冷擠壓成形絲錐的應(yīng)用

田建，薛克敏

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽合肥 230031

2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽合肥 230009

1 序言

近年來，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件趨向小型化、集成化，其裝配過程對(duì)緊固件的聯(lián)接要求也隨之提高。但這些零件上螺紋的加工精度、使用壽命一直難以取得重大的突破。傳統(tǒng)的螺紋加工方法采用普通絲錐進(jìn)行切削加工，加工出來的螺紋內(nèi)壁表面粗糙度值高，切屑易堵塞螺紋，不易清除，容易產(chǎn)生滑絲、絲錐斷裂的現(xiàn)象。而擠壓絲錐采用冷擠壓的加工方式，成形的同時(shí)能夠?qū)庸げ牧线M(jìn)行冷卻硬化，提升材料的力學(xué)性能，是一種成本低、效果好且使用安全的替代方法。

2 擠壓絲錐原理

擠壓絲錐（見圖1）不同于普通絲錐通過絲錐尖角切削金屬的方式形成螺紋，而是隨著絲錐下旋，擠壓金屬材料，沿螺旋線路徑流向絲錐各齒之間的間隙，在往復(fù)擠壓下形成螺紋。

圖1 擠壓絲錐結(jié)構(gòu)

在整個(gè)成形過程中，工件受到第一個(gè)棱齒擠壓，局部形成塑性變形，棱齒離開后由于負(fù)載力消失，彈性變形恢復(fù)，塑性變形部分保留。當(dāng)?shù)诙€(gè)棱齒擠入時(shí)，再次發(fā)生塑性變形，而后部分彈性變形回復(fù)，如此往復(fù)隨著棱齒的旋入，牙型不斷增高，直至成形。每個(gè)牙型經(jīng)歷旋入、擠壓變形、彈性回復(fù)與再次旋入四個(gè)過程，往復(fù)進(jìn)行最終形成完整牙型[1]。

3 擠壓絲錐成形工藝特點(diǎn)

3.1 加工優(yōu)點(diǎn)

擠壓絲錐成形過程中齒端在閉式模腔內(nèi)和強(qiáng)三向壓應(yīng)力作用下逐漸成形，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）擠壓絲錐在成形過程中，隨著絲錐的旋入深度加深，金屬材料在背棱間反復(fù)擠壓，流向絲錐的小徑，其金屬纖維未被切斷，可以實(shí)現(xiàn)絲錐的全纖維成形，所以與普通切削絲錐相比成形的螺紋具有更好的負(fù)載能力。圖2為用普通絲錐與擠壓絲錐攻螺紋的剖視圖。

2）擠壓絲錐成形過程沒有切削金屬，不會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑堵塞，避免發(fā)生絲錐斷裂現(xiàn)象，螺紋的表面質(zhì)量好、齒型完整、絲錐使用壽命長(zhǎng)且穩(wěn)定性好。

3）冷擠壓成形的螺紋齒型精度高，嚙合深度可達(dá)70%～75%，并且螺距及中徑不會(huì)產(chǎn)生偏差，能夠穩(wěn)定地控制螺紋加工全長(zhǎng)。

4）對(duì)于延展性好的有色金屬、合金及各類具有良好塑性的材料，冷擠壓成形的絲錐具有更長(zhǎng)的使用壽命，可連續(xù)使用數(shù)千次，經(jīng)濟(jì)效益高，穩(wěn)定性好。

3.2 加工難點(diǎn)

由于擠壓絲錐要求較高的尺寸精度，而且冷擠壓成形過程是一個(gè)多因素影響、多缺陷約束的復(fù)雜過程，所以其成形工藝控制也存在以下難點(diǎn)。

1）螺紋底孔尺寸要求較高，不同于切削絲錐的底孔即為螺紋小徑，擠壓絲錐的螺紋小徑是預(yù)制孔經(jīng)過絲錐擠壓變形后形成的，預(yù)制孔的尺寸直接決定螺紋牙型的飽滿度和尺寸。隨著預(yù)制孔直徑變小，絲錐負(fù)荷增大，磨損增加，極大地增加了絲錐斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。若預(yù)制孔變大，螺紋牙型不飽滿，使用中無法咬合，不具備使用條件，也是絕不允許出現(xiàn)的情況。擠壓絲錐成形牙型如圖3所示。

圖3 擠壓絲錐成形牙型示意

2）傳統(tǒng)的螺紋加工驗(yàn)證通過螺紋通止規(guī)檢測(cè)，此方法并不適用于擠壓絲錐加工的螺紋孔。因?yàn)橥ㄖ挂?guī)檢測(cè)的原理是基于對(duì)切削絲錐加工的螺紋孔，其檢測(cè)項(xiàng)為螺紋的螺距和中徑，而擠壓絲錐由于金屬塑性流動(dòng)充填擠壓模具型腔的原因，所以擠壓螺紋的牙形呈M形。隨著螺紋底孔直徑的減小，牙型的全齒高比例隨之增大，但螺紋中徑及牙距并不會(huì)產(chǎn)生變化，因此使用通止規(guī)測(cè)量的同時(shí)，需要配合其他量具檢測(cè)螺紋小徑，以驗(yàn)證螺紋的符合性。

4 擠壓絲錐成形工藝優(yōu)化

4.1 加工材料

對(duì)于擠壓成形螺紋， 直徑和牙距越小，則可加工的材料的范圍就越廣， 而大直徑和大牙距的擠壓絲錐只適用于加工很軟的材料。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 被加工材料硬度和擠壓絲錐之間的關(guān)系可參考表1[2]。

表1 被加工材料硬度和擠壓絲錐之間的關(guān)系

4.2 螺紋底孔孔徑

通過查閱資料，可知預(yù)鉆孔直徑的理論值計(jì)算公式為

式中，D為預(yù)鉆孔直徑（mm）；d為絲錐的公稱外徑（mm）；L為螺紋的牙距（mm）；P為螺紋牙形百分比，P值等于螺紋牙形與理論全齒高之比[3]。

實(shí)際加工時(shí)，由于底孔尺寸太小，擠壓扭矩較大，封閉的金屬無處移動(dòng)，所以絲錐磨損較快，甚至造成擠壓絲錐折斷。底孔尺寸太大，擠出的金屬量較少，內(nèi)螺紋小徑過大，螺紋牙型高度不夠，強(qiáng)度較差。因?yàn)閿D壓成形時(shí)的金屬機(jī)械硬化作用，使擠壓螺紋的牙型百分比只要達(dá)到60%就可滿足強(qiáng)度要求[4]。

4.3 數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化

通常數(shù)控加工中心加工螺紋一般采用剛性攻螺紋，這就要求加工的進(jìn)給量與轉(zhuǎn)速相匹配，否則將會(huì)對(duì)絲錐甚至主軸產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致爛牙或斷刀，故進(jìn)給量也可轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，降低了工藝參數(shù)的復(fù)雜性。因此為了保證加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命，探究轉(zhuǎn)速與加工時(shí)間的關(guān)系，選取常用的M1.6～M2.5螺紋進(jìn)行試驗(yàn)，分別加工100個(gè)深6mm的螺紋孔，統(tǒng)計(jì)加工時(shí)間，歸納邏輯關(guān)系。不同規(guī)格螺紋的工藝參數(shù)與加工時(shí)間見表2，加工時(shí)間與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同規(guī)格螺紋加工時(shí)間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

表2 不同規(guī)格螺紋的工藝參數(shù)與加工時(shí)間（單位：min）

由圖4可知，加工時(shí)間并非隨轉(zhuǎn)速的提高而呈現(xiàn)線性變化，其在2000r/min附近下降趨勢(shì)明顯變緩，以M1.6螺紋為例，轉(zhuǎn)速每提升500r/min，其時(shí)間縮短分別為4.88min、1.88min、0.73min、0.50min、0.07min、0.10min，自2500r/min開始加工效率的提升已微乎其微。這是由于剛性攻螺紋并非一個(gè)連續(xù)加工的過程，其反復(fù)進(jìn)行著“主軸加速→進(jìn)給→主軸減速→停止→主軸反轉(zhuǎn)加速→進(jìn)給→主軸減速→停止”的動(dòng)作，轉(zhuǎn)速越快主軸負(fù)載越大，存在機(jī)床減速的情況，并且也會(huì)加速機(jī)床損耗，因此設(shè)備一般會(huì)自動(dòng)降低加工速度。

通過上述分析可知，M2.5以下的小孔徑螺紋孔轉(zhuǎn)速以2000r/min左右為宜，可獲得較好的加工質(zhì)量及效率。

4.4 切削液

由于擠壓絲錐在成形過程中無金屬碎屑排出，會(huì)造成絲錐與工件間切削液流淌不流暢，不能及時(shí)帶走加工過程中的熱量，所以切削液的黏度及潤(rùn)滑作用對(duì)成形質(zhì)量及絲錐的使用壽命有重要影響。

通常數(shù)控加工切削液濃度為7%～8%，考慮到擠壓成形的特殊性，需適當(dāng)降低切削液的黏度同時(shí)兼顧潤(rùn)滑、冷卻的作用，避免因潤(rùn)滑不好而導(dǎo)致的螺紋表面褶皺、撕裂甚至絲錐斷裂現(xiàn)象。因此，切削液濃度一般控制在5%～6%。但由于切削液濃度測(cè)量方法是觀察折光儀，在長(zhǎng)期使用過程中機(jī)油、污物等多余物在切削液中腐敗變質(zhì)產(chǎn)生絮狀物會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果，使觀測(cè)值略高于實(shí)際值，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際情況提高1%～2%的濃度。

5 試制試驗(yàn)

通過上述分析，確定了有限的工藝參數(shù)，為驗(yàn)證其有效性，選取5A06鋁板進(jìn)行擠壓絲錐螺紋成形的試制試驗(yàn)（見圖5）。按照加工1000個(gè)M2×0.4-6H深8mm、孔深9mm，加工參數(shù)依照前述結(jié)論，全齒型牙高比65%，預(yù)制孔直徑1.82mm，攻螺紋轉(zhuǎn)速2000r/min，進(jìn)給速度800mm/min。

圖5 試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)

加工完成后對(duì)其進(jìn)行通止規(guī)檢測(cè)和剖切（見圖6），牙型飽滿，表面質(zhì)量好，各項(xiàng)性能均滿足要求，驗(yàn)證了分析的合理性。

圖6 試驗(yàn)件剖切

6 結(jié)束語(yǔ)

擠壓絲錐適用于各類高塑性金屬材料，因其無屑加工、擠壓成形等特性能夠有效增強(qiáng)螺紋強(qiáng)度，提升螺紋表面質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控攻螺紋，所以可以完全替代傳統(tǒng)的手工鉆孔攻螺紋，并且加工效率及質(zhì)量控制得到大幅提升。