心軸支撐滾壓加工螺紋的生產(chǎn)工藝分析

史亞貝，劉紅普

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南南陽(yáng)473009)

空心薄壁螺紋零件在機(jī)械產(chǎn)品中占有較大比重，如柴油機(jī)、汽油機(jī)等動(dòng)力機(jī)械以及汽車的冷卻、潤(rùn)滑部件、進(jìn)出油管等均為帶孔的空心薄壁螺紋零件。

螺紋的加工方法較多，總括起來(lái)可以分為切削加工和冷擠壓兩大類。長(zhǎng)期以來(lái)，空心薄壁零件螺紋多在車床上按工序集中進(jìn)行生產(chǎn)加工，這種車削螺紋的生產(chǎn)方法，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、操作技術(shù)要求高，而且螺紋的精度低、強(qiáng)度差、刀具和機(jī)床壽命短、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。冷擠壓加工螺紋則具有生產(chǎn)效率高、精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，因而生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。作者重點(diǎn)介紹在普通滾絲機(jī)床上，采取革新措施，利用心軸支撐實(shí)現(xiàn)空心薄壁零件螺紋冷擠壓的工藝方法。

心軸支撐滾絲，是把滾絲機(jī)床上原用于滾絲的支撐導(dǎo)板拆除，而在滾絲機(jī)床的固定滾絲輪和活動(dòng)滾絲輪之間裝置一個(gè)與滾絲機(jī)兩主軸平行的支撐心軸，滾壓空心薄壁零件的螺紋時(shí)，將零件孔套在心軸上，使心軸與被滾壓的螺紋零件孔保持合適的間隙，當(dāng)薄壁零件受到滾絲輪的擠壓作用力時(shí)，由于心軸支撐工件的孔徑防止薄壁零件變形，于是在零件的表面上擠壓形成完整的牙型。心軸支撐滾壓加工螺紋有以下生產(chǎn)工藝需要注意:

1 支撐心軸的尺寸選擇

滾絲支撐心軸按其在實(shí)際工作過(guò)程中的作用而言，它與滾絲機(jī)床的支撐導(dǎo)板有著相似之處。它們的相同點(diǎn)是在滾壓螺紋過(guò)程中，使工件獲得準(zhǔn)確的定位，滿足滾壓螺紋工藝所需要的支撐條件，確保工件擠壓獲得合乎螺紋標(biāo)準(zhǔn)要求的牙型;它們的不同點(diǎn)是支撐導(dǎo)板以工件的外徑作為定位基準(zhǔn)，滾壓空心零件的螺紋時(shí)，工件必須具備足夠的承受擠壓的強(qiáng)度條件，否則空心零件受到滾絲輪擠壓力的作用，就會(huì)被擠成橢圓形，難以獲得標(biāo)準(zhǔn)要求的螺紋零件。心軸支撐是以工件的內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，滾壓空心零件時(shí)，即使工件不具備承受滾絲輪擠壓力的強(qiáng)度條件，由于工件的內(nèi)孔受到心軸支撐作用，仍可避免空心薄壁零件被擠壓變形，確?？招牧慵D壓加工獲得滿足精度要求的螺紋。

采用心軸支撐滾壓空心薄壁零件螺紋的工藝中，關(guān)鍵步驟是確定心軸的尺寸，保證心軸與零件孔的合理間隙。心軸與零件孔之間的間隙不可太大，也不可太小。如果心軸與零件孔之間的間隙太大，心軸起不到支撐作用，滾壓螺紋時(shí)，達(dá)不到防止工件變形的目的;如果心軸與零件孔之間的間隙太小，滾壓螺紋時(shí)可避免零件被擠成橢圓，但卻容易將螺紋擠成喇叭狀，導(dǎo)致被擠壓的零件螺紋中徑出現(xiàn)倒錐，大量的試驗(yàn)均證明了這一點(diǎn)。

空心薄壁零件在用心軸支撐滾壓加工螺紋的過(guò)程中，受力和變形情況如圖1—3所示。

圖1 徑向變形圖

圖2 徑向受力圖

圖3 軸向受力分布圖

空心零件在支撐心軸上滾壓加工螺紋時(shí)，工件受滾絲輪擠壓力F的作用，力F可以分解為Fx和Fy兩個(gè)相互垂直的分力，如圖2所示。工件受到滾絲輪的作用力以后，力傳遞到支撐心軸上，同樣工件也受到心軸作用的大小相等、方向相反的一對(duì)力，工件還受到心軸作用的支撐分力Fn。

空心薄壁零件受到滾絲輪的作用力F，一方面表層的金屬受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形，形成零件的螺紋牙型;另一方面，工件在心軸和滾絲輪的作用下，整體形狀也發(fā)生變化，即使得工件孔的左、右壁及上頂部貼合在心軸上，如圖1所示。如果沿工件的軸線A-A剖切零件和支撐心軸，工件的受力變形情況如圖3所示。

由于零件的螺紋端部帶有臺(tái)肩結(jié)構(gòu)，故可知工件的不同軸向部位，其剛性和變形抗力也不相同。很明顯，靠近工件的臺(tái)肩部位，材料的剛性大，變形小;而遠(yuǎn)離臺(tái)肩或靠近零件的口徑部位，材料的剛性減弱，變形增大。

因此，工件材料在受到擠壓力被反復(fù)輾軋的過(guò)程中，產(chǎn)生了延伸變形。工件材料的延伸變形，既有軸線方向的變形，又有徑向圓周方向的變形。由于零件的材料在軸線不同位置，受到的輾軋作用力大小不同，因而徑向變形延伸量也不相同。在靠近工件口徑部位受擠壓輾軋作用力較大，故圓周方向延伸量較大;離零件口徑遠(yuǎn)的部位，受到擠壓的輾軋力較小，故圓周方向延伸增長(zhǎng)量較小。因此，空心薄壁零件在用心軸支撐滾絲的過(guò)程中，由于擠壓輾軋作用的結(jié)果，使靠近口徑部位的圓周周長(zhǎng)比靠近臺(tái)肩部位的圓周周長(zhǎng)大，即使工件的內(nèi)孔呈現(xiàn)喇叭口狀，螺紋的中徑出現(xiàn)嚴(yán)重的倒錐現(xiàn)象。

基于上述分析，對(duì)空心薄壁零件用心軸支撐滾壓加工螺紋，螺紋的中徑產(chǎn)生倒錐度的原因有了一定的認(rèn)識(shí)。根據(jù)分析，減小支撐心軸靠近零件口徑部位的外徑尺寸，增大支撐心軸與零件內(nèi)孔之間的間隙，以便在滾壓螺紋過(guò)程中，使零件與心軸的貼合程度較小，從而減小零件材料在滾絲輪和心軸之間所受到的輾軋擠壓作用力，進(jìn)而減少零件在圓周方向的延伸增長(zhǎng)量，減輕或者避免零件螺紋中徑的倒錐度。不同的零件，滾壓加工螺紋時(shí)所保留的間隙量大小也不相同，其大小與被滾壓螺紋零件的壁厚大小、被滾壓螺紋的規(guī)格、零件的具體結(jié)構(gòu)形狀等均有一定的關(guān)系。在滾壓加工具體的空心薄壁零件時(shí)，只要結(jié)合實(shí)際，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以分析，不難確定出符合要求的間隙量。

2 滾壓用量的選擇

滾壓空心薄壁零件的螺紋時(shí)，一般選用滾絲機(jī)床的較小壓力值。即調(diào)整機(jī)床時(shí)，可按照機(jī)床說(shuō)明書取正常滾壓相同規(guī)格螺紋所需滾壓力的75%，作為滾壓空心薄壁零件螺紋的試驗(yàn)滾壓力，然后根據(jù)滾壓試驗(yàn)的情況，再調(diào)高或調(diào)低機(jī)床的壓力，直到取得滿意的效果為止。

3 進(jìn)給速度的選擇

滾壓空心薄壁零件的螺紋，滾絲輪的進(jìn)給速度一般比滾壓實(shí)心零件的螺紋進(jìn)給速度略慢，以減少空心零件受滾絲輪的沖擊，避免零件變形。同時(shí)為了不致嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，滾壓空心零件時(shí)，滾絲輪的轉(zhuǎn)速可適當(dāng)提高。滾壓空心零件螺紋的時(shí)間一般比滾壓實(shí)心零件螺紋的時(shí)間多0．5～1倍。

4 適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)壓整形時(shí)間

在滾壓空心薄壁零件的過(guò)程中，當(dāng)滾絲輪進(jìn)給到滾絲需要的終點(diǎn)時(shí)，保持滾絲輪在固定中心距的情況下，不進(jìn)給也不退回地旋轉(zhuǎn)滾壓零件的螺紋保持一段時(shí)間，這段時(shí)間稱為穩(wěn)壓整形時(shí)間?？招谋”诹慵葘?shí)體零件滾絲的穩(wěn)壓整形時(shí)間要延長(zhǎng)l倍以上。延長(zhǎng)穩(wěn)壓整形時(shí)間，是使空心零件在滾絲過(guò)程中形成的橢圓度得到一定的修復(fù)，以便提高零件的螺紋質(zhì)量。

5 其他工藝問(wèn)題

滾絲機(jī)床滾壓加工螺紋用導(dǎo)板支撐時(shí)，設(shè)計(jì)導(dǎo)板的高度通常是在螺紋牙型成形時(shí)使工件的中心略低于滾絲輪的中心線0．2～0．3 mm。使工件的中心線低于滾絲輪的中心線，有利于保持滾絲過(guò)程的穩(wěn)定性，避免工件被滾絲輪抬起。采用心軸支撐空心零件滾壓加工螺紋，由于工件的內(nèi)孔套在心軸上，限制了工件上下方向的自由度，始終能夠保持滾絲過(guò)程的穩(wěn)定性，并且既不會(huì)把工件抬起，也不會(huì)磨傷螺紋牙頂，但是按照通常的習(xí)慣，心軸支撐空心零件滾壓加工螺紋的時(shí)候，仍然使心軸的中心高度比滾絲輪的中心高度略低0．2 ～0．3 mm。

【1】張琳．冷滾壓螺紋和車削螺紋大徑重合加工工藝［J］．機(jī)床與液壓，2002(3):184-185，191．

【2】張世良，楊晉平．缸筒存在半孔滾壓中滾壓工具的磨損分析及改善研究［J］．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011，40(1):63-66，69．

【3】劉兆紅，吳世豪．空心薄壁件外螺紋的滾壓成形［J］．模具工業(yè)，1998(6):17-19．