关于挤压螺纹铝屑掉落的研究

乔文俊

摘要：挤压螺纹作为一种利用金属塑性变形原理，对材料进行挤压加工，并不产生切屑的方法，其在铝化发动机制造领域被广泛应用。由于其挤压的工艺原理，牙型产生具有一定不规则性，导致长挤压螺纹容易在装配拆卸的过程中产生铝屑，本文通过理论研究和实际切削相结合的方法，研究了不同的加工工艺，找出了产生铝屑最少的加工方法。

关键词：机加工;挤压螺纹;铝屑;加工工艺

0  引言

随着铝合金材料在发动机制造领域的广泛应用，新的加工方法也被大量引入，其中挤压螺纹的加工方法因为其较高的强度，以及无切屑的特性，在铝化发动机制造领域被广泛应用。其随之产生的问题是容易在装配拆卸的过程中产生铝屑，这种问题在长挤压螺纹（长径比大于5）的加工中尤为常见。长挤压螺纹的加工主要含有几个步骤：预钻，钻孔，攻丝，其中钻孔的方法又分为含有铰刀和不含有铰刀等，工艺方法多种多样，本文在研究了多种工艺方法后，找出了铝屑产生的最少加工工艺。

1  挤压螺纹的成型机理及特点

挤压螺纹是一种金属冷压加工的方法，其主要原理是对工件材料产生挤压，使其产生塑性变形，从而形成螺纹。挤压丝锥含有以下特点：

①挤压成型，加工不产生铝屑，清洁化加工过程，不会出现铝屑挤断丝锥的情况。

②由于是冷压成型，螺牙的强度较高。

③相应的加工刀具磨损较低，寿命长。

④适合于加工延长率较高的塑性材料。

⑤挤压成型的螺牙形状相较切削螺纹不稳定。

图1 是挤压螺纹的典型牙形：

2  挤压螺纹铝屑掉落研究实验

本文選取实际工作中遇到的问题作为研究对象，前期采用专家评审法，收集实验意见，建立实验数据库以及图片库，进而对数据进行分析，总结出各种加工工艺得出的结果，并选出了最佳加工方案。

2.1 研究对象选取及其特点分析

本文研究对象选取为缸体上的燃烧面连接螺纹孔，燃烧室结合面是缸体上工作环境最恶劣的面之一，汽油在燃烧室内被点燃，剧烈燃烧爆发能量给汽车提供动力，此外该面还是缸体缸盖冷却水和润滑油的交互面，对密封和拧紧可靠性要求高，因此对螺纹的连接强度以及装配的清洁度都有很高的要求，正好适合作为研究对象。

研究对象的材质为铝合金材料：GMW5M-AL-C-D-ClassA-Si9Cu3Fe1-T5，塑性延伸性不低于0.35%，适合采用挤压螺纹的加工工艺，螺纹孔具体参数如下：M9X1.25-6H的螺纹，螺纹底孔深度为65mm，螺纹最低深度要求为60mm，螺纹孔位置度要求为0.55（相对于侧面基准）。

2.2 螺纹加工的实验设计

我们根据功能验证需求、工艺验证需求、客户验证需求等方面的要求、选取了强度、底孔类型、加工工艺、加工参数、底孔直径、拧紧曲线、拧紧掉屑等一系列验证指标。针对这些验证指标详细设计了四个实验，实验的判定检测工具有：拧紧枪、三坐标、螺纹深度规、小径通止规、拉力实验机。详如图2。

根据实验验证需求以及验证目标，我们设计了切削丝锥与挤压丝锥对比，加工工艺对比，底孔孔径对比，丝锥参数对比等四个实验，并对螺纹的加工工艺结果，装配工艺结果，铝屑结果以及强度结果做数据对比，实验具体设计内容如下：

2.2.1 实验1：切削丝锥与挤压丝锥对比

实施步骤及内容：

①在同一缸体燃烧室面一半采用切削丝锥，一半采用挤压丝锥，并对结果做三坐标，螺纹通止规，小径通止规，拧紧枪等测试;

②针对切削丝锥和挤压丝锥每个加工螺纹孔进行拉力实验（每种加工方法做4次），并做拉力结果对比。

实验零件数量：共6个;其中5个切削丝锥，5个挤压丝锥;1个剖开做拉力实验。

需对比数据：位置度，拧紧曲线，拉力数据，拧紧铝屑分析。

2.2.2 实验2：加工工艺的对比

实施步骤及内容：

①使用直径8.4麻花钻底孔，直径8.4直槽底孔，测量各自底孔的直径、直线度和位置度等数据并进行数据对比;

②最后采用挤压丝锥对螺纹底孔进行攻丝，做三坐标，螺纹通止规，小径通止规，拧紧枪等测试。

实验零件数量：每种6个;5个攻丝，1个不攻丝做底孔直线度数据对比。

需对比数据：位置度，拧紧曲线，底孔直线度，拧紧铝屑分析。

2.2.3 实验3：直径8.47底孔与直径8.4底孔比较

实施步骤及内容：

①使用直径8.47铰刀的底孔和直径8.4底孔进行对比，测量底孔直径和直线度、位置度等数据。

②使用挤压丝锥攻丝，并用三坐标测量，螺纹通止规，小径通止规，拧紧等测试。

实验零件数量：每种6个;5个攻丝，1个不攻丝做底孔直线度数据对比。

需对比数据：位置度，拧紧曲线，拧紧铝屑分析。

2.2.4 实验4：丝锥参数对比

实施步骤及内容：

使用不同挤压丝锥的参数做实验，每个孔采用不同的加工参数，最后用三坐标测量，螺纹通止规，小径通止规测量，拧紧检查实验结果并对比哪个参数最优。

实验零件数量： 2个

需对比数据：位置度，拧紧曲线，拧紧铝屑分析。

2.3 实验数据分析

①实验1中的相关实验数据对比如下表1：

具体的拧紧铝屑分析如图3所示。

从表1实验结果可以看出，切削丝锥和挤压丝锥从位置度和拧紧曲线上来看，差异不大;拉力数据方面，挤压丝锥强度较高;从拧紧产生的铝屑分析来看挤压丝锥的结果要差于切削丝锥，具体从图3可以看出，挤压丝锥无铝屑的比例较低不足40%，切削丝锥无铝屑比例接近70%，另外少量铝屑以及带状铝屑比例挤压丝锥也较切削丝锥高，这个挤压丝锥的成型机理以及牙型有关，实验结果符合理论预期。

②实验2中的相关实验数据对比如表2：

具体的拧紧铝屑分析如图4所示：

从表2实验结果可以看出，直径8.4麻花钻底孔和直径8.4直槽底孔从拧紧曲线上来看，差异不大;位置度，底孔直线度，拧紧产生的铝屑等方面来看直槽底孔会比螺旋槽底孔表现要好。

以位置度来讲，由于实验对象是一个长径比达到7.7的孔，实验中的直槽钻设计了两个支撑刃带，在主轴冷却液压力充足的情况下，位置度好于普通麻花钻，符合预期，需要注意的是加工系统的内冷压力足够，内冷压力最好在70bar左右，排屑效果良好，若没有较好的内冷压力，则需要选择麻花钻，利用麻花钻的螺旋槽结构，辅助排屑，以避免铝屑堆积对底孔孔壁产生刮伤和挤压，严重的甚至会造成断刀。

以底孔直線度来讲，直槽钻采用E型钻尖且直槽钻与孔壁间隙较小，底孔直线度好符合预期;从铝屑情况来讲，直槽钻无铝屑比率远高于麻花钻。

③实验3中的相关实验数据对比如表3：

具体的拧紧铝屑分析如图5所示：

从表3实验结果可以看出，直径8.4铰刀和直径8.47铰刀从位置度，拧紧曲线以及拧紧产生的铝屑等方面都没有明显差异。该实验是为了验证底孔直径对螺纹孔的影响，由于是采用挤压丝锥加工，对底孔的大小要求较严，即底孔公差较小，较大的底孔可能会导致挤压形成的螺纹压型不完整，因此选取的铰刀直径差异比较小，这可能也是导致最终实验结果差异不大的原因。

④实验4中的相关实验数据对比如表4：

具体的拧紧铝屑分析如图6所示：

从表4实验结果可以看出，1.5倍退刀和2倍退刀从位置度，拧紧曲线以及拧紧产生的铝屑等方面都没有明显差异。理论上来讲，螺纹加工时较快的退刀会对螺纹质量产生影响，但我们的实验是在投产线上进行的，为了尽量减少不必要的工废，这里选择的退刀速度较为保守，但也已基本覆盖了常用的量产退刀速度，可以论证出退刀速度对挤压螺纹的影响。

3  结语

根据上面一系列实验，将拧紧产生铝屑的数据整合在一起，如图7所示：

我们可以得出以下结论：①切削丝锥的拧紧铝屑掉落情况最好，其次是直槽钻底孔的挤压丝锥。这是加工原理决定的，特别是深螺纹孔，差异越发明显;②位置度方面，麻花钻加工螺纹底孔的表现最差，直槽钻，铰刀等方法位置度表现都不错，采用直槽钻进行底孔加工的前提是加工系统有较好的内冷压力，具体原因在实验2中有描述，这里不再重复;③麻花钻加工螺纹底孔的底孔直线度表现最差的;④拧紧曲线方面，各加工方法差异不大;⑤采用直槽底孔钻加工挤压丝锥底孔会得到较好的铝屑结果。

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