擠壓絲錐中碳鋼深孔螺紋加工技術(shù)

■ 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （山西長(zhǎng)治 046012） 李曉波 王蒲珉 才冬濤

生產(chǎn)實(shí)踐中，一批零件需加工深度25mm的M8盲孔螺紋。使用普通絲錐在加工中心上攻螺紋時(shí)，經(jīng)常發(fā)生絲錐折斷的問(wèn)題，尤其是攻螺紋接近底部時(shí)，絲錐更容易折斷。為了去除折斷的絲錐，需采取電火花等手段，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在去除折斷絲錐的過(guò)程中，如果不慎將螺紋損壞，還將造成整個(gè)零件的報(bào)廢。不僅增加了成本，還嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度。

1. 絲錐容易折斷的原因分析

該零件螺紋孔如圖1所示，零件材質(zhì)為30CrMnSiA，屬于中碳合金鋼，伸長(zhǎng)率δ5≥10%，抗拉強(qiáng)度Rm≥1 080MPa，調(diào)質(zhì)處理后硬度為34～38HRC。零件材料較高的強(qiáng)度和硬度必然造成攻螺紋時(shí)較大的切削力，而普通切削絲錐一般具有三條或四條較深容屑槽，容屑槽的存在嚴(yán)重降低了絲錐的強(qiáng)度，在較大的切削力作用下，致使絲錐發(fā)生折斷，這是攻螺紋過(guò)程中絲錐易折斷的主要原因。再加上此零件的螺紋孔為盲孔，且深度較深，當(dāng)絲錐攻到底部時(shí)，大量切屑擠在絲錐容屑槽，如果不及時(shí)排出，極易將容屑槽堵塞，不僅增大切削阻力，同時(shí)還阻擋了潤(rùn)滑液進(jìn)入螺紋孔底部，造成潤(rùn)滑困難，進(jìn)一步增大切削阻力，更加容易造成絲錐折斷。

圖1 零件深孔螺紋

因此，加工此零件深螺紋孔時(shí)，絲錐容易折斷的原因可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：①零件材料的強(qiáng)度和硬度較高，攻螺紋時(shí)造成較大的切削力。②普通切削絲錐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成其本身強(qiáng)度較低。③零件的螺紋較深，絲錐切削環(huán)境惡劣，普通絲錐切削過(guò)程中產(chǎn)生較多的切屑使容屑槽堵塞，造成潤(rùn)滑不良，切削阻力增大。

2. 工藝改進(jìn)思路

該零件設(shè)計(jì)使用材料為30CrMnSiA，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度34～38HRC，為保證產(chǎn)品性能，零件材料無(wú)法更改，只能從攻螺紋的刃具——絲錐及攻螺紋工藝方面進(jìn)行改進(jìn)。

針對(duì)該零件深孔螺紋加工過(guò)程中普通絲錐強(qiáng)度低、容屑槽易堵塞及潤(rùn)滑不良等缺點(diǎn)，經(jīng)分析，擬采用擠壓絲錐代替普通絲錐來(lái)加工。

擠壓絲錐外觀如圖2所示，與普通切削絲錐不同，它在加工過(guò)程中不是直接切削工件材料，而是靠擠壓作用，使工件材料產(chǎn)生塑性變形而形成內(nèi)螺紋，因此擠壓絲錐的外形為多棱形，沒(méi)有容屑槽（通常只開(kāi)有一條或多條較淺的潤(rùn)滑油槽）及切削刃口，其截面形狀是閉合式多角型面。擠壓絲錐與普通切削絲錐的截面比較如圖3所示。

圖2 擠壓絲錐

圖3 擠壓絲錐與普通切削絲錐截面比較

由于擠壓絲錐在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生切屑，故不像切削絲錐那樣開(kāi)有較深的容屑槽，因此其強(qiáng)度與切削絲錐相比要大得多，能承受較大的切削力，所以用擠壓絲錐來(lái)加工該零件的深孔螺紋是比較合適的。

3. 擠壓絲錐加工中碳鋼深孔螺紋存在的問(wèn)題

雖然擠壓絲錐有以上所述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有加工的局限性。受加工方式所限，擠壓絲錐只適用于加工強(qiáng)度較低、塑性較大的材料，如銅、鋁合金、低碳鋼及奧氏體不銹鋼等，其加工材料性能局限在伸長(zhǎng)率δ5≥7%、抗拉強(qiáng)度Rm≥1 200MPa的范圍內(nèi)，因此在使用擠壓絲錐時(shí)，首先應(yīng)對(duì)工件材料進(jìn)行評(píng)估，其次還要根據(jù)絲錐的直徑和螺距，來(lái)確定工件材料是否適合進(jìn)行擠壓絲錐螺紋加工，因?yàn)閿D壓加工螺紋的直徑和螺距越小，則可加工的材料范圍越廣，而大直徑和大螺距的擠壓絲錐只適合加工很軟的材料。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，被加工材料硬度和擠壓絲錐之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

該零件材料熱處理后硬度達(dá)34～38HRC，需加工的螺紋直徑為8mm，根據(jù)表1可知，該零件材料各項(xiàng)指標(biāo)已接近或超過(guò)擠壓絲錐的加工上限。因此，該零件若使用擠壓絲錐加工螺紋也具有一定的難度，要想取得較好的加工效果，必須選擇合理的切削工藝。

4. 擠壓絲錐攻螺紋前底孔直徑的確定

擠壓絲錐攻螺紋前的底孔直徑要求比較嚴(yán)格。普通絲錐是靠切削金屬來(lái)形成螺紋，攻螺紋前的底孔直徑一般就等于螺紋的小徑，擠壓絲錐在加工螺紋時(shí)不需切削金屬，而是擠壓金屬，通過(guò)金屬的塑性流動(dòng)形成螺紋牙型，因此其底孔直徑要大于螺紋小徑。

用擠壓絲錐加工螺紋時(shí)，底孔直徑的誤差大小對(duì)攻螺紋過(guò)程和螺紋牙型有較大的影響。底孔直徑過(guò)小會(huì)出現(xiàn)螺紋小徑偏小、絲錐磨損加快甚至折斷等問(wèn)題，而底孔直徑過(guò)大則導(dǎo)致螺紋小徑偏大、牙型不完整，螺紋強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

表1 被加工材料硬度與擠壓絲錐直徑的關(guān)系

要想用擠壓絲錐順利地攻出合格的螺紋，就必須精確計(jì)算出攻螺紋前的底孔直徑，攻螺紋前底孔直徑的理論值可以用以下公式計(jì)算

其中，D為攻螺紋前的底孔直徑；d為絲錐的公稱直徑；L為螺紋的螺距；P為螺紋牙型百分比。

式中P值等于螺紋牙型與理論全齒高之比，因?yàn)閿D壓成形的金屬硬化作用，擠壓成形的螺紋強(qiáng)度要比切削螺紋的強(qiáng)度高得多，擠壓螺紋的牙型百分比達(dá)到60%即可滿足使用要求，所以在通常情況下，P值取65%為標(biāo)準(zhǔn)值。常用直徑螺紋在擠壓攻螺紋時(shí)的底孔直徑參考值見(jiàn)表2。

5. 攻螺紋速度選擇

擠壓絲錐加工時(shí)一般采用與切削絲錐相同的攻螺紋速度，在加工較軟材料和細(xì)牙螺紋（螺距1.25mm以下）時(shí)，可選擇較高的攻螺紋速度；在加工大直徑或螺距較大的螺紋時(shí)，由于攻螺紋的扭矩較大，可選擇較慢的攻螺紋速度。

受絲錐直徑、螺紋螺距、被加工材料的性能、絲錐性能（涂層與否、有無(wú)潤(rùn)滑槽等）及切削液等方面因素影響，擠壓絲錐的攻螺紋速度一般在500～1 200r/min。

考慮到該零件的材料性能指標(biāo)已達(dá)擠壓絲錐的加工上限，為了達(dá)到絲錐壽命與加工效率兼顧，在選擇攻螺紋速度時(shí)，本著先低后高的原則，最終選擇一個(gè)合適的攻螺紋速度。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，加工該零件時(shí)，750r/min的攻螺紋速度比較合適。

6. 切削液的選擇

擠壓絲錐在加工時(shí)，金屬受擠壓而成形的過(guò)程對(duì)切削液的要求很高。切削液在擠壓絲錐加工過(guò)程中起到減小扭矩、抗黏連、提高螺紋成形質(zhì)量及帶走熱量等作用。常用的切削液有水溶性切削液和含硫化物的切削油等。

圖4 底孔直徑對(duì)擠壓螺紋牙型的影響

表2 常用直徑螺紋擠壓攻螺紋底孔直徑參考值

該零件的螺紋孔均為盲孔加工，切削液在加工過(guò)程中的作用更加重要。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，該零件擠壓螺紋加工過(guò)程中，使用TiN涂層的擠壓絲錐（帶潤(rùn)滑油槽），配合5%～6%的乳化液取得了較好的效果。圖5所示為加工出的螺紋。

圖5 擠壓好的螺紋效果

7. 結(jié)語(yǔ)

該零件深孔螺紋由原來(lái)的切削絲錐加工改為擠壓絲錐加工，雖然材料為中碳鋼，性能接近擠壓絲錐的加工上限，但是通過(guò)改進(jìn)加工工藝，合理選擇攻螺紋底孔直徑、攻螺紋速度和切削液等，圓滿地完成了該零件深孔螺紋的加工任務(wù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低了加工成本，提高了加工效率，使得產(chǎn)品能夠按時(shí)交付。擠壓絲錐螺紋加工工藝在該零件上的成功應(yīng)用，為今后這項(xiàng)技術(shù)在其他零件的螺紋加工中應(yīng)用打開(kāi)了新局面。