挤压丝锥在缓速器壳体零件上的应用

熊朝，薛亚男

（陕西法士特汽车工程研究院，陕西 西安 710119）

引言

我公司缓速器铝合金壳体零件结合面上，有较多深径比大于2的联接螺纹盲孔。用普通丝锥加工上述内螺纹，不但效率低，螺纹表面光洁度差、强度低，而且切削产生的铝屑易导致粘刀、烂牙和丝锥折断等问题，沉积在孔底的铝屑更是不易清理，严重影响缓速器壳体零件的清洁度。为了避免螺纹加工中的粘刀、断刀及烂牙现象，减少螺纹孔铝屑堆积带来的危害，降低清洗机清洁螺纹孔的难度，从而提升螺纹孔清洁度，我们在缓速器铝合金壳体上使用了挤压丝锥代替普通丝锥加工螺纹。本文将介绍挤压丝锥原理、优缺点及在工程实践中的使用情况。

1 挤压丝锥的原理与特点

1.1 挤压丝锥的原理

挤压丝锥是相对于切削丝锥而言的。普通丝锥指的就是切削丝锥，是以切除金属材料的方式来获得内螺纹。而挤压丝锥加工螺纹的原理是利用金属零件的塑性变形，挤压金属材料作轴向和径向移动，从而形成螺纹孔牙型，是一种无屑加工技术，如图 1。这样挤压丝锥就无需普通丝锥攻丝时必不可少的排屑槽，使丝锥强度大大提高，只要底孔得当，挤压丝锥一般不会折断，从而大幅提高了刀具的稳定性。

图1 挤压丝锥加工螺纹的原理示意

1.2 挤压丝锥的优点与局限

对比普通丝锥加工螺纹孔，挤压丝锥加工螺纹孔具备以下主要优点：

（1）因为属于无屑加工，不但可有效避免堵屑造成的丝锥折断和粘刀，而且螺纹表面质量高，更避免了清洁螺纹孔的麻烦；

（2）普通丝锥加工，材料晶相纤维被破坏（如图 2）；而挤压丝锥加工，因材料晶相纤维连续（如图3），故挤压螺纹强度比切削螺纹强度高30%左右；

图2 普通丝锥加工的材料晶相纤维示意

图3 挤压丝锥加工的材料晶相纤维示意

（3）因为是冷作硬化成型，螺纹表面硬度较芯部提高40%-50%，螺纹表面耐磨性大幅提高[1]；

（4）攻丝速度高，线速度可达 25-30m/min，大幅提高加工效率；

（5）比普通丝锥寿命长。

但是，因为是通过“暴力”挤压而形成螺纹孔，挤压丝锥需要比普通丝锥更高的攻丝扭矩。根据实验测算，在相同工况下，挤压丝锥所需扭矩是普通丝锥所需扭矩的1.5-2倍。这也就限制了挤压丝锥的规格。根据工程实际经验，挤压丝锥常见规格为M20以下。

1.3 挤压丝锥使用时注意事项

1.3.1 对材料要求

挤压丝锥适合应用于铝材等塑性较大的材料攻丝。据统计，所有工业材料中的约65%可挤压成型。但以下情况不适用：

（1）断裂伸长率小于7%的脆性材料，例如：硅含量＞12%的硅合金、短切屑铜锌合金、热固性塑料；

（2） 螺距＞3mm（螺距≦1.5mm时挤压成型特别经济）；

（3）抗拉强度＞1200-1400N/mm2。

1.3.2 对底孔直径要求

因为是靠金属塑性成型的原理加工螺纹孔，挤压丝锥“暴力挤压”出的螺纹牙型是不完整的，一般会在牙顶处形成“U”型成型褶（如图4）。值得注意的是，因螺纹挤压后形成成型褶，挤压丝锥不适用于加工密封要求较高的螺纹孔，多用于非自动的联接螺纹孔。

正常情况下，挤压丝锥加工的螺纹牙型高度约占全齿高（牙高率）的65%-75%[2]，其正常牙型如图4所示。

图4 底孔合适，螺纹正常

如果挤压螺纹的底孔直径过小，就会增大挤压丝锥攻丝时的扭矩，导致增大丝锥的磨损量和丝锥断刀的风险。此种工况下加工出的螺纹牙型如图5所示。

图5 底孔太小，过于饱满

相反，如果挤压螺纹底孔直径过大，虽然会降低丝锥的磨损，延长丝锥使用寿命，但是会导致挤压出的螺纹小径太大，螺纹过度不饱满则会降低螺纹联接强度。此种工况下加工出的螺纹牙型如图6 所示。

图6 底孔太大，螺纹不饱满

通过以上分析，在生产中要保证加工出合格的螺纹，关键是对螺纹底孔直径进行严格控制。

通常，挤压丝锥攻螺纹前底孔直径d均大于对应普通螺纹底孔直径，且挤压底孔直径一般应按照d（+0.05/-0.05）控制。其中，d是根据计算和实践经验综合得出的经验公式。例如，以下是最常用的经验公式：

底孔直径d=公称直径D-f×螺距P

公差6H:f=0.45

公差7H:f=0.5

底孔直径d也可通过经验公式先算出工件底孔直径理论值，然后根据攻丝工况、材料等因素，对底孔计算值作出修正。表1为底孔直径参考值（7H）：

表1 挤压丝锥底孔直径

2 挤压丝锥效果验证

我公司某型缓速器壳体材料为 ZL101A，属软质铸铝合金。在该壳体两端面需加工螺纹孔 20-M8-7H，螺纹底孔深度为25，螺纹有效深度为20，均为螺栓联接孔。现以上述加工内容作为挤压丝锥攻丝效果验证对象。

2.1 普通丝锥加工工艺及效果

传统工艺要求螺纹底孔直径为 φ6.8，攻丝刀具为 M8×1.25H6-22-8X90Y，即切削刃长为22、总长为90、柄径为8的螺旋槽切削丝锥。该丝锥加工时切削参数为S400、F500，因铝屑粘刀、堵屑断刀、烂牙时常发生，平均寿命仅为 150件，即可加工3000个螺纹孔。

加工完成后，即使经过了普通通过式清洗机和高压清洗机清洗，并且由操作工用气枪吹螺纹孔，依然无法彻底清理干净螺纹孔内铝屑，严重影响了产品的清洁度。普通丝锥加工螺纹孔工艺路线如下：

图7 普通丝锥加工螺纹孔工艺路线

2.2 挤压丝锥新工艺方法的确定

根据挤压丝锥的原理，从以下方面考虑新工艺方法：

（1）螺纹底孔直径

查表1可知，M8-7H挤压丝锥所需螺纹底孔直径为φ7.4，故选用φ7.4硬质合金钻钻螺纹底孔。

（2）挤压丝锥棱数

挤压丝锥主要由工作部分和夹持部分两部分组成，其中工作部分又分为挤压锥部和校准部。挤压锥部为锥形，主要对内螺纹进行挤压，以便使工件材料逐步产生塑性变形形成螺纹；校准部径向剖面一般是多棱形[3]。常见棱数有三、四、五、六等。在加工中，虽然三棱挤压丝锥接触工件弧长短、攻丝扭矩较小，但因为是奇数棱且横截面积小，故平稳性较差，其寿命低于其它多棱丝锥。而六棱挤压丝锥单刃受力小，变形较为平稳、磨损缓慢，挤压收缩量小，加工温度相对较低，加工稳定性更好。但由于受铲背量限制，六棱挤压丝锥通常用于M6以上大规格丝锥[4]。综合考虑，加工M8螺纹孔，选用四棱挤压丝锥较为合理。

（3）冷却方式

攻丝属于封闭加工，比车削、铣削的加工工况更加恶劣，因此攻丝时的冷却润滑效果对螺纹质量和丝锥寿命影响更大。

在螺纹挤压成型过程中，挤压丝锥与塑性材料之间会发生剧烈摩擦及塑性变形，导致温度升高。机床冷却液不仅起到冷却作用，润滑也是其主要功用。如果润滑效果不好，挤压丝锥与金属材料表面直接接触时，就会产生金属粘结或粘结磨损，导致螺纹表面撕裂或划伤，造成丝锥磨损乃至折断。为保证挤压成型效果，冷却液浓度应该保证在6%-8%之间。

根据工程实践经验，当加工螺纹深径比大于3以上时，挤压丝锥必须开润滑槽，以确保冷却润滑效果。由于本次试验所需加工螺纹孔深径比为2.5，故所选挤压丝锥无需开润滑槽。机床冷却液按照6%-8%配比即可。

（4）参数选择

对于铝材类等有色金属，挤压丝锥推荐线速度为25 m/s至30 m/s。试验时选择线速度30m/s。根据下面公式：

可算出，当线速度Vc=30m/s时，转速N=1200r/pm，则进给 F=1200×1.25=1500mm/min。

2.3 新旧工艺方法加工效果对比

根据挤压丝锥的选用原则，选取了4个厂家提供的结构参数相同的4种品牌的挤压丝锥（如图7），在相同的工况和加工参数下进行试验，并与普通丝锥（如图8）作对比。

图7 挤压丝锥

图8 普通螺旋槽丝锥

以下为挤压丝锥加工效果与普通丝锥加工效果对比：

（1）加工效率及丝锥寿命

由表2统计结果可知，挤压丝锥加工效率是普通丝锥的3倍，丝锥寿命是普通丝锥7.3倍至36倍，而成本降低52%至72%。在试验过程中，挤压丝锥未出现粘刀、烂牙及非正常断刀现象，避免了工件的报废。显然，挤压丝锥在降本增效方面效益显著。目前，性价比最高的品牌1挤压丝锥已经在产线进行批量推广。

表2 挤压丝锥与普通丝锥加工效率及丝锥寿命对比

（2）螺纹孔表面质量及清洁度

如图10、图11所示，挤压丝锥加工的螺纹孔表面光洁度明显优于普通丝锥加工后的螺纹孔，且挤压丝锥加工的螺纹孔内几乎无铝屑残留，而普通丝锥加工的螺纹孔底部沉积了较多铝屑，清洁难度大。

图9 普通丝锥加工效果

图10 挤压丝锥加工效果

可见，无屑加工，加工后螺纹孔良好的清洁度正是挤压丝锥的又一巨大优势，无需人工用气枪吹螺纹孔铝屑。因此，挤压丝锥加工螺纹孔工艺可做如下优化：

图12 挤压丝锥加工螺纹孔工艺优化

（3）装配试验对比

按照30N·M的力矩对螺栓定扭，挤压丝锥加工的螺纹孔在螺栓反复装卸30次后，螺纹依然完好无损，螺栓能达到定扭要求；而普通丝锥加工的螺纹孔在螺栓装卸3次后即出现一定程度的滑丝现象。因此，使用挤压丝锥后可减少缓速器维修时拆卸螺栓导致的工件报废。

5 结束语

在大批量生产中，挤压丝锥加工螺纹孔具有效率高、寿命长、成本低的显著优势，也有效解决了普通丝锥加工塑性材料中常见的粘刀、烂牙、断刀等问题。挤压丝锥加工的螺纹孔不但基本无金属屑残留，易于清理干净，而且螺纹孔强度高、耐磨性好，具有很高的装配性。挤压丝锥在我公司缓速器壳体零件上的应用已充分说明其优势，具备在我公司各类铝合金等塑性零件上推广应用的价值。