2. 2提高抗疲劳寿命的工艺方法

     螺纹联接件在未强化之前,其抗拉疲劳破坏的几率为: 65%的破坏发生在与螺母联接的第一扣；20%的破坏发生在螺纹与光杆的转变处(Lin：这种描述基本正确，但是，造成在这些部位发生疲劳破坏的根本原因还是结构的应力集中程度过高)，也就是发生在螺纹的收尾处; 15%的破坏发生在螺栓头与螺杆过渡圆角处,如图1所示。必须说明,上述数据建立在整个联接件金属流线没有破坏的条件下。

     为改善抗拉疲劳寿命,可以在螺栓形状和工艺上采取措施,目前有效的方法如下。

2. 2. 1采用MJ螺纹(即加强螺纹)

     MJ螺纹与普通螺纹的主要区别在外螺纹的小径d1 和R ,如图2 所示。MJ 螺纹的主要特点是小径d1 较普通螺纹大些,牙根圆角半径增大,减小螺栓的应力集中。对R 有具体要求(Rmax = 0. 180 42 P,Rmin = 0. 150 11 P, P为螺距) ,而普通螺纹无此要求,甚至可以为平直段。这一重要变动,可以大大改善小径的抗拉疲劳性能。目前航空、航天器螺栓多采用MJ螺纹。

2. 2. 2改善螺纹疲劳性能

　　采用滚压螺纹的工艺方法,由于冷作硬化的作用,表层有残余压应力,可使螺栓内部金属纤维线走向合理且不被切断,其疲劳强度可较车制螺纹高30%～40%。若热处理后再滚压螺纹,使零件表面得到强化并获得残余压力层,其材料表面疲劳极限可提高70%～100%。

这种工艺还具有材料利用率高、生产率高和制造成本低等优点。表2 试验数据为不同工艺方法下的疲劳寿命值。试验螺栓材料为30CrMnSiA, 螺栓标准为GJB121. 2. 3, 6 ×26 (即MJ6)按试验方法进行抗拉疲劳试验,试验疲劳载荷: Pmax = 10. 1 kN, Pmin = 1. 01kN,结果见表2。

　　从表2可知,热处理后滚螺纹再冷滚螺栓转角处圆角r(见图1)的抗拉疲劳性能好。冷挤r的值要求不严格,技术条件只规定了变形量上限。

　　2. 2. 3严格控制收尾尺寸

　　如图1所示,螺栓螺纹与光杆过渡区是重要的疲劳源之一,严格按收尾尺寸控制过渡区形状是提高该区域疲劳寿命的重要措施。因此,在设计制造滚丝轮时,必须按标准严格修磨收尾处,且在滚丝时严格控制滚丝位置。具体措施可采用较大的过渡圆角见图3a,切制卸载结构见图3b、图3c,螺纹收尾处切制退刀槽也可减少应力集中(Lin：图3b和3c的示意图有明显的误导作用。增大过渡区域的圆角，的确有缓和局部应力集中的作用，但是图3b 3c)。

对图1所示螺栓转角r冷挤,可提高转角处抗拉疲劳寿命。如表2 所示, 若只采取2. 2. 1 ) ,2. 2. 2) , 2. 2. 3)项强化措施,疲劳断裂将全部发生在螺栓转角r处。所以,冷挤强化转角r是提高螺栓整体抗拉疲劳寿命的重要措施之一。

　　2. 3避免产生附加弯曲应力

　　由于设计、制造和装配不良的原因,会导致螺栓偏心载荷。偏心载荷会在螺栓中引起附加弯曲应力,大大降低螺栓的疲劳强度,所以,从结构和工艺上应采取相应的措施,以避免附加弯矩的产生。

　　(1)螺栓的沉孔角度要准确,只允许0°～0. 5°的正偏差,不允许负偏差,如图1所示。

　　(2)螺栓的支承面应平整,并与螺栓孔轴线垂直。

　　(3)对工件上装配六角头一类的安装孔,孔的倒角应符合国际规定。

　　2. 4预紧力装配

　　预紧力是螺纹联接中被关注的一个问题。理论和实践证明,螺栓和被联接件的刚度不变,只恰当地增大预紧力,对抗拉疲劳性能有明显提高。这就是螺栓预紧应力高达( 0. 7～0. 8)σs 的一个原因。为此,准确控制预紧力并保持其不减退是很重要的。预紧应力大小由定力扳手或预应力指示垫圈控制。不同条件下对预应力大小要求不同,常用的预应力估算可用下列经验公式：

　　对一般机械预紧应力: σp = (0. 5 ～ 0. 7)σs ;对高强度联接: σp = 0. 75σs (为屈服极限)(Lin：这种预应力的提法又与前面的46%的提法相矛盾)。近年来出现一种螺栓联接的新方法,就是把螺栓预紧到屈服点,使螺栓在塑性域工作。详情可参阅日本人丸山一郎的论文《塑性ねじ域缔结》(《机械の研究》40卷No12. 1988) 。对重要预紧应力抗疲劳联接,应作不同预紧应力的疲劳寿命试验,才能确定正确而可用的预应力值。

3.总结

     文中通过试验数据和实践经验，从螺栓的选材、加工工艺和装配方面，提出了一些提高螺栓抗拉疲劳强度的具体措施，有些已在实际应用中验证了其有效性，有些经验数据和结论仍有待于得到理论上的进一步探讨和支持。总而言之，提高螺栓的抗拉疲劳性能必须采取综合措施，任何单一的措施都不能完成整体抗疲劳的需要。

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