擠壓絲錐在緩速器殼體零件上的應用

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合面上，有較多深徑比大于2的聯接螺紋盲孔。用普通絲錐加工上述內螺紋，不但效率低，螺紋表面光潔度差、強度低，而且切削產生的鋁屑易導致粘刀、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，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（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格。根據工程實際經驗，擠壓絲錐常見規格為M20以下。

1.3 擠壓絲錐使用時注意事項

1.3.1 對材料要求

擠壓絲錐適合應用于鋁材等塑性較大的材料攻絲。據統計，所有工業材料中的約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，導致增大絲錐的磨損量和絲錐斷刀的風險。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，在生產中要保證加工出合格的螺紋，關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均大于對應普通螺紋底孔直徑，且擠壓底孔直徑一般應按照d（+0.05/-0.05）控制。其中，d是根據計算和實踐經驗綜合得出的經驗公式。例如，以下是最常用的經驗公式：

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也可通過經驗公式先算出工件底孔直徑理論值，然后根據攻絲工況、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，均為螺栓聯接孔。現以上述加工內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為S400、F500，因鋁屑粘刀、堵屑斷刀、爛牙時常發生，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鋁屑，嚴重影響了產品的清潔度。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硬質合金鉆鉆螺紋底孔。

（2）擠壓絲錐棱數

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，主要對內螺紋進行擠壓，以便使工件材料逐步產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，但因為是奇數棱且橫截面積小，故平穩性較差，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、磨損緩慢，擠壓收縮量小，加工溫度相對較低，加工穩定性更好。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生劇烈摩擦及塑性變形，導致溫度升高。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，就會產生金屬粘結或粘結磨損，導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，冷卻液濃度應該保證在6%-8%之間。

根據工程實踐經驗，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。根據下面公式：

可算出，當線速度Vc=30m/s時，轉速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

根據擠壓絲錐的選用原則，選取了4個廠家提供的結構參數相同的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統計結果可知，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，擠壓絲錐未出現粘刀、爛牙及非正常斷刀現象，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擠壓絲錐已經在產線進行批量推廣。

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于普通絲錐加工后的螺紋孔，且擠壓絲錐加工的螺紋孔內幾乎無鋁屑殘留，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化：

圖12 擠壓絲錐加工螺紋孔工藝優化

（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次后即出現一定程度的滑絲現象。因此，使用擠壓絲錐后可減少緩速器維修時拆卸螺栓導致的工件報廢。

5 結束語

在大批量生產中，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用已充分說明其優勢，具備在我公司各類鋁合金等塑性零件上推廣應用的價值。