鋁合金齒輪箱自攻螺套裝配及質(zhì)量問(wèn)題探析

鄭李雄 吳 剛 劉 升

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

自攻螺套是一種新型的螺紋連接件，具備自行攻螺紋能力，其嵌入鋁合金基材上能形成一種連接強(qiáng)度高、耐磨損性能強(qiáng)的內(nèi)螺紋。隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的快速發(fā)展，對(duì)高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)提出了愈加苛刻的要求。鋁合金因其輕量化的優(yōu)點(diǎn)，成為高速動(dòng)車組齒輪箱等關(guān)鍵零部件的主要材質(zhì)。但鋁合金的抗剪切能力較弱，在其上直接加工螺紋無(wú)法滿足高速動(dòng)車組齒輪箱的安全性要求，因此鋁合金齒輪箱需要使用自攻螺套來(lái)保證其螺紋連接的可靠性[1]。

下文以某鋁合金齒輪箱為例，對(duì)其自攻螺套的安裝工藝要領(lǐng)進(jìn)行剖析，并介紹了常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題的處置方案。

1 自攻螺套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

自攻螺套因具有自行攻螺紋的能力，其性能優(yōu)于直接攻絲形成的螺紋，在國(guó)外鋁合金產(chǎn)品中已得到大范圍的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是可直接攻入基材，形成一個(gè)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的高精度螺紋。為保證切入基材過(guò)程中基體材料能夠順利排出，自攻螺套頭部設(shè)有排屑結(jié)構(gòu)。根據(jù)排屑結(jié)構(gòu)的不同，將自攻螺套分為開(kāi)槽型及三孔型兩種，如圖1所示。

圖1 自攻螺套

目前自攻螺套的使用，國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，只能參照國(guó)外廠家產(chǎn)品手冊(cè)進(jìn)行選取，安裝工藝參數(shù)需要綜合基材力學(xué)性能、配合螺栓的擰緊力矩及使用工況等確定[2]。

2 自攻螺套安裝工藝要領(lǐng)

下文闡述的鋁合金齒輪箱合箱面、法蘭面及與吊桿連接的吊掛孔等部位設(shè)有大量的自攻螺套，許多部位在運(yùn)用過(guò)程中承受著較大的動(dòng)態(tài)載荷。齒輪箱基材選用EN1706中規(guī)定的AlSi7Mg0.3鑄鋁，硬度較鑄鐵軟，質(zhì)量較輕，具有較好的塑性與韌性，切削性能較好。

經(jīng)過(guò)大量的工藝驗(yàn)證確定自攻螺套安裝的工藝流程為：選定安裝設(shè)備→精鏜底孔→孔口倒角→設(shè)定過(guò)載扭矩及轉(zhuǎn)速→安裝自攻螺套→退出引導(dǎo)、限位工裝→安裝效果確認(rèn)。

2.1 安裝設(shè)備選定

不同規(guī)格的自攻螺套，其安裝扭矩差異較大。其中M8及以下規(guī)格螺套因安裝扭矩較小(扭矩不大于28 N·m)，推薦使用手工安裝，如圖2所示。規(guī)格M10～M16自攻螺套推薦使用圖3所示的氣動(dòng)攻絲機(jī)安裝，規(guī)格M18～M30因安裝扭矩太大(扭矩200 N·m～1 050 N·m)，需要采用圖4所示的改裝鉆床進(jìn)行安裝。

圖2 自攻螺套手工安裝(絲錐+扳手)

圖3 自攻螺套氣動(dòng)攻絲機(jī)安裝

圖4 自攻螺套改裝鉆床安裝

M8及以下小規(guī)格螺套，其安裝扭矩較小，且實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中承受較小的載荷，考慮到手工安裝效率高，因而采用圖2所示的手工安裝方法。

氣動(dòng)攻絲機(jī)其主軸與螺套安裝工具相連，并設(shè)有扭矩過(guò)載保護(hù)夾頭，運(yùn)用攻絲的原理將自攻螺套安裝至對(duì)應(yīng)的底孔中去。受伺服電機(jī)功率限制，目前市面上該類攻絲機(jī)現(xiàn)貨僅能安裝M10～M16規(guī)格自攻螺套。

圖4所示安裝設(shè)備由8050鉆床改裝，通過(guò)鉆床旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺套切入到基材安裝底孔中。自攻螺套與主軸通過(guò)螺套安裝工具相連，安裝工具上設(shè)有柔性?shī)A頭，能控制最大安裝扭矩，以防止螺套安裝過(guò)程過(guò)載。

2.2 工藝參數(shù)設(shè)定

(1)底孔

安裝底孔尺寸的選取對(duì)自攻螺套的安裝及運(yùn)用起至關(guān)重要的作用，合理的底孔直徑既要保證自攻螺套易于安裝，又要保證螺套與基材足夠的嚙合率進(jìn)而保證足夠的拉拔力，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中在保證螺套能夠安裝的前提下，盡量將底孔直徑放小。

此外，安裝底孔的粗糙度、圓柱度及垂直度等對(duì)自攻螺套的安裝及運(yùn)用也十分重要，對(duì)于承受復(fù)雜載荷的產(chǎn)品，底孔加工應(yīng)盡量采用加工中心完成。

自攻螺套目前屬于進(jìn)口件，底孔直徑只能參照國(guó)外廠家產(chǎn)品手冊(cè)選取，如規(guī)格M20L27開(kāi)槽自攻螺套具體取值如表1所示。

表1 M20L27開(kāi)槽自攻螺套底孔值選取

實(shí)際底孔直徑選取，設(shè)計(jì)及工藝人員應(yīng)結(jié)合軸向拉拔力要求，組織開(kāi)展試棒拉拔試驗(yàn)以確定自攻螺套與基材之間的嚙合率。

(2)底孔預(yù)制引牙

底孔直徑大易于安裝，但基材與自攻螺套之間的嚙合率將減小；底孔直徑小，基材與自攻螺套之間的嚙合率大，但不易于批量安裝。一定深度的預(yù)制引牙能較好地解決這一問(wèn)題。預(yù)制引牙螺紋采用與自攻螺套外螺紋一致的牙型，引牙深度應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行拉拔力測(cè)試決定。

(3)安裝垂直度

垂直度即自攻螺套切入底孔中應(yīng)保證垂直，一旦出現(xiàn)歪斜，容易造成螺套開(kāi)裂現(xiàn)象。

采用圖3、圖4示設(shè)備安裝自攻螺套時(shí)，安裝前通過(guò)百分表校核安裝主軸與底孔平面的跳動(dòng)，應(yīng)符合工藝要求。

(4)轉(zhuǎn)速、過(guò)載保護(hù)扭矩

不同規(guī)格的自攻螺套，其轉(zhuǎn)速及安裝過(guò)載扭矩不同，安裝時(shí)應(yīng)滿足表2要求。

表2 轉(zhuǎn)速及過(guò)載扭矩取值表

(5)引導(dǎo)、限位工裝

引導(dǎo)、限位工裝由4個(gè)部分組成(見(jiàn)圖5)。其中連接配合部位及防轉(zhuǎn)部位裝入氣動(dòng)攻絲機(jī)或改裝鉆床接頭；工作部位可根據(jù)具體安裝的自攻螺套規(guī)格進(jìn)行變換。

圖5 引導(dǎo)、限位工具

圖5所示的引導(dǎo)、限位工具宜采用強(qiáng)度較高的材料制成，其強(qiáng)度等級(jí)建議達(dá)10.9級(jí)或者更高。尺寸規(guī)格較大的自攻螺套(M20及以上)因旋入扭矩較大，一旦安裝工具強(qiáng)度不夠，在自攻螺套安裝過(guò)程中將可能造成安裝工具拉斷。

2.3 安裝效果確認(rèn)

螺套安裝完成后，可旋入與內(nèi)螺紋規(guī)格相同的螺栓以檢查內(nèi)螺紋是否變形、卡滯；使用塞規(guī)檢驗(yàn)螺套內(nèi)螺紋止通性。使用與內(nèi)螺紋同規(guī)格的螺栓，按照安裝部位配合的扭矩進(jìn)行預(yù)緊以驗(yàn)證防松脫性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證安裝自攻螺套的動(dòng)態(tài)性能，可根據(jù)IEC 61373—2010標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及疲勞加載試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 常見(jiàn)失效問(wèn)題及處置方案

(1)自攻螺套開(kāi)裂。自攻螺套開(kāi)裂可能原因有底孔過(guò)小、自攻螺套非金屬夾雜物超標(biāo)及自攻螺套電鍍過(guò)程中氫脆等。一旦出現(xiàn)該類問(wèn)題時(shí)，可采用外徑尺寸更大的非標(biāo)螺套對(duì)底孔進(jìn)行修復(fù)。不建議簡(jiǎn)單拆除開(kāi)裂螺套后重新安裝的方式，因?yàn)檫@樣無(wú)法保證自攻螺套與基材之間足夠的嚙合率。

(2)自攻螺套滑出。自攻螺套滑出一般表現(xiàn)為使用過(guò)程中配合螺栓無(wú)法預(yù)緊，反向松開(kāi)后自攻螺套跟隨螺栓一起滑出。造成此現(xiàn)象可能原因是安裝過(guò)程歪斜或自攻螺套與基材之間的嚙合率不夠。安裝過(guò)程歪斜導(dǎo)致基材兩側(cè)受力不均，進(jìn)而使自攻螺套與基材之間咬合失效，可考慮使用外徑尺寸更大的非標(biāo)螺套對(duì)底孔進(jìn)行修復(fù)。一旦自攻螺套與基材之間嚙合率設(shè)計(jì)選型不足，則需考慮重新進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

(3)螺套旋入底孔過(guò)深。此情況通常是由于安裝扭矩過(guò)大或者安裝工具限位功能失效導(dǎo)致，可復(fù)核安裝過(guò)載扭矩是否在推薦值范圍內(nèi)，同時(shí)優(yōu)化安裝工具結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)鋁合金材料被廣泛應(yīng)用于軌道交通動(dòng)車及城軌車輛零部件，自攻螺套也隨之應(yīng)用得愈加廣泛。本文對(duì)鋁合金齒輪箱用自攻螺套的安裝工藝要領(lǐng)及相關(guān)常見(jiàn)問(wèn)題的處置方法進(jìn)行了闡述，對(duì)后續(xù)大批量的工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。