热熔钻技术在车门铰链螺母板制造中的应用研究

虎仪鑫 申强 朱成燕 成起 王青

摘 要：阐述了热熔钻技术的工艺原理，对热熔钻工艺制造的零部件各项性能进行试验，与传统钻孔攻丝进行对比，确定其适用场合及工艺参数。同时，在车门铰链螺母板零件上利用热熔钻技术的优势，减薄零件厚度的同时又不降低螺纹连接强度，简化了加工和表面处理工序，降低了制造成本。为在其它零部件上利用该技术提供了一种思路。

关键词：热熔钻；自重；稳定性；强度；热处理；成本

中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-245-04

Abstract： The technology principle of flowdrill technology is described. The performance of the parts produced by the flowdrill process was tested， and compared with the traditional drilling tapping to determine the applicable occasions and process parameters. At the same time， the advantages of flowdrill technology are used on the plate parts to reduce the thickness without reducing the thread connection strength， simplifying the processing and surface treatment processes， reducing the manufacturing cost. This paper provides a way of thinking for others.

Keywords： flowdrill； dead weight； stability； strength； heat treatment； cost

CLC NO.： U466 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-245-04

1 熱熔钻技术

热熔钻又叫热钻（flowdrill），是一项来自德国的革命性新技术。它改变了传统钻孔紧固工序的工艺，使得以往加工过程中的难题——薄板薄管的攻牙紧固几秒钟就可以轻松解决。此项工艺用以取代钻孔，取代焊接螺母，取代压铆螺母。[1]

1.1 热熔钻工作原理

热熔钻采用碳化钨硬质合金材料制造，其端部呈30°～60°的锥尖形，锥面上无切削刃口。当热熔钻在金属薄壁工件表面高速回转并被施以向下的轴向压力时，热熔钻的头部与金属材料剧烈摩擦，产生高达650～750℃的高温，使与锥顶接触的局部金属材料升温变红并迅速软化，随着轴向压力加大和进给加深，端部锥面与金属材料的接触面积增大，发热进一步增加，加工区温度继续上升而使变红区域扩大。随着孔内原来的熔融实体材料在钻头的轴向进给和旋转作用下沿径向和轴向作热塑性流动而形成环颈和衬套，并快速加工出孔洞，而衬套的形成正是热熔钻所需要的加工效果。[2]

1.2 热熔钻加工孔型

热熔钻钻削或攻螺纹的孔型包括四种（见图2）：短型、短平型、长型和长平型。

1.3 挤压丝锥

挤压丝锥（图3）是相对于切削丝锥而言的，普通丝锥是切削丝锥，用它攻丝就是通过切除金属的方式来获得内螺纹。而挤压丝锥是通过丝锥上螺纹棱带挤压内孔金属，使金属变形后充满丝锥牙槽，丝锥退出后形成内螺纹。挤压丝锥适合在塑性材料上攻丝，如铝合金、铜合金、不锈钢、低碳钢等。使用挤压丝锥形成的内螺纹粗糙度高、精度高、强度大。需要注意的是挤压丝锥要求的底尺寸不同于切削丝锥攻丝的底孔。[3]

1.4 热熔钻孔/攻丝特点

（1）结构稳定，精度高。热熔钻加工孔/攻丝的总厚度可达工件原始壁厚的3倍左右（见图4）。较焊接螺母结构形式，其结构更加稳定、可靠；挤压丝锥较一般丝锥攻丝提高了螺纹的精度、表面粗糙度、拉伸强度，且不易磨损，使用寿命长。

（2）具有抗锈蚀能力。热熔钻钻孔/攻丝的孔加工表面因热熔钻头部与金属材料剧烈摩擦产生高温，然后在空气中冷却而获得正火处理效果，使孔的表层硬度及防锈、耐腐蚀性能得以提高（见图5）。

（3）加工速度快，生产效率高。根据材料厚度及孔径大小的不同，加工1个孔仅需3—6秒钟。

（4）热熔钻孔/攻丝加工过程洁净，实现了无屑加工，无需处理切屑等废料。

（5）热熔钻头结构简单，易于制备和维护，刀具寿命较长。热熔钻头圆柱面磨损小，锥面磨损不影响加工孔侧面的成形，无需刃磨刀具。

（6）无需额外增加专用设备和配件。热熔钻可在标准钻床或数控钻床上进行加工（加工功率水平1.5～3.5kW，主轴转速1000～3500r/min）；钻头夹持采用套筒夹头，刀柄采用莫氏锥柄或直圆柱柄（见图6）。

（7）热熔钻加工可优化、简化和改进产品结构设计和工艺路线，降低制造周期及成本。

2 热熔钻技术应用

目前某车白车身车门铰链螺母板有两种，其材料均为8mm厚 45#钢，要求零件进行调质处理30—35HRC，螺纹精度为H6级。零件加工工序为落料—钻孔—热处理—攻丝。

为了提升产品竞争力，降低整车自重及零件加工费用，在保证车门铰链螺栓在车辆行驶过程中不松动。充分利用热熔钻技术的优势，在减薄零件厚度的同时又不降低螺纹连接强度，即螺母板丝扣不减少且取消螺母板热处理工序，降低制造成本。

2.1 铰链螺母板的加工

新铰链螺母板采用6mm厚510L板，工艺加工路线为：落料—热熔钻钻孔—挤压丝锥攻丝。热熔钻加工铰链螺母板M8螺纹孔要求见表2：[4]

新加工的铰链螺母板如图8。利用M8标准螺纹通止规对加工的螺纹孔精度检测，螺纹孔精度达到H6级。

2.2 理化分析

2.2.1 宏观检查

螺纹孔轴线纵剖面经磨抛、浸蚀后宏观形貌（见图9），螺纹牙部与基体颜色稍有差异。 螺母板螺纹孔高度为12mm，较母材厚度6mm增加到原来的2倍；螺纹有效牙数7扣，较圆螺母板牙数4扣增加了近一倍左右。

2.2.2 硬度检查

在图9中所示4个部位进行硬度检查。1#-4#位置硬度依次为222HV10、230HV10、210HV10、181HV10，其中，3#位置距螺纹牙底约1mm，4#位置距螺纹牙底约3mm。

2.2.3 微观检查

螺纹牙部及螺母板基体微观形貌见图10。图中左侧深色区域为螺纹牙部，牙顶部位有一明显的折叠，牙部微观组织为铁素体+珠光体，晶粒细小、均匀。图中右侧浅色区域为螺母板基体，其微观组织为铁素体+片状珠光体。螺纹牙部及螺母板基体之间的过渡区域大致在螺纹牙底径附近。

理化分析表明，螺纹牙部硬度相比母材硬度增加20%左右 。这是由于螺母板螺纹孔系热熔钻成型，故加工孔時孔内壁由表至里存在一定的温度梯度并且冷却速度也会存在一定的差异，同时内螺纹冷成型时表面与心部变形程度不完全一致，以上均将影响螺纹牙表面与心部硬度的一致性。

2.3 抗扭矩试验

为了验证用热熔钻加工的铰链螺母板螺纹抗扭矩情况，用10.9级M8的螺栓分别与原铰链螺母板、新加工的螺母板进行拧紧破坏试验（图11）。

结果显示，两种螺母板在同样条件下螺栓拧紧至破坏状态，其最小破坏力矩基本一样，螺母板螺纹均未损伤。

2.4 抗拉强度试验

将热熔钻加工的铰链螺母板及原螺母板分别加工成螺母拉伸试样，利用12.9级M8的螺栓验证螺母板螺纹抗拉强度，分别各做四组试验如图12，用以验证螺纹抗拉强度。

试验结果如表3，拉伸断裂部全部在螺栓螺纹处（如图12），断裂螺栓可轻松从螺母试样上拧下，螺母螺纹完好。试验结果表明热熔钻加工的螺母板螺纹等级达到12级，满足现有产品车门安装。拉伸试验曲线如图13。

2.5 可靠性试验

通过对车门打开与关闭状态下部Z向位移的测量分析，以及侧围与车门贴标记处的相对位移量测量分析，对热熔钻加工的铰链螺母板可靠性进行验证。

2.5.1 检测条件

（1）车门开闭频率：3次/min

（2）试验次数：10000次

（3）车门进行配载：350±10N

2.5.2 检测仪器量具设备

2.5.3 车门开闭试验结果

（1）车门Z 向无明显下沉量；

（2）车门刻线与车身侧围刻线平齐、无线差；

（3）车门铰链连接螺栓扭矩无衰减。

综上，车门无明显沉降，热熔钻工艺铰链螺母板验证效果合格。

2.6 小批量装车验证

对热熔钻加工的铰链螺母板在某车型整车上装配50辆份进行市场路跑验证100000公里，车门未出现下沉等售后质量问题，检测螺栓拧紧力矩没有衰减。

2.7 结论

热熔钻加工的铰链螺母板满足设计及使用要求。

3 总结

利用热熔钻技术加工车门铰链螺母板，不仅优化了产品结构设计，简化了工艺加工路线，又降低了零件加工费用及零件自重降低。这种新型工艺技术性能可靠，工艺简单，可在在其它诸如平板背面凸焊螺母的替代、管状零件钻孔、异种多层金属同时钻孔攻丝等多种场合推广应用。

参考文献

[1] 热熔钻制造技术简介[EB].

[2] 陈学文.热熔钻孔/攻丝技术原理及其应用[J].万方数据，2007年第41卷No.7.

[3]刘作庆，刘拥军，张建周.挤压丝锥的应用[J].万方数据，2012年第46卷No.4.

[4] 海富美成钻头贸易有限公司.http：//www.formdrillchina.com.