關(guān)于擠壓螺紋鋁屑掉落的研究

喬文俊

摘要：擠壓螺紋作為一種利用金屬塑性變形原理，對材料進(jìn)行擠壓加工，并不產(chǎn)生切屑的方法，其在鋁化發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于其擠壓的工藝原理，牙型產(chǎn)生具有一定不規(guī)則性，導(dǎo)致長擠壓螺紋容易在裝配拆卸的過程中產(chǎn)生鋁屑，本文通過理論研究和實際切削相結(jié)合的方法，研究了不同的加工工藝，找出了產(chǎn)生鋁屑最少的加工方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)加工;擠壓螺紋;鋁屑;加工工藝

0 ?引言

隨著鋁合金材料在發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，新的加工方法也被大量引入，其中擠壓螺紋的加工方法因為其較高的強(qiáng)度，以及無切屑的特性，在鋁化發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。其隨之產(chǎn)生的問題是容易在裝配拆卸的過程中產(chǎn)生鋁屑，這種問題在長擠壓螺紋（長徑比大于5）的加工中尤為常見。長擠壓螺紋的加工主要含有幾個步驟：預(yù)鉆，鉆孔，攻絲，其中鉆孔的方法又分為含有鉸刀和不含有鉸刀等，工藝方法多種多樣，本文在研究了多種工藝方法后，找出了鋁屑產(chǎn)生的最少加工工藝。

1 ?擠壓螺紋的成型機(jī)理及特點

擠壓螺紋是一種金屬冷壓加工的方法，其主要原理是對工件材料產(chǎn)生擠壓，使其產(chǎn)生塑性變形，從而形成螺紋。擠壓絲錐含有以下特點：

①擠壓成型，加工不產(chǎn)生鋁屑，清潔化加工過程，不會出現(xiàn)鋁屑擠斷絲錐的情況。

②由于是冷壓成型，螺牙的強(qiáng)度較高。

③相應(yīng)的加工刀具磨損較低，壽命長。

④適合于加工延長率較高的塑性材料。

⑤擠壓成型的螺牙形狀相較切削螺紋不穩(wěn)定。

圖1 是擠壓螺紋的典型牙形：

2 ?擠壓螺紋鋁屑掉落研究實驗

本文選取實際工作中遇到的問題作為研究對象，前期采用專家評審法，收集實驗意見，建立實驗數(shù)據(jù)庫以及圖片庫，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出各種加工工藝得出的結(jié)果，并選出了最佳加工方案。

2.1 研究對象選取及其特點分析

本文研究對象選取為缸體上的燃燒面連接螺紋孔，燃燒室結(jié)合面是缸體上工作環(huán)境最惡劣的面之一，汽油在燃燒室內(nèi)被點燃，劇烈燃燒爆發(fā)能量給汽車提供動力，此外該面還是缸體缸蓋冷卻水和潤滑油的交互面，對密封和擰緊可靠性要求高，因此對螺紋的連接強(qiáng)度以及裝配的清潔度都有很高的要求，正好適合作為研究對象。

研究對象的材質(zhì)為鋁合金材料：GMW5M-AL-C-D-ClassA-Si9Cu3Fe1-T5，塑性延伸性不低于0.35%，適合采用擠壓螺紋的加工工藝，螺紋孔具體參數(shù)如下：M9X1.25-6H的螺紋，螺紋底孔深度為65mm，螺紋最低深度要求為60mm，螺紋孔位置度要求為0.55（相對于側(cè)面基準(zhǔn)）。

2.2 螺紋加工的實驗設(shè)計

我們根據(jù)功能驗證需求、工藝驗證需求、客戶驗證需求等方面的要求、選取了強(qiáng)度、底孔類型、加工工藝、加工參數(shù)、底孔直徑、擰緊曲線、擰緊掉屑等一系列驗證指標(biāo)。針對這些驗證指標(biāo)詳細(xì)設(shè)計了四個實驗，實驗的判定檢測工具有：擰緊槍、三坐標(biāo)、螺紋深度規(guī)、小徑通止規(guī)、拉力實驗機(jī)。詳如圖2。

根據(jù)實驗驗證需求以及驗證目標(biāo)，我們設(shè)計了切削絲錐與擠壓絲錐對比，加工工藝對比，底孔孔徑對比，絲錐參數(shù)對比等四個實驗，并對螺紋的加工工藝結(jié)果，裝配工藝結(jié)果，鋁屑結(jié)果以及強(qiáng)度結(jié)果做數(shù)據(jù)對比，實驗具體設(shè)計內(nèi)容如下：

2.2.1 實驗1：切削絲錐與擠壓絲錐對比

實施步驟及內(nèi)容：

①在同一缸體燃燒室面一半采用切削絲錐，一半采用擠壓絲錐，并對結(jié)果做三坐標(biāo)，螺紋通止規(guī)，小徑通止規(guī)，擰緊槍等測試;

②針對切削絲錐和擠壓絲錐每個加工螺紋孔進(jìn)行拉力實驗（每種加工方法做4次），并做拉力結(jié)果對比。

實驗零件數(shù)量：共6個;其中5個切削絲錐，5個擠壓絲錐;1個剖開做拉力實驗。

需對比數(shù)據(jù)：位置度，擰緊曲線，拉力數(shù)據(jù)，擰緊鋁屑分析。

2.2.2 實驗2：加工工藝的對比

實施步驟及內(nèi)容：

①使用直徑8.4麻花鉆底孔，直徑8.4直槽底孔，測量各自底孔的直徑、直線度和位置度等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比;

②最后采用擠壓絲錐對螺紋底孔進(jìn)行攻絲，做三坐標(biāo)，螺紋通止規(guī)，小徑通止規(guī)，擰緊槍等測試。

實驗零件數(shù)量：每種6個;5個攻絲，1個不攻絲做底孔直線度數(shù)據(jù)對比。

需對比數(shù)據(jù)：位置度，擰緊曲線，底孔直線度，擰緊鋁屑分析。

2.2.3 實驗3：直徑8.47底孔與直徑8.4底孔比較

實施步驟及內(nèi)容：

①使用直徑8.47鉸刀的底孔和直徑8.4底孔進(jìn)行對比，測量底孔直徑和直線度、位置度等數(shù)據(jù)。

②使用擠壓絲錐攻絲，并用三坐標(biāo)測量，螺紋通止規(guī)，小徑通止規(guī)，擰緊等測試。

實驗零件數(shù)量：每種6個;5個攻絲，1個不攻絲做底孔直線度數(shù)據(jù)對比。

需對比數(shù)據(jù)：位置度，擰緊曲線，擰緊鋁屑分析。

2.2.4 實驗4：絲錐參數(shù)對比

實施步驟及內(nèi)容：

使用不同擠壓絲錐的參數(shù)做實驗，每個孔采用不同的加工參數(shù)，最后用三坐標(biāo)測量，螺紋通止規(guī)，小徑通止規(guī)測量，擰緊檢查實驗結(jié)果并對比哪個參數(shù)最優(yōu)。

實驗零件數(shù)量： 2個

需對比數(shù)據(jù)：位置度，擰緊曲線，擰緊鋁屑分析。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

①實驗1中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)對比如下表1：

具體的擰緊鋁屑分析如圖3所示。

從表1實驗結(jié)果可以看出，切削絲錐和擠壓絲錐從位置度和擰緊曲線上來看，差異不大;拉力數(shù)據(jù)方面，擠壓絲錐強(qiáng)度較高;從擰緊產(chǎn)生的鋁屑分析來看擠壓絲錐的結(jié)果要差于切削絲錐，具體從圖3可以看出，擠壓絲錐無鋁屑的比例較低不足40%，切削絲錐無鋁屑比例接近70%，另外少量鋁屑以及帶狀鋁屑比例擠壓絲錐也較切削絲錐高，這個擠壓絲錐的成型機(jī)理以及牙型有關(guān)，實驗結(jié)果符合理論預(yù)期。

②實驗2中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)對比如表2：

具體的擰緊鋁屑分析如圖4所示：

從表2實驗結(jié)果可以看出，直徑8.4麻花鉆底孔和直徑8.4直槽底孔從擰緊曲線上來看，差異不大;位置度，底孔直線度，擰緊產(chǎn)生的鋁屑等方面來看直槽底孔會比螺旋槽底孔表現(xiàn)要好。

以位置度來講，由于實驗對象是一個長徑比達(dá)到7.7的孔，實驗中的直槽鉆設(shè)計了兩個支撐刃帶，在主軸冷卻液壓力充足的情況下，位置度好于普通麻花鉆，符合預(yù)期，需要注意的是加工系統(tǒng)的內(nèi)冷壓力足夠，內(nèi)冷壓力最好在70bar左右，排屑效果良好，若沒有較好的內(nèi)冷壓力，則需要選擇麻花鉆，利用麻花鉆的螺旋槽結(jié)構(gòu)，輔助排屑，以避免鋁屑堆積對底孔孔壁產(chǎn)生刮傷和擠壓，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓴嗟丁?/p>

以底孔直線度來講，直槽鉆采用E型鉆尖且直槽鉆與孔壁間隙較小，底孔直線度好符合預(yù)期;從鋁屑情況來講，直槽鉆無鋁屑比率遠(yuǎn)高于麻花鉆。

③實驗3中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)對比如表3：

具體的擰緊鋁屑分析如圖5所示：

從表3實驗結(jié)果可以看出，直徑8.4鉸刀和直徑8.47鉸刀從位置度，擰緊曲線以及擰緊產(chǎn)生的鋁屑等方面都沒有明顯差異。該實驗是為了驗證底孔直徑對螺紋孔的影響，由于是采用擠壓絲錐加工，對底孔的大小要求較嚴(yán)，即底孔公差較小，較大的底孔可能會導(dǎo)致擠壓形成的螺紋壓型不完整，因此選取的鉸刀直徑差異比較小，這可能也是導(dǎo)致最終實驗結(jié)果差異不大的原因。

④實驗4中的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)對比如表4：

具體的擰緊鋁屑分析如圖6所示：

從表4實驗結(jié)果可以看出，1.5倍退刀和2倍退刀從位置度，擰緊曲線以及擰緊產(chǎn)生的鋁屑等方面都沒有明顯差異。理論上來講，螺紋加工時較快的退刀會對螺紋質(zhì)量產(chǎn)生影響，但我們的實驗是在投產(chǎn)線上進(jìn)行的，為了盡量減少不必要的工廢，這里選擇的退刀速度較為保守，但也已基本覆蓋了常用的量產(chǎn)退刀速度，可以論證出退刀速度對擠壓螺紋的影響。

3 ?結(jié)語

根據(jù)上面一系列實驗，將擰緊產(chǎn)生鋁屑的數(shù)據(jù)整合在一起，如圖7所示：

我們可以得出以下結(jié)論：①切削絲錐的擰緊鋁屑掉落情況最好，其次是直槽鉆底孔的擠壓絲錐。這是加工原理決定的，特別是深螺紋孔，差異越發(fā)明顯;②位置度方面，麻花鉆加工螺紋底孔的表現(xiàn)最差，直槽鉆，鉸刀等方法位置度表現(xiàn)都不錯，采用直槽鉆進(jìn)行底孔加工的前提是加工系統(tǒng)有較好的內(nèi)冷壓力，具體原因在實驗2中有描述，這里不再重復(fù);③麻花鉆加工螺紋底孔的底孔直線度表現(xiàn)最差的;④擰緊曲線方面，各加工方法差異不大;⑤采用直槽底孔鉆加工擠壓絲錐底孔會得到較好的鋁屑結(jié)果。

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