擠壓絲錐在緩速器殼體零件上的應(yīng)用

熊朝，薛亞男

（陜西法士特汽車工程研究院，陜西 西安 710119）

引言

我公司緩速器鋁合金殼體零件結(jié)合面上，有較多深徑比大于2的聯(lián)接螺紋盲孔。用普通絲錐加工上述內(nèi)螺紋，不但效率低，螺紋表面光潔度差、強度低，而且切削產(chǎn)生的鋁屑易導(dǎo)致粘刀、爛牙和絲錐折斷等問題，沉積在孔底的鋁屑更是不易清理，嚴重影響緩速器殼體零件的清潔度。為了避免螺紋加工中的粘刀、斷刀及爛牙現(xiàn)象，減少螺紋孔鋁屑堆積帶來的危害，降低清洗機清潔螺紋孔的難度，從而提升螺紋孔清潔度，我們在緩速器鋁合金殼體上使用了擠壓絲錐代替普通絲錐加工螺紋。本文將介紹擠壓絲錐原理、優(yōu)缺點及在工程實踐中的使用情況。

1 擠壓絲錐的原理與特點

1.1 擠壓絲錐的原理

擠壓絲錐是相對于切削絲錐而言的。普通絲錐指的就是切削絲錐，是以切除金屬材料的方式來獲得內(nèi)螺紋。而擠壓絲錐加工螺紋的原理是利用金屬零件的塑性變形，擠壓金屬材料作軸向和徑向移動，從而形成螺紋孔牙型，是一種無屑加工技術(shù)，如圖 1。這樣擠壓絲錐就無需普通絲錐攻絲時必不可少的排屑槽，使絲錐強度大大提高，只要底孔得當，擠壓絲錐一般不會折斷，從而大幅提高了刀具的穩(wěn)定性。

圖1 擠壓絲錐加工螺紋的原理示意

1.2 擠壓絲錐的優(yōu)點與局限

對比普通絲錐加工螺紋孔，擠壓絲錐加工螺紋孔具備以下主要優(yōu)點：

（1）因為屬于無屑加工，不但可有效避免堵屑造成的絲錐折斷和粘刀，而且螺紋表面質(zhì)量高，更避免了清潔螺紋孔的麻煩；

（2）普通絲錐加工，材料晶相纖維被破壞（如圖 2）；而擠壓絲錐加工，因材料晶相纖維連續(xù)（如圖3），故擠壓螺紋強度比切削螺紋強度高30%左右；

圖2 普通絲錐加工的材料晶相纖維示意

圖3 擠壓絲錐加工的材料晶相纖維示意

（3）因為是冷作硬化成型，螺紋表面硬度較芯部提高40%-50%，螺紋表面耐磨性大幅提高[1]；

（4）攻絲速度高，線速度可達 25-30m/min，大幅提高加工效率；

（5）比普通絲錐壽命長。

但是，因為是通過“暴力”擠壓而形成螺紋孔，擠壓絲錐需要比普通絲錐更高的攻絲扭矩。根據(jù)實驗測算，在相同工況下，擠壓絲錐所需扭矩是普通絲錐所需扭矩的1.5-2倍。這也就限制了擠壓絲錐的規(guī)格。根據(jù)工程實際經(jīng)驗，擠壓絲錐常見規(guī)格為M20以下。

1.3 擠壓絲錐使用時注意事項

1.3.1 對材料要求

擠壓絲錐適合應(yīng)用于鋁材等塑性較大的材料攻絲。據(jù)統(tǒng)計，所有工業(yè)材料中的約65%可擠壓成型。但以下情況不適用：

（1）斷裂伸長率小于7%的脆性材料，例如：硅含量＞12%的硅合金、短切屑銅鋅合金、熱固性塑料；

（2） 螺距＞3mm（螺距≦1.5mm時擠壓成型特別經(jīng)濟）；

（3）抗拉強度＞1200-1400N/mm2。

1.3.2 對底孔直徑要求

因為是靠金屬塑性成型的原理加工螺紋孔，擠壓絲錐“暴力擠壓”出的螺紋牙型是不完整的，一般會在牙頂處形成“U”型成型褶（如圖4）。值得注意的是，因螺紋擠壓后形成成型褶，擠壓絲錐不適用于加工密封要求較高的螺紋孔，多用于非自動的聯(lián)接螺紋孔。

正常情況下，擠壓絲錐加工的螺紋牙型高度約占全齒高（牙高率）的65%-75%[2]，其正常牙型如圖4所示。

圖4 底孔合適，螺紋正常

如果擠壓螺紋的底孔直徑過小，就會增大擠壓絲錐攻絲時的扭矩，導(dǎo)致增大絲錐的磨損量和絲錐斷刀的風(fēng)險。此種工況下加工出的螺紋牙型如圖5所示。

圖5 底孔太小，過于飽滿

相反，如果擠壓螺紋底孔直徑過大，雖然會降低絲錐的磨損，延長絲錐使用壽命，但是會導(dǎo)致擠壓出的螺紋小徑太大，螺紋過度不飽滿則會降低螺紋聯(lián)接強度。此種工況下加工出的螺紋牙型如圖6 所示。

圖6 底孔太大，螺紋不飽滿

通過以上分析，在生產(chǎn)中要保證加工出合格的螺紋，關(guān)鍵是對螺紋底孔直徑進行嚴格控制。

通常，擠壓絲錐攻螺紋前底孔直徑d均大于對應(yīng)普通螺紋底孔直徑，且擠壓底孔直徑一般應(yīng)按照d（+0.05/-0.05）控制。其中，d是根據(jù)計算和實踐經(jīng)驗綜合得出的經(jīng)驗公式。例如，以下是最常用的經(jīng)驗公式：

底孔直徑d=公稱直徑D-f×螺距P

公差6H:f=0.45

公差7H:f=0.5

底孔直徑d也可通過經(jīng)驗公式先算出工件底孔直徑理論值，然后根據(jù)攻絲工況、材料等因素，對底孔計算值作出修正。表1為底孔直徑參考值（7H）：

表1 擠壓絲錐底孔直徑

2 擠壓絲錐效果驗證

我公司某型緩速器殼體材料為 ZL101A，屬軟質(zhì)鑄鋁合金。在該殼體兩端面需加工螺紋孔 20-M8-7H，螺紋底孔深度為25，螺紋有效深度為20，均為螺栓聯(lián)接孔?，F(xiàn)以上述加工內(nèi)容作為擠壓絲錐攻絲效果驗證對象。

2.1 普通絲錐加工工藝及效果

傳統(tǒng)工藝要求螺紋底孔直徑為 φ6.8，攻絲刀具為 M8×1.25H6-22-8X90Y，即切削刃長為22、總長為90、柄徑為8的螺旋槽切削絲錐。該絲錐加工時切削參數(shù)為S400、F500，因鋁屑粘刀、堵屑斷刀、爛牙時常發(fā)生，平均壽命僅為 150件，即可加工3000個螺紋孔。

加工完成后，即使經(jīng)過了普通通過式清洗機和高壓清洗機清洗，并且由操作工用氣槍吹螺紋孔，依然無法徹底清理干凈螺紋孔內(nèi)鋁屑，嚴重影響了產(chǎn)品的清潔度。普通絲錐加工螺紋孔工藝路線如下：

圖7 普通絲錐加工螺紋孔工藝路線

2.2 擠壓絲錐新工藝方法的確定

根據(jù)擠壓絲錐的原理，從以下方面考慮新工藝方法：

（1）螺紋底孔直徑

查表1可知，M8-7H擠壓絲錐所需螺紋底孔直徑為φ7.4，故選用φ7.4硬質(zhì)合金鉆鉆螺紋底孔。

（2）擠壓絲錐棱數(shù)

擠壓絲錐主要由工作部分和夾持部分兩部分組成，其中工作部分又分為擠壓錐部和校準部。擠壓錐部為錐形，主要對內(nèi)螺紋進行擠壓，以便使工件材料逐步產(chǎn)生塑性變形形成螺紋；校準部徑向剖面一般是多棱形[3]。常見棱數(shù)有三、四、五、六等。在加工中，雖然三棱擠壓絲錐接觸工件弧長短、攻絲扭矩較小，但因為是奇數(shù)棱且橫截面積小，故平穩(wěn)性較差，其壽命低于其它多棱絲錐。而六棱擠壓絲錐單刃受力小，變形較為平穩(wěn)、磨損緩慢，擠壓收縮量小，加工溫度相對較低，加工穩(wěn)定性更好。但由于受鏟背量限制，六棱擠壓絲錐通常用于M6以上大規(guī)格絲錐[4]。綜合考慮，加工M8螺紋孔，選用四棱擠壓絲錐較為合理。

（3）冷卻方式

攻絲屬于封閉加工，比車削、銑削的加工工況更加惡劣，因此攻絲時的冷卻潤滑效果對螺紋質(zhì)量和絲錐壽命影響更大。

在螺紋擠壓成型過程中，擠壓絲錐與塑性材料之間會發(fā)生劇烈摩擦及塑性變形，導(dǎo)致溫度升高。機床冷卻液不僅起到冷卻作用，潤滑也是其主要功用。如果潤滑效果不好，擠壓絲錐與金屬材料表面直接接觸時，就會產(chǎn)生金屬粘結(jié)或粘結(jié)磨損，導(dǎo)致螺紋表面撕裂或劃傷，造成絲錐磨損乃至折斷。為保證擠壓成型效果，冷卻液濃度應(yīng)該保證在6%-8%之間。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，當加工螺紋深徑比大于3以上時，擠壓絲錐必須開潤滑槽，以確保冷卻潤滑效果。由于本次試驗所需加工螺紋孔深徑比為2.5，故所選擠壓絲錐無需開潤滑槽。機床冷卻液按照6%-8%配比即可。

（4）參數(shù)選擇

對于鋁材類等有色金屬，擠壓絲錐推薦線速度為25 m/s至30 m/s。試驗時選擇線速度30m/s。根據(jù)下面公式：

可算出，當線速度Vc=30m/s時，轉(zhuǎn)速N=1200r/pm，則進給 F=1200×1.25=1500mm/min。

2.3 新舊工藝方法加工效果對比

根據(jù)擠壓絲錐的選用原則，選取了4個廠家提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的4種品牌的擠壓絲錐（如圖7），在相同的工況和加工參數(shù)下進行試驗，并與普通絲錐（如圖8）作對比。

圖7 擠壓絲錐

圖8 普通螺旋槽絲錐

以下為擠壓絲錐加工效果與普通絲錐加工效果對比：

（1）加工效率及絲錐壽命

由表2統(tǒng)計結(jié)果可知，擠壓絲錐加工效率是普通絲錐的3倍，絲錐壽命是普通絲錐7.3倍至36倍，而成本降低52%至72%。在試驗過程中，擠壓絲錐未出現(xiàn)粘刀、爛牙及非正常斷刀現(xiàn)象，避免了工件的報廢。顯然，擠壓絲錐在降本增效方面效益顯著。目前，性價比最高的品牌1擠壓絲錐已經(jīng)在產(chǎn)線進行批量推廣。

表2 擠壓絲錐與普通絲錐加工效率及絲錐壽命對比

（2）螺紋孔表面質(zhì)量及清潔度

如圖10、圖11所示，擠壓絲錐加工的螺紋孔表面光潔度明顯優(yōu)于普通絲錐加工后的螺紋孔，且擠壓絲錐加工的螺紋孔內(nèi)幾乎無鋁屑殘留，而普通絲錐加工的螺紋孔底部沉積了較多鋁屑，清潔難度大。

圖9 普通絲錐加工效果

圖10 擠壓絲錐加工效果

可見，無屑加工，加工后螺紋孔良好的清潔度正是擠壓絲錐的又一巨大優(yōu)勢，無需人工用氣槍吹螺紋孔鋁屑。因此，擠壓絲錐加工螺紋孔工藝可做如下優(yōu)化：

圖12 擠壓絲錐加工螺紋孔工藝優(yōu)化

（3）裝配試驗對比

按照30N·M的力矩對螺栓定扭，擠壓絲錐加工的螺紋孔在螺栓反復(fù)裝卸30次后，螺紋依然完好無損，螺栓能達到定扭要求；而普通絲錐加工的螺紋孔在螺栓裝卸3次后即出現(xiàn)一定程度的滑絲現(xiàn)象。因此，使用擠壓絲錐后可減少緩速器維修時拆卸螺栓導(dǎo)致的工件報廢。

5 結(jié)束語

在大批量生產(chǎn)中，擠壓絲錐加工螺紋孔具有效率高、壽命長、成本低的顯著優(yōu)勢，也有效解決了普通絲錐加工塑性材料中常見的粘刀、爛牙、斷刀等問題。擠壓絲錐加工的螺紋孔不但基本無金屬屑殘留，易于清理干凈，而且螺紋孔強度高、耐磨性好，具有很高的裝配性。擠壓絲錐在我公司緩速器殼體零件上的應(yīng)用已充分說明其優(yōu)勢，具備在我公司各類鋁合金等塑性零件上推廣應(yīng)用的價值。