內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

陳 鑫，侯紅玲

（陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

前言

內(nèi)螺紋冷擠壓工藝是一種金屬塑性變形加工，這種加工方式是在工件上預(yù)制好相應(yīng)尺寸的底孔，將擠壓絲錐導(dǎo)入工件預(yù)制底孔中，在扭矩的作用下，絲錐的擠壓棱齒逐漸擠入預(yù)制底孔內(nèi)壁，底孔內(nèi)壁上的金屬沿著擠壓棱齒表面流動，堆積在絲錐的螺紋槽內(nèi)，從而形成內(nèi)螺紋[1-2]。

傳統(tǒng)的內(nèi)螺紋加工方式一般采用切削絲錐攻絲或者螺紋車刀車削[3]。在生產(chǎn)實踐中，常用切削絲錐進(jìn)行內(nèi)螺紋攻絲，其原理是利用切削絲錐上按順序排列的切削刃將工件預(yù)制底孔內(nèi)壁上的金屬依次切除，形成內(nèi)螺紋廓形，屬于連續(xù)切削工藝。但切削絲錐攻絲時，切削量的控制不容忽視，特別是在硬度低，粘性大和容易產(chǎn)生長條形切屑的材料上攻絲時，切屑極易在排屑槽內(nèi)積聚，造成切削中斷甚至絲錐折斷。而車削加工則是在多軸機床或車床上，用螺紋車刀或小規(guī)格整體式鏜刀車削螺紋，但車削方式不能加工出小直徑內(nèi)螺紋，且通常需要連續(xù)多次走刀才能獲得精確尺寸的內(nèi)螺紋[4-5]。

1 內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的特點

擠壓內(nèi)螺紋相比于切削內(nèi)螺紋具有以下優(yōu)點：

1.1 提高內(nèi)螺紋的強度

內(nèi)螺紋冷擠壓時，工件底孔內(nèi)壁上的金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，若此時金屬發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部的晶粒發(fā)生滑移，晶格扭曲，金屬纖維呈連續(xù)的流線型，組織結(jié)構(gòu)緊密，使螺紋的強度大幅提升，抗拉強度提高20%以上，抗剪強度提高5%~10%，內(nèi)螺紋表面的冷作硬化層厚度約為0.15 mm，硬度提高40%以上[1]。

1.2 提高內(nèi)螺紋精度

使用擠壓方式加工的內(nèi)螺紋，螺紋孔擴張量極小，擠壓過程中內(nèi)螺紋的形位誤差小，內(nèi)螺紋的成形精度較高，成形質(zhì)量穩(wěn)定[6]。

1.3 提高內(nèi)螺紋表面質(zhì)量

內(nèi)螺紋冷擠壓過程中，擠壓絲錐的擠壓棱齒表面對內(nèi)螺紋表面產(chǎn)生擠光作用，成形后的內(nèi)螺紋表面光潔度極好，表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.4～0.8[7]。

1.4 節(jié)約材料

內(nèi)螺紋冷擠壓工藝是利用金屬的塑性變形從而形成內(nèi)螺紋，加工過程中沒有切屑產(chǎn)生，所以又稱為“無屑攻絲”，大幅提升材料的利用率[8]。

1.5 適合深孔和盲孔加工

由于擠壓過程中不需要清除切屑，從而避免了因排屑困難或切屑擁塞而導(dǎo)致的絲錐崩刃、折斷[9]。

擠壓內(nèi)螺紋與切削內(nèi)螺紋表面形貌的區(qū)別如圖1所示，擠壓內(nèi)螺紋因金屬沿著絲錐擠壓棱齒表面向中間流動聚攏，牙頂存在U形口，螺紋截面金屬組織結(jié)構(gòu)緊密；切削內(nèi)螺紋是利用切削刃將多余金屬切除，螺紋截面整齊，牙頂?shù)男螒B(tài)由底孔直徑?jīng)Q定。

圖1 擠壓內(nèi)螺紋與切削內(nèi)螺紋表面形貌

2 內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀

內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的發(fā)展空間巨大，在航空航天、汽車、精密儀器制造等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，其主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面[10-13]：

（1）擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化、設(shè)計及制造。

（2）擠壓加工過程中的工藝參數(shù)，例如擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工件預(yù)制底孔直徑、擠壓速度、潤滑液種類和工件材料等。

（3）在有色金屬及其合金，低碳鋼及硬度較低的調(diào)質(zhì)鋼、合金鋼、不銹鋼以及合金工具鋼等材料上擠壓中小直徑的內(nèi)螺紋。

20世紀(jì)50年代，內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)剛剛興起，由于缺少實踐應(yīng)用和深入研究，擠壓內(nèi)螺紋時扭矩極大，且擠壓過程中產(chǎn)生大量的熱，擠壓絲錐的壽命很低。70年代后，英國BAJ Vickers Ltd公司在鉻鉬鋼上嘗試擠壓小直徑內(nèi)螺紋，隨著高性能材料的出現(xiàn)，擠壓絲錐的性能也得到有效提升，國外的內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)不再局限于加工抗拉強度小于600 MPa、延伸率大于12%的有色金屬和合金鋼[14]。

20世紀(jì)60年代，日本的隈部淳一郎開始系統(tǒng)研究振動攻絲技術(shù)，由于其可以大幅降低擠壓扭矩和擠壓溫度，很快引起其他學(xué)者的關(guān)注，隨后俄羅斯、美國等也在此項技術(shù)中開展研究，直到60年代末，我國才開始對該技術(shù)進(jìn)行初步探索。梁瑜軒等人[15-17]設(shè)計了一套如圖2所示的低頻振動攻絲系統(tǒng)，其振動方向沿螺紋升角方向，并且在Q460高強度鋼材料上進(jìn)行了初步試驗，研究了激振頻率和激振力對擠壓扭矩的影響，研究結(jié)果表明：振動擠壓攻絲時擠壓扭矩較低，螺紋成形質(zhì)量較高，表面形貌規(guī)整，并且振動攻絲可改善內(nèi)螺紋表面的冷作硬化均勻程度，使其機械強度得到有效提高。

圖2 振動攻絲系統(tǒng)

Yongyi Li、黃小龍等人[18-22]簡化了內(nèi)螺紋擠壓的有限元模型，如圖3所示，分析了金屬流動規(guī)律和振動輔助技術(shù)對擠壓攻絲的影響機理，并基于數(shù)值模擬技術(shù)對內(nèi)螺紋冷擠壓成形的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：預(yù)制底孔直徑和摩擦系數(shù)對擠壓扭矩的影響最大，攻絲速度對擠壓溫度的影響最大，振動擠壓攻絲技術(shù)可以有效降低擠壓扭矩，提高螺紋加工精度和表面質(zhì)量。

圖3 Yongyi Li簡化的有限元模型

B.M.明沙柯夫[22]系統(tǒng)地介紹了擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、理論計算以及工藝參數(shù)的確定方法，為研究者提供了理論依據(jù)。國內(nèi)王珉等人[23]根據(jù)內(nèi)螺紋冷擠壓的成形機理對底孔直徑的計算公式進(jìn)行了修正，并分析了冷擠壓內(nèi)螺紋的抗疲勞性能和增壽機理，得到了內(nèi)螺紋牙高率與螺紋強度的關(guān)系。

Bratan P N和劉志峰等人[24-25]基于有色金屬和純鋁材料的塑性變形實現(xiàn)內(nèi)螺紋冷擠壓工藝，介紹了這些材料的優(yōu)點，并優(yōu)選了加工工藝參數(shù)。徐九華、王珉等人[26-27]在300M高強度鋼和35CrMo鋼上應(yīng)用內(nèi)螺紋冷擠壓工藝，搭建了擠壓扭矩和擠壓溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)和螺紋成形質(zhì)量測量系統(tǒng)，并對冷擠壓內(nèi)螺紋的抗疲勞機理進(jìn)行了研究。楊名大等[28-29]針對鈦合金材料的內(nèi)螺紋加工困難的問題開發(fā)了切削-擠壓復(fù)合攻絲技術(shù)，解決了抗疲勞制造在鈦合金連接構(gòu)件上的應(yīng)用難的問題。

目前，國內(nèi)外對于內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的研究主要集中在高強度材料、底孔直徑的計算方法、擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化以及加工過程工藝參數(shù)優(yōu)化等方面，主要在一些高強度鋼、特種金屬、有色金屬及其合金等材料上進(jìn)行小直徑或超大直徑內(nèi)螺紋冷擠壓試驗探究。

3 內(nèi)螺紋冷擠壓工藝簡介

3.1 擠壓絲錐

內(nèi)螺紋冷擠壓工藝是利用擠壓絲錐在工件預(yù)制底孔上進(jìn)行擠壓，圖4為擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)。

圖4 擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)

擠壓絲錐的種類有很多，通常按照不同的使用場合選擇擠壓絲錐，當(dāng)擠壓材料強度較高、螺紋尺寸較大時，擠壓過程較為困難，通常選擇帶潤滑油槽的六棱擠壓絲錐；當(dāng)材料塑性較好，螺紋尺寸較小時，擠壓過程相對容易，通常選擇帶引導(dǎo)錐的無槽擠壓絲錐。圖5為幾種常見的擠壓絲錐。

圖5 幾種常見的擠壓絲錐

3.2 內(nèi)螺紋冷擠壓原理

內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程如圖6所示，由于擠壓絲錐的橫截面是一種特殊的曲邊棱形，所以在擠壓過程中，工件底孔內(nèi)壁上的變形區(qū)金屬承載周期性變化的負(fù)荷，變化頻率與絲錐的棱數(shù)和機床轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)擠壓絲錐最前端的擠壓棱齒擠入時，底孔內(nèi)壁上的金屬產(chǎn)生彈塑性變形，當(dāng)這個擠壓棱齒離開后，材料產(chǎn)生一部分的彈性恢復(fù)，塑性變形則被保留；隨著絲錐旋轉(zhuǎn)，第二個擠壓棱齒再次對此處進(jìn)行擠壓，材料再次發(fā)生彈塑性變形，此棱齒離開后，材料再次產(chǎn)生一部分彈性恢復(fù)，保留塑性變形，以此類推，當(dāng)擠壓絲錐的所有棱齒全部離開后，底孔內(nèi)壁上形成了完整的內(nèi)螺紋牙形。

圖6 內(nèi)螺紋擠壓成形原理

4 內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)的發(fā)展趨勢

由于我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，擠壓絲錐、工裝夾具等的市場也越來越大?，F(xiàn)代科技的不斷發(fā)展對內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)產(chǎn)生了極大的影響，例如計算機對內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)中的工藝分析、制造及工藝過程的控制及絲錐設(shè)計的影響。未來內(nèi)螺紋冷擠壓凈成形工藝的發(fā)展趨勢應(yīng)包含以下幾點：

4.1 擴大應(yīng)用范圍

目前，內(nèi)螺紋冷擠壓工藝通常應(yīng)用在航空航天、汽車、精密儀器制造等領(lǐng)域，一般工廠中，若無特殊加工要求，內(nèi)螺紋的加工仍然是以切削攻絲為主。內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)是一種綠色、無污染的加工方式，螺紋使用壽命長，符合“綠色制造”理念。因此，擴大內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)的應(yīng)用范圍勢在必行[30]。

4.2 提高精度與表面質(zhì)量

雖然冷擠壓內(nèi)螺紋的尺寸精度和表面質(zhì)量相比于切削螺紋已經(jīng)有了很大的提高，但是在一些超高精度的應(yīng)用場合，使用冷擠壓技術(shù)加工的內(nèi)螺紋還要經(jīng)過二次精磨和表面處理[31]。因此，要對內(nèi)螺紋冷擠壓凈成形工藝進(jìn)行合理規(guī)劃，以滿足超高精度的加工要求，并對加工后處理內(nèi)螺紋表面毛刺、金屬粘連的方法進(jìn)行改善，提高加工表面質(zhì)量。

4.3 擴大加工材料的范圍

目前內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)只適用于加工塑性較大的金屬，例如銅、鋁合金、低碳鋼等斷裂延伸率大于7%、抗拉強度小于1200 N·mm-1的材料；對于一些脆性材料如灰鑄鐵、AZ91（鎂合金）或硅含量大于12%的金屬則較難加工[32]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，為了滿足構(gòu)件之間的螺紋連接強度，內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)必須在材料應(yīng)用范圍方面實現(xiàn)技術(shù)突破。

4.4 優(yōu)化擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)

擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)參數(shù)計算繁瑣，而且對于內(nèi)螺紋擠壓加工，擠壓絲錐必須要根據(jù)螺紋的規(guī)定參數(shù)、性能要求等條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的定制設(shè)計[11]。在內(nèi)螺紋擠壓過程中，工件金屬變形區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，擠壓絲錐也承載著極大扭矩，擠壓溫度和扭矩直接影響著絲錐的使用壽命以及內(nèi)螺紋的成形質(zhì)量。擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響擠壓溫度和扭矩的關(guān)鍵因素之一，對其進(jìn)行合理的優(yōu)化可大幅提高絲錐的耐用度，降低生產(chǎn)成本。

4.5 工件預(yù)制底孔直徑的計算

用擠壓絲錐加工內(nèi)螺紋之前，必須要確定適當(dāng)?shù)念A(yù)制底孔直徑，底孔直徑的合適與否直接影響到內(nèi)螺紋的成形[30]。如圖7所示，若底孔直徑過大，螺紋成形不完整，工件報廢；若底孔直徑過小，則容易造成擠壓扭矩陡增、金屬流動阻塞，使擠壓絲錐卡死甚至折斷。由于工件材料的變形量與其本身的塑性有關(guān)，即使相同大小的底孔直徑在不同材料上的成形效果也不一樣。目前在生產(chǎn)實踐中一般根據(jù)經(jīng)驗公式對預(yù)制底孔直徑進(jìn)行大概估計，再進(jìn)行多次加工調(diào)整。根據(jù)材料的塑性推導(dǎo)出合適的底孔直徑計算公式，減小加工誤差是內(nèi)螺紋冷擠壓工藝中的一項重要研究內(nèi)容。

圖7 底孔直徑與內(nèi)螺紋成形效果

4.6 發(fā)展熱擠壓、高速擠壓等技術(shù)

由于一些特種金屬材料強度極高，對擠壓絲錐的使用壽命影響較大，所以發(fā)展熱擠壓工藝對特殊材料進(jìn)行預(yù)熱處理，再進(jìn)行等溫加工，會大幅降低擠壓難度。雖然內(nèi)螺紋冷擠壓的加工效率已經(jīng)是切削攻絲的2～3倍，但是生產(chǎn)節(jié)奏日漸高速化，內(nèi)螺紋冷擠壓的加工速度也需要提高[33]。

5 結(jié)語

隨著制造業(yè)對加工精度、螺紋連接強度等的要求越來越高，內(nèi)螺紋冷擠壓凈成形工藝將被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。與切削內(nèi)螺紋相比，冷擠壓內(nèi)螺紋的強度更高、精度更好、使用壽命更長，內(nèi)螺紋的加工效率也更高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。冷擠壓內(nèi)螺紋的高強度、高精度、高壽命等一系列的優(yōu)點可以滿足大多數(shù)工作場景的需求。

許多國外的生產(chǎn)廠家在擠壓絲錐的制造技術(shù)方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗，其生產(chǎn)的高性能擠壓絲錐幾乎占據(jù)了國際市場的所有份額。國內(nèi)的內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)起步較晚，總體水平落后于國外，但隨著越來越多的中國學(xué)者對此技術(shù)進(jìn)行研究，內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)已經(jīng)逐漸接近先進(jìn)水平。

由于內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)在眾多場合應(yīng)用廣泛，將會有越來越多的學(xué)者對其進(jìn)行研究、開發(fā)。內(nèi)螺紋冷擠壓凈成形工藝將會朝向?qū)拺?yīng)用、高精度、高質(zhì)量、高效率的方向發(fā)展。