鋁合金齒輪箱自攻螺套裝配及質量問題探析

鄭李雄 吳 剛 劉 升

(中車戚墅堰機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度高、耐磨損性能強的內螺紋。隨著我國高速鐵路運營里程的快速發展，對高速動車組的運營提出了愈加苛刻的要求。鋁合金因其輕量化的優點，成為高速動車組齒輪箱等關鍵零部件的主要材質。但鋁合金的抗剪切能力較弱，在其上直接加工螺紋無法滿足高速動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，對其自攻螺套的安裝工藝要領進行剖析，并介紹了常見質量問題的處置方案。

1 自攻螺套的結構特點

自攻螺套因具有自行攻螺紋的能力，其性能優于直接攻絲形成的螺紋，在國外鋁合金產品中已得到大范圍的應用。其主要特點是可直接攻入基材，形成一個符合相應標準的高精度螺紋。為保證切入基材過程中基體材料能夠順利排出，自攻螺套頭部設有排屑結構。根據排屑結構的不同，將自攻螺套分為開槽型及三孔型兩種，如圖1所示。

圖1 自攻螺套

目前自攻螺套的使用，國內無相關經驗，只能參照國外廠家產品手冊進行選取，安裝工藝參數需要綜合基材力學性能、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

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有大量的自攻螺套，許多部位在運用過程中承受著較大的動態載荷。齒輪箱基材選用EN1706中規定的AlSi7Mg0.3鑄鋁，硬度較鑄鐵軟，質量較輕，具有較好的塑性與韌性，切削性能較好。

經過大量的工藝驗證確定自攻螺套安裝的工藝流程為：選定安裝設備→精鏜底孔→孔口倒角→設定過載扭矩及轉速→安裝自攻螺套→退出引導、限位工裝→安裝效果確認。

2.1 安裝設備選定

不同規格的自攻螺套，其安裝扭矩差異較大。其中M8及以下規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。規格M10～M16自攻螺套推薦使用圖3所示的氣動攻絲機安裝，規格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 自攻螺套氣動攻絲機安裝

圖4 自攻螺套改裝鉆床安裝

M8及以下小規格螺套，其安裝扭矩較小，且實際運用過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。

氣動攻絲機其主軸與螺套安裝工具相連，并設有扭矩過載保護夾頭，運用攻絲的原理將自攻螺套安裝至對應的底孔中去。受伺服電機功率限制，目前市面上該類攻絲機現貨僅能安裝M10～M16規格自攻螺套。

圖4所示安裝設備由8050鉆床改裝，通過鉆床旋轉帶動螺套切入到基材安裝底孔中。自攻螺套與主軸通過螺套安裝工具相連，安裝工具上設有柔性夾頭，能控制最大安裝扭矩，以防止螺套安裝過程過載。

2.2 工藝參數設定

(1)底孔

安裝底孔尺寸的選取對自攻螺套的安裝及運用起至關重要的作用，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而保證足夠的拉拔力，實際運用過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自攻螺套的安裝及運用也十分重要，對于承受復雜載荷的產品，底孔加工應盡量采用加工中心完成。

自攻螺套目前屬于進口件，底孔直徑只能參照國外廠家產品手冊選取，如規格M20L27開槽自攻螺套具體取值如表1所示。

表1 M20L27開槽自攻螺套底孔值選取

實際底孔直徑選取，設計及工藝人員應結合軸向拉拔力要求，組織開展試棒拉拔試驗以確定自攻螺套與基材之間的嚙合率。

(2)底孔預制引牙

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。一定深度的預制引牙能較好地解決這一問題。預制引牙螺紋采用與自攻螺套外螺紋一致的牙型，引牙深度應結合相應的設計要求進行拉拔力測試決定。

(3)安裝垂直度

垂直度即自攻螺套切入底孔中應保證垂直，一旦出現歪斜，容易造成螺套開裂現象。

采用圖3、圖4示設備安裝自攻螺套時，安裝前通過百分表校核安裝主軸與底孔平面的跳動，應符合工藝要求。

(4)轉速、過載保護扭矩

不同規格的自攻螺套，其轉速及安裝過載扭矩不同，安裝時應滿足表2要求。

表2 轉速及過載扭矩取值表

(5)引導、限位工裝

引導、限位工裝由4個部分組成(見圖5)。其中連接配合部位及防轉部位裝入氣動攻絲機或改裝鉆床接頭；工作部位可根據具體安裝的自攻螺套規格進行變換。

圖5 引導、限位工具

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

2.3 安裝效果確認

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

為進一步驗證安裝自攻螺套的動態性能，可根據IEC 61373—2010標準開展振動沖擊試驗及疲勞加載試驗驗證。

3 常見失效問題及處置方案

(1)自攻螺套開裂。自攻螺套開裂可能原因有底孔過小、自攻螺套非金屬夾雜物超標及自攻螺套電鍍過程中氫脆等。一旦出現該類問題時，可采用外徑尺寸更大的非標螺套對底孔進行修復。不建議簡單拆除開裂螺套后重新安裝的方式，因為這樣無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為使用過程中配合螺栓無法預緊，反向松開后自攻螺套跟隨螺栓一起滑出。造成此現象可能原因是安裝過程歪斜或自攻螺套與基材之間的嚙合率不夠。安裝過程歪斜導致基材兩側受力不均，進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螺套對底孔進行修復。一旦自攻螺套與基材之間嚙合率設計選型不足，則需考慮重新進行選型設計。

(3)螺套旋入底孔過深。此情況通常是由于安裝扭矩過大或者安裝工具限位功能失效導致，可復核安裝過載扭矩是否在推薦值范圍內，同時優化安裝工具結構。

4 結束語

近年來鋁合金材料被廣泛應用于軌道交通動車及城軌車輛零部件，自攻螺套也隨之應用得愈加廣泛。本文對鋁合金齒輪箱用自攻螺套的安裝工藝要領及相關常見問題的處置方法進行了闡述，對后續大批量的工程應用具有一定指導意義。