Болти та гвинти є основними механічними компонентами, які широко використовуються в різних галузях промисловості, таких як автомобілі, промислове обладнання та будівництво. На відміну від зварювання та клепки, головною особливістю болтів є те, що їх можна легко видалити навіть після затягування та використовувати повторно, -затягнувши.
Процес виготовлення титанових болтів
Виробничим матеріалом для болтів, як правило, є змотаний дріт. Після вторинної обробки, такої як травлення, змащування, відпал і волочіння дроту, головка болта та різьба формуються, термічно-обробляються та-поверхні за допомогою холодного кування. Залежно від типу продукту, деякі вимагають термічної обробки перед формуванням різьблення, а інші – ні. Вторинна обробка зазвичай виконується спеціалізованим персоналом, але іноді це робиться на заводі з виробництва болтів.
Формування головки болта загалом відноситься до процесу холодного кування головки болта за допомогою ковальського обладнання, такого як машина для осадки або машина з штовхачем, що називається «осадкою». Холодне кування, також відоме як холодне пресування, відноситься до обробки при кімнатній температурі. Цей термін протиставляється теплій і гарячій обробці, коли матеріал нагрівається перед обробкою. Процес кування включає розрізання рулонної сталі на відповідні відрізки, а потім пресування матеріалу за допомогою кількох штампів. Кування включає чотири етапи: осадку, глибоку витяжку, зворотне видавлювання та обробку. Висадка передбачає стиснення матеріалу з одного кінця, щоб розширити його за вихідний діаметр; глибока витяжка, навпаки, стискає матеріал з одного кінця, щоб зменшити його діаметр; зворотна екструзія включає пресування матеріалу з одного кінця в матрицю з меншим діаметром, змушуючи його видавлювати назовні, одночасно створюючи отвір; фінішна обробка передбачає видалення зайвої товщини за допомогою ковальської матриці. Залежно від форми виробу ці способи можна використовувати окремо або в комплексі. Більш складні форми вимагають більше етапів обробки для поступового формування виробу, але звичайні болти можна сформувати лише за 2-5 кроків.
Процес формування різьбової частини передбачає використання вальцювальної машини для холодного кування та формування різьби в процесі формування різьби болта. Спосіб формування такий же, як і для головки болта. Форму різьби формують шляхом затискання заготовки між двома наборами штампів, обертанням однієї з штампів з одночасним обертанням заготовки та формування різьби за допомогою пластичного формування. Штампи для кування, які використовуються для формування різьблення, називаються «формувальні штампи». Існує три типи машин для формування прокатки: машини для плоского кування, машини для формування круглої форми та планетарні машини. Формувальні машини для плоского кування використовують дві звичайні прес-форми; один закріплений, а другий рухається вперед і назад, щоб скочувати та формувати заготовку. Машини для прокатки круглих штампів використовують дві паралельні циліндричні прес-форми, які обертаються в одному напрямку для прокатки та формування заготовки, затиснутої між двома штампами. Планетарні вальцьово-формувальні машини затискають заготовку між циліндричною ковальською матрицею та віялоподібною ковальською матрицею, а також прокочують і формують її, обертаючи циліндричну ковальську матрицю.
Болти, сформовані холодним куванням і термічною обробкою, як правило, виготовляються з матеріалів з твердістю, придатною для пластичної обробки. Матеріали з високим вмістом вуглецю або доданими легуючими елементами за своєю суттю тверді й важко піддаються обробці, тому деякі потребують відпалу для їх пом’якшення. Більшість матеріалів не можуть забезпечити необхідну міцність в умовах холодного кування. Термічна обробка, яка виконується після холодного кування, надає болту необхідну міцність і механічні властивості і є найважливішим етапом у виробництві болта. Болти класифікуються на різні класи міцності відповідно до їх застосування та використання. Термічна обробка необхідна для того, щоб сформовані болти мали відповідні необхідні механічні властивості.
Болти, які використовуються в автомобільних двигунах, часто прилипають до мастила, тому вони не іржавіють навіть без обробки поверхні. Однак це лише мала частина болтів; більшість з них використовуються в корозійних середовищах, тому швидко іржавіють без обробки поверхні. Якщо заіржавілі болти не лікувати, корозія не дозволить їх відкрутити, а в серйозних випадках вони можуть зламатися, що призведе до серйозних нещасних випадків. Тому болти, що використовуються в корозійних середовищах, вимагають обробки поверхні, наприклад гальванічного покриття. Обробку поверхні болтів можна розділити на гальванічне покриття та покриття. Найпоширенішим методом є гальванічне покриття, перевагами якого є низька вартість і хороша стійкість до корозії. Якщо потрібна більш висока стійкість до корозії, ніж гальванічне покриття, можна використовувати гальванічне покриття зі сплавів, таких як оцинковане залізо та цинк-нікель, або можна застосувати цинк-алюмінієве композитне покриття.
Напрямок розвитку автомобільних болтів
В останні роки автовиробники вимагали зниження вартості компонентів, меншої ваги та більшої міцності. Одночасно, щоб вирішити проблеми з навколишнім середовищем, необхідно скоротити викиди CO2, а для зниження споживання палива – мінімізувати вагу автомобіля. У витратах на виготовлення болтів основну частину становить вартість заготовки; тому найефективнішим методом є здешевлення самого матеріалу. Японські автовиробники досліджують використання недорогих закордонних матеріалів для зниження витрат на постачання матеріалів. Щоб задовольнити вимоги замовників, виробники болтів також провели різні дослідження зменшення ваги болтів. Як заходи для зменшення ваги болта деякі використовують легкі метали, такі як алюміній або титан, тоді як інші зменшують розмір болта. Хоча зменшення розміру болта може зменшити вагу, якщо розмір болта зменшити для тієї самої міцності, сила затягування болта зменшиться через зменшену площу поперечного-перерізу.
Тому, щоб забезпечити той самий рівень міцності при зменшенні розміру болта, міцність болта повинна бути збільшена. Поточні державні стандарти, такі як JIS, і власні стандарти автовиробників визначають лише вимоги до болтів зі ступенем міцності нижче 12,9. Для звичайних загартованих і відпущених болтів характеристики затримки руйнування різко погіршуються, коли клас міцності перевищує 12,9. У деяких сферах застосування, де вже використовуються високоміцні болти 10,9 або 12,9, досягнення зменшення ваги за рахунок зменшення розміру вимагає використання болтів зі ступенем міцності, що перевищує 12,9, і застосування методів покращення характеристик відстроченого руйнування. Для досягнення високої міцності деякі загартовані та відпущені болти покращують характеристики затримки руйнування шляхом додавання легуючих елементів. Хоча додавання легуючих елементів може певною мірою покращити характеристики затримки руйнування, висока ціна цих елементів неминуче збільшує витрати.
Інший підхід полягає у використанні не-загартованих і відпущених болтів. Не-загартовані та відпущені болти не потребують термічної обробки після формування; їх міцність забезпечується в першу чергу за рахунок зміцнення. Мікроструктура не-загартованих і відпущених болтів повністю відрізняється від мікроструктури загартованих і відпущених болтів, демонструючи сильну стійкість до уповільненого руйнування. Для не-загартованих болтів використовуються матеріали з вищим вмістом вуглецю, ніж для загартованих болтів. Завдяки контрольованому охолодженню та термічній обробці на стадії заготовки можна досягти значного зменшення площі. Після робочого зміцнення шляхом волочіння дроту подальше зміцнення на стадії формування болта забезпечує міцність болта. У той час як звичайні болти не загартовуються після формування, вони повинні піддаватися вороненню, щоб усунути внутрішню деформацію через холодне кування. Недоліком є те, що твердість матеріалу вища, ніж у загартованих болтів, тому їх дуже важко формувати. Зараз міцність незагартованих болтів, які використовуються в двигунах, становить 1600 МПа, а міцність незагартованих болтів, які використовуються в кузовах транспортних засобів, досягла 1400 МПа. Очікується, що в майбутньому попит на ці високоміцні-болти зросте.
