熱熔鉆技術(shù)在車門鉸鏈螺母板制造中的應用研究

虎儀鑫 申強 朱成燕 成起 王青

摘 要：闡述了熱熔鉆技術(shù)的工藝原理，對熱熔鉆工藝制造的零部件各項性能進行試驗，與傳統(tǒng)鉆孔攻絲進行對比，確定其適用場合及工藝參數(shù)。同時，在車門鉸鏈螺母板零件上利用熱熔鉆技術(shù)的優(yōu)勢，減薄零件厚度的同時又不降低螺紋連接強度，簡化了加工和表面處理工序，降低了制造成本。為在其它零部件上利用該技術(shù)提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：熱熔鉆；自重；穩(wěn)定性；強度；熱處理；成本

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-245-04

Abstract： The technology principle of flowdrill technology is described. The performance of the parts produced by the flowdrill process was tested， and compared with the traditional drilling tapping to determine the applicable occasions and process parameters. At the same time， the advantages of flowdrill technology are used on the plate parts to reduce the thickness without reducing the thread connection strength， simplifying the processing and surface treatment processes， reducing the manufacturing cost. This paper provides a way of thinking for others.

Keywords： flowdrill； dead weight； stability； strength； heat treatment； cost

CLC NO.： U466 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-245-04

1 熱熔鉆技術(shù)

熱熔鉆又叫熱鉆（flowdrill），是一項來自德國的革命性新技術(shù)。它改變了傳統(tǒng)鉆孔緊固工序的工藝，使得以往加工過程中的難題——薄板薄管的攻牙緊固幾秒鐘就可以輕松解決。此項工藝用以取代鉆孔，取代焊接螺母，取代壓鉚螺母。[1]

1.1 熱熔鉆工作原理

熱熔鉆采用碳化鎢硬質(zhì)合金材料制造，其端部呈30°～60°的錐尖形，錐面上無切削刃口。當熱熔鉆在金屬薄壁工件表面高速回轉(zhuǎn)并被施以向下的軸向壓力時，熱熔鉆的頭部與金屬材料劇烈摩擦，產(chǎn)生高達650～750℃的高溫，使與錐頂接觸的局部金屬材料升溫變紅并迅速軟化，隨著軸向壓力加大和進給加深，端部錐面與金屬材料的接觸面積增大，發(fā)熱進一步增加，加工區(qū)溫度繼續(xù)上升而使變紅區(qū)域擴大。隨著孔內(nèi)原來的熔融實體材料在鉆頭的軸向進給和旋轉(zhuǎn)作用下沿徑向和軸向作熱塑性流動而形成環(huán)頸和襯套，并快速加工出孔洞，而襯套的形成正是熱熔鉆所需要的加工效果。[2]

1.2 熱熔鉆加工孔型

熱熔鉆鉆削或攻螺紋的孔型包括四種（見圖2）：短型、短平型、長型和長平型。

1.3 擠壓絲錐

擠壓絲錐（圖3）是相對于切削絲錐而言的，普通絲錐是切削絲錐，用它攻絲就是通過切除金屬的方式來獲得內(nèi)螺紋。而擠壓絲錐是通過絲錐上螺紋棱帶擠壓內(nèi)孔金屬，使金屬變形后充滿絲錐牙槽，絲錐退出后形成內(nèi)螺紋。擠壓絲錐適合在塑性材料上攻絲，如鋁合金、銅合金、不銹鋼、低碳鋼等。使用擠壓絲錐形成的內(nèi)螺紋粗糙度高、精度高、強度大。需要注意的是擠壓絲錐要求的底尺寸不同于切削絲錐攻絲的底孔。[3]

1.4 熱熔鉆孔/攻絲特點

（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，精度高。熱熔鉆加工孔/攻絲的總厚度可達工件原始壁厚的3倍左右（見圖4）。較焊接螺母結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、可靠；擠壓絲錐較一般絲錐攻絲提高了螺紋的精度、表面粗糙度、拉伸強度，且不易磨損，使用壽命長。

（2）具有抗銹蝕能力。熱熔鉆鉆孔/攻絲的孔加工表面因熱熔鉆頭部與金屬材料劇烈摩擦產(chǎn)生高溫，然后在空氣中冷卻而獲得正火處理效果，使孔的表層硬度及防銹、耐腐蝕性能得以提高（見圖5）。

（3）加工速度快，生產(chǎn)效率高。根據(jù)材料厚度及孔徑大小的不同，加工1個孔僅需3—6秒鐘。

（4）熱熔鉆孔/攻絲加工過程潔凈，實現(xiàn)了無屑加工，無需處理切屑等廢料。

（5）熱熔鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，易于制備和維護，刀具壽命較長。熱熔鉆頭圓柱面磨損小，錐面磨損不影響加工孔側(cè)面的成形，無需刃磨刀具。

（6）無需額外增加專用設備和配件。熱熔鉆可在標準鉆床或數(shù)控鉆床上進行加工（加工功率水平1.5～3.5kW，主軸轉(zhuǎn)速1000～3500r/min）；鉆頭夾持采用套筒夾頭，刀柄采用莫氏錐柄或直圓柱柄（見圖6）。

（7）熱熔鉆加工可優(yōu)化、簡化和改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計和工藝路線，降低制造周期及成本。

2 熱熔鉆技術(shù)應用

目前某車白車身車門鉸鏈螺母板有兩種，其材料均為8mm厚 45#鋼，要求零件進行調(diào)質(zhì)處理30—35HRC，螺紋精度為H6級。零件加工工序為落料—鉆孔—熱處理—攻絲。

為了提升產(chǎn)品競爭力，降低整車自重及零件加工費用，在保證車門鉸鏈螺栓在車輛行駛過程中不松動。充分利用熱熔鉆技術(shù)的優(yōu)勢，在減薄零件厚度的同時又不降低螺紋連接強度，即螺母板絲扣不減少且取消螺母板熱處理工序，降低制造成本。

2.1 鉸鏈螺母板的加工

新鉸鏈螺母板采用6mm厚510L板，工藝加工路線為：落料—熱熔鉆鉆孔—擠壓絲錐攻絲。熱熔鉆加工鉸鏈螺母板M8螺紋孔要求見表2：[4]

新加工的鉸鏈螺母板如圖8。利用M8標準螺紋通止規(guī)對加工的螺紋孔精度檢測，螺紋孔精度達到H6級。

2.2 理化分析

2.2.1 宏觀檢查

螺紋孔軸線縱剖面經(jīng)磨拋、浸蝕后宏觀形貌（見圖9），螺紋牙部與基體顏色稍有差異。 螺母板螺紋孔高度為12mm，較母材厚度6mm增加到原來的2倍；螺紋有效牙數(shù)7扣，較圓螺母板牙數(shù)4扣增加了近一倍左右。

2.2.2 硬度檢查

在圖9中所示4個部位進行硬度檢查。1#-4#位置硬度依次為222HV10、230HV10、210HV10、181HV10，其中，3#位置距螺紋牙底約1mm，4#位置距螺紋牙底約3mm。

2.2.3 微觀檢查

螺紋牙部及螺母板基體微觀形貌見圖10。圖中左側(cè)深色區(qū)域為螺紋牙部，牙頂部位有一明顯的折疊，牙部微觀組織為鐵素體+珠光體，晶粒細小、均勻。圖中右側(cè)淺色區(qū)域為螺母板基體，其微觀組織為鐵素體+片狀珠光體。螺紋牙部及螺母板基體之間的過渡區(qū)域大致在螺紋牙底徑附近。

理化分析表明，螺紋牙部硬度相比母材硬度增加20%左右 。這是由于螺母板螺紋孔系熱熔鉆成型，故加工孔時孔內(nèi)壁由表至里存在一定的溫度梯度并且冷卻速度也會存在一定的差異，同時內(nèi)螺紋冷成型時表面與心部變形程度不完全一致，以上均將影響螺紋牙表面與心部硬度的一致性。

2.3 抗扭矩試驗

為了驗證用熱熔鉆加工的鉸鏈螺母板螺紋抗扭矩情況，用10.9級M8的螺栓分別與原鉸鏈螺母板、新加工的螺母板進行擰緊破壞試驗（圖11）。

結(jié)果顯示，兩種螺母板在同樣條件下螺栓擰緊至破壞狀態(tài)，其最小破壞力矩基本一樣，螺母板螺紋均未損傷。

2.4 抗拉強度試驗

將熱熔鉆加工的鉸鏈螺母板及原螺母板分別加工成螺母拉伸試樣，利用12.9級M8的螺栓驗證螺母板螺紋抗拉強度，分別各做四組試驗如圖12，用以驗證螺紋抗拉強度。

試驗結(jié)果如表3，拉伸斷裂部全部在螺栓螺紋處（如圖12），斷裂螺栓可輕松從螺母試樣上擰下，螺母螺紋完好。試驗結(jié)果表明熱熔鉆加工的螺母板螺紋等級達到12級，滿足現(xiàn)有產(chǎn)品車門安裝。拉伸試驗曲線如圖13。

2.5 可靠性試驗

通過對車門打開與關(guān)閉狀態(tài)下部Z向位移的測量分析，以及側(cè)圍與車門貼標記處的相對位移量測量分析，對熱熔鉆加工的鉸鏈螺母板可靠性進行驗證。

2.5.1 檢測條件

（1）車門開閉頻率：3次/min

（2）試驗次數(shù)：10000次

（3）車門進行配載：350±10N

2.5.2 檢測儀器量具設備

2.5.3 車門開閉試驗結(jié)果

（1）車門Z 向無明顯下沉量；

（2）車門刻線與車身側(cè)圍刻線平齊、無線差；

（3）車門鉸鏈連接螺栓扭矩無衰減。

綜上，車門無明顯沉降，熱熔鉆工藝鉸鏈螺母板驗證效果合格。

2.6 小批量裝車驗證

對熱熔鉆加工的鉸鏈螺母板在某車型整車上裝配50輛份進行市場路跑驗證100000公里，車門未出現(xiàn)下沉等售后質(zhì)量問題，檢測螺栓擰緊力矩沒有衰減。

2.7 結(jié)論

熱熔鉆加工的鉸鏈螺母板滿足設計及使用要求。

3 總結(jié)

利用熱熔鉆技術(shù)加工車門鉸鏈螺母板，不僅優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計，簡化了工藝加工路線，又降低了零件加工費用及零件自重降低。這種新型工藝技術(shù)性能可靠，工藝簡單，可在在其它諸如平板背面凸焊螺母的替代、管狀零件鉆孔、異種多層金屬同時鉆孔攻絲等多種場合推廣應用。

參考文獻

[1] 熱熔鉆制造技術(shù)簡介[EB].

[2] 陳學文.熱熔鉆孔/攻絲技術(shù)原理及其應用[J].萬方數(shù)據(jù)，2007年第41卷No.7.

[3]劉作慶，劉擁軍，張建周.擠壓絲錐的應用[J].萬方數(shù)據(jù)，2012年第46卷No.4.

[4] 海富美成鉆頭貿(mào)易有限公司.http：//www.formdrillchina.com.