釘斷頭問題進行綜合分析和工藝研究。

2 綜合分析

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸分析

十字槽沉頭螺釘結(jié)構(gòu)主要由頭和桿兩部分組成（見圖1）[1]，其中紅色框內(nèi)為頭部，其余為桿部。頭部為十字槽沉頭，頭部十字槽分H型和Z型，結(jié)合頭厚尺寸k和十字槽插入深度尺寸（見表1）[1]分析，十字槽沉頭螺釘?shù)念^與桿交接處被十字槽插入深度貫穿；桿部為小徑桿型，由螺紋與靠頭下交接處的螺紋空白組成。同時，由于頭部與桿部交接處截面被十字槽插入深度貫穿，因此頭部與桿部交接處的承載面積要小于螺紋的截面積，從而分析出該螺釘頭部與桿部交接處的承載能力最為薄弱，拉伸試驗時將在最薄弱處斷裂。

表1 十字槽沉頭螺釘頭厚尺寸k和插入深度尺寸（mm）

圖1 十字槽沉頭螺釘

2.2 加工工藝分析

十字槽沉頭螺釘實際加工工藝為：備料（鋼材強度450～580MPa）→冷鐓→清洗→制標(biāo)→去應(yīng)力熱處理→搓絲→清洗→無損檢測→電鍍→檢查。從加工工藝得知，該螺釘產(chǎn)品主要是將強度為450～580MPa的鋼絲，冷鐓成形十字槽沉頭頭部并產(chǎn)生頭部強化，然后進行去應(yīng)力熱處理后搓絲而成。從工藝方法可以分析出，十字槽沉頭螺釘在整個加工過程中頭部與桿部交接處的強度有兩種狀態(tài)：一種是去應(yīng)力熱處理前，頭部冷鐓成形后產(chǎn)生強化，使頭部與桿部交接處的強度要高于桿部強度；另一種是去應(yīng)力熱處理后，由于去應(yīng)力溫度的不同，去應(yīng)力會不同程度地消除頭部的冷變形強化效果，當(dāng)去應(yīng)力高到一定溫度時，頭部的冷變形強化效果會完全消失，此時，頭部與桿部處于同一強度值：均為原材料的強度，但頭部與桿部交接處的承載面積小于螺紋截面積，斷裂自然會發(fā)生在承力最薄弱的頭桿結(jié)合處。

2.3 工藝驗證分析

（1）冷鐓工序分析 某批次規(guī)格M3，材料ML25，加工工藝為：備料（鋼材強度450～580MPa）→冷鐓→清洗→搓絲→清洗→拉伸試驗。經(jīng)檢查，頭部各尺寸均為中上限測量值，其中十字槽插入深度要求1.7～2.1mm[2]，實測值為1.7～1.85mm，也偏中上限值，經(jīng)拉伸試驗（樣件見圖2），結(jié)果見表2。

圖2 拉伸試驗樣件

表 2 拉伸試驗結(jié)果

從冷鐓工序加工將頭部各尺寸控制為中上限，十字槽插入深度控制靠近最小極限尺寸值后，從隨機抽樣的10件樣件的拉伸試驗可以看出，拉伸值均≥2.11kN規(guī)定值，且未斷頭，說明冷鐓工序后的十字槽沉頭螺釘頭部受到冷鐓強化，頭部與桿部交接處的強度要高于桿部，因此拉伸試驗拉斷處在螺紋段。

（2）去應(yīng)力分析 將上述規(guī)格為M3，材料為ML25冷鐓加工后200件產(chǎn)品進行去應(yīng)力熱處理（工藝為500℃×2h），經(jīng)拉伸試驗，結(jié)果見表3和圖3。

表3 熱處理后拉伸試驗結(jié)果

圖3 熱處理后拉伸試驗樣件

從去應(yīng)力熱處理后隨機抽樣10件拉伸試驗結(jié)果可知，盡管拉伸大于規(guī)定值，但產(chǎn)品在500℃×2h去應(yīng)力熱處理后，頭與桿的交接處冷變形強化效果消除，此時頭部與桿部處的強度均為原材料的強度，而頭桿結(jié)合處的承載面積小于螺紋截面積。因此，拉伸試驗會在頭桿結(jié)合處斷裂。

（3）去應(yīng)力熱處理工藝研究分析 通過上述分析，針對去應(yīng)力熱處理后影響該螺釘頭與桿交接處強度下降?，F(xiàn)討論提出幾種去應(yīng)力熱處理工藝參數(shù)的驗證方案：分別為300℃×2h，空冷；350℃×2h，空冷；400℃×2h，空冷；430℃×2h，空冷； 500℃×2h，空冷。經(jīng)去應(yīng)力熱處理后分別隨機抽樣10件進行拉伸試驗，結(jié)果顯示為400℃×2h，空冷；430℃×2h，空冷； 500℃×2h，空冷方案的拉伸試驗過程均發(fā)生1～3件的斷頭現(xiàn)象；而300℃×2h，空冷與350℃×2h，空冷方案的拉伸試驗在滿足規(guī)定拉伸的情況100%未斷頭，拉伸試驗結(jié)果見圖4和表4。

圖4 300℃、350℃方案拉伸試驗樣件

表4 300℃、350℃方案拉伸試驗結(jié)果

（4）加強去應(yīng)力參數(shù)驗證分析 為了進一步分析去應(yīng)力受溫度高低的影響，再次擬出去應(yīng)力熱處理工藝為300℃×2h，空冷；350℃×2h，空冷；400℃×2h，空冷，且將螺釘規(guī)格增加為M3、M4、M5。經(jīng)拉伸試驗，結(jié)果見表5。

從表5可以分析出，400℃×2h空冷去應(yīng)力熱處理方案，規(guī)格為M3、M4、M5都有1件以上在拉伸試驗中斷頭，而另外兩種去應(yīng)力熱處理方案的拉伸試驗均未斷頭。由此可見，去應(yīng)力熱處理溫度會影響螺釘頭與桿交接處的強度。

表5 再次去應(yīng)力熱處理工藝試驗結(jié)果

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過綜合分析，雖然頭部在冷鐓強化后頭與桿交接處強度要高于桿段，但在去應(yīng)力熱處理后頭與桿結(jié)合部位的冷變形強化效果會受到影響，冷變形強化效果的消除會因去應(yīng)力溫度的不同而消除程度不同。因此，如何做好冷鐓后的去應(yīng)力不受影響，保證頭與桿交接處的強度高于桿部段，通過不同的去應(yīng)力溫度參數(shù)驗證得到了解決。因此，防止十字槽沉頭螺釘斷頭的措施主要有：原材料強度控制在450～580MPa；冷鐓頭強化提高強度；頭部尺寸尤其是十字槽插入深度控制中限偏下差；最佳的去應(yīng)力熱處理工藝為350℃×2h，空冷。