擠壓絲錐在數控加工的運用

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采用切削絲錐加工螺紋孔時，由于攻絲時切斷了金屬纖維流向，螺紋孔容易出現強度低、粗糙度差、精度低、孔內切屑殘留等問題，在調試安裝過程經螺釘反復旋進旋出數次后,螺紋孔就容易被破壞,影響零件使用，對于塑性較好的鋁合金零件尤其明顯。近年來，部分企業逐步使用擠壓絲錐加工螺紋孔，通過擠壓絲錐在預制好的光孔內擠壓成型，金屬纖維未被切斷，不產生切屑，同時螺紋孔具有更大的承載能力，這一點對于強度較低的材料如鋁合金零件特別有利。但在應用時，常因對其研究不到位，加工路線、底孔直徑、轉速、冷卻液等工況參數選擇不當，導致加工的螺紋出現底孔偏大、螺紋規檢驗不合格、絲錐折斷甚至工件報廢等問題。所以，針對鋁合金零件研究采用擠壓絲錐加工螺紋孔工藝路線及切削參數具有重要意義。

1擠壓絲錐數控加工特點

擠壓絲錐加工螺紋孔的方法就是將擠壓絲錐擠入預制好的底孔內，擠壓絲錐在主軸的帶動下，背棱擠入工件預制底孔的內表面形成螺紋，而被擠出的金屬被迫在徑向內移動流入絲錐扣之間的間隙，工件螺紋牙形移入絲錐扣之間的間隙，使工件螺紋的牙形高度逐漸變大。當絲錐擠壓錐部的第一個棱齒擠入預制孔內時，擠壓處的金屬產生塑性變形，棱齒離開材料后被擠壓部分符合卸載定律，即彈性變形部分將被恢復，而塑性變形部分得以保留，絲錐第二個棱齒繼續擠壓該處，材料再次發生彈塑性變形，第二個棱齒離開后，該處又產生彈性恢復，而塑性變形保留，依此類推，擠壓錐部棱齒全部加工完后，便形成了一個完整的牙形。每個牙型經歷初始咬入、擠壓變形、擠壓彎曲與翻轉成形等四個過程最終形成完整牙型。在加工過程中由于金屬材料受到擠壓絲錐棱齒的反復擠壓，減小了應力集中;螺紋孔表層在成型過程中產生冷作硬化,形成強化層,強度顯著提高,表面質量較好。

2擠壓絲錐數控加工技術

2.1工藝路線

螺紋孔加工常規工藝路線為：中心鉆點出孔位→鉆頭鉆底孔→擠壓絲錐攻絲。工在實際加工過程中,容易出現螺紋爛牙、絲錐折斷等問題。主要原因是鉆孔后孔內有積屑及加工時冷卻潤滑條件差,對于M3以下小螺紋孔這個問題尤其嚴重，導致絲錐擠壓螺紋時發生爛牙，積屑較多較大時,因擠壓絲錐所受扭距急劇增大而導致異常折斷，相對于貫通螺紋孔而言，盲螺紋孔更加容易出現孔內積屑問題。因此,針對這種問題，更改工藝路線為:中心鉆點出孔位→鉆頭鉆底孔→倒角刀孔口倒角→擠壓絲錐攻絲，在攻絲前增加倒角以容納冷卻液，由于倒角加工占螺紋孔加工總用時不到5%，增加該步驟不會明顯降低效率，卻能明顯延長絲錐壽命。同時鉆頭鉆孔深度比絲錐深0.5mm以暫時容納鉆屑。

2.2擠壓絲錐的選用

擠壓絲錐的棱數有三、四、六幾種。三棱擠壓絲錐在加工過程中，接觸工件弧長短，攻絲扭矩較小，但由于是奇數棱，平穩性差，且其橫截面積小，故壽命低于多棱絲錐。而六棱雖然單位刃所受應力小，承載能力及平穩性都較好，但由于受鏟背量限制，一般只用于M6以上大規格絲錐，綜合考慮，對于M1.6到M4的絲錐，選用四棱擠壓絲錐較為合理。擠壓錐部分長度L=4X螺距，可同時滿足盲螺紋孔和貫通螺紋孔的加工,屬通用型擠壓絲錐，因加工中心需同時完成銑削、鉆孔、攻絲等加工，刀庫位置相對有限，在而大部分零件同時有盲孔及通孔，故一般選用能同時加工盲孔及通孔的通用型絲錐。

2.3預制底孔直徑

計算根據“在冷塑性加工的條件下，金屬材料的體積和密度不變”這一擠壓成形基本規律可知，在螺紋孔加工過程中，塑性變形量的大小主要由工件的預制底孔尺寸確定，底孔尺寸不僅直接影響到螺紋孔表面的質量,而且關系到擠壓過程是否能順利進行，合理選擇底孔尺寸能攻出合格的螺紋孔及延長絲錐使用壽命。研究分析表明，多數的經驗公式都沒有考慮所用絲錐的牙形的尺寸，材料的機械性能，刀具內徑的結構形式，并且沒有確定孔徑的公差范圍。因此，生產中采直接采用上述經驗公式計算工件底孔直徑，并不能達到最佳效果，這就需要通過理論計算、模擬分析以及加工試驗最終確定工件底孔直徑的極限值。影響選擇擠壓螺紋底孔直徑的主要因素有:螺紋牙距、牙型高度、螺紋精度等級、材料性能、螺孔深度、粗糙度等。當然，許多因素是難于準確計算的。但是依據實際加工經驗，鋁合金螺紋孔影響最大的因素是牙型高度和螺距，預制孔一般按下式計算：式中，d孔為預制底孔直徑；D為螺紋大徑；η為螺紋牙型高度；P為螺距。若預制底孔直徑較大，擠壓后牙型頂部缺肉明顯，牙形高度明顯不足，螺紋底孔偏大，達不到增加螺紋強度的作用，也達不到檢驗要求。隨著預制底孔直徑的減小，內螺紋的牙形高度逐漸增大，符合螺紋質量要求，若再繼續減小預制底孔直徑，，螺紋牙高的增加緩慢，而絲錐的扭矩上升明顯，絲錐折斷風險大大增加。所以對于塑性較好的鋁合金而言，底孔可以適當小些，但在數控加工實際生產過程中容易出現零件振動、孔內積屑、潤滑不充分等惡劣工況，底孔又需要適當大些，綜合考慮，牙型高度控制在80%~90%的范圍比較合理。

2.4冷卻潤滑液的選擇

由于攻絲屬于封閉式加工，與車削、銑削相比，加工條件惡劣，冷卻潤滑效果對加工質量及刀具壽命影響更大。在螺紋孔擠壓成形過程中，擠壓絲錐與鋁合金材料之間發生強烈的摩擦及塑性變形，引起溫度升高，潤滑效果不好，絲錐與金屬表面直接接觸上時，會產生金屬粘結以及粘結磨損，導致螺紋表面撕裂、劃傷等缺陷，造成絲錐磨損，甚至折斷，冷卻潤滑液除了冷卻作用外，更重要的作用是潤滑。相對于銑削和鉆孔，攻絲對潤滑的要求高得多，所以，為滿足數控加工中心各種工況需求，一般選用濃度為5%的乳化液作為冷卻潤滑液。由于乳化液使用一段時間后懸浮液內會混入雜物產生輕微變質，在使用折光儀測量時會產生濃度“虛高”的現象，在實際生產過程中為了便于維護管理，濃度可適當提高至6%~7%。

2.5擠壓速度的確定

數控加工中心大都采用剛性攻絲，即主軸的旋轉角度和Z軸的進給量建立同步關系。采用剛性攻絲時，絲錐的轉速將直接影響螺紋孔成形速度。而相關資料對擠壓絲錐的轉速有不同的理解,而且差距較大，從300r/min到4000r/min都有。但是，在刀具材質、加工材料、螺孔規格確定的前提下,總有較為合理的轉速。即保證螺紋孔質量的前提下，選取兼顧效率、刀具壽命、主軸負載的合理轉速，由于這方面的研究較少，筆者應用正交試驗法開展分析，確定合理轉速。選取常用螺紋規格在數控加工中心上試驗，加工100個深度為9mm的螺紋孔，統計其用時，試驗結果如表2。由表2可知，以M2X0.4為例，主軸轉速在500r/min時，100個螺紋孔用時14′53″，隨著轉速的上升，逐漸降低，到3500r/min時，僅4′24″。由圖3可知，在1000r/min以內時，曲線較陡，轉速對加工時間影響較大，隨著轉速的提高，對加工時間的影響逐漸減小。到2000r/min以上，曲線平緩，對加工時間的影響逐漸減小，對于單個螺紋孔而言，轉速3000r/min與3500r/min加工用時僅相差0.08s，M3X0.5螺孔變化規律與M2X0.4相近，只是螺距更大，加工同樣深度的螺孔用時更少，100個螺紋孔用時少2′43″但隨著轉速的增加，M2、M2.5、M3各種規格螺紋孔用時相差逐漸減小，到3500r/min，三種規格螺紋孔相差僅24″。在實際生產中，過高的轉速可能會導致使絲錐攻到底時主軸還未到最高轉速，加工出來的螺紋孔質量較差，機床負載過大，如轉速為500r/min主軸負載僅為最大負載的15%，到3500r/min變為83%，絲錐容易折斷，同時機床承受較大的負載慣量，容易損壞。所以，有的機床攻絲轉速上限為2500r/min。綜上所述，為保證擠壓效率，轉速高些好，但要確保螺紋精度及機床保養，轉速就不能過高，以2000r/min以內為宜，即M2、M2.5、M3最高轉速可分別取2000r/min、1750r/min、1500r/min。

3結論

擠壓絲錐數控加工由于工藝路線及工藝參數選用不當導致螺紋爛牙、底孔偏大、絲錐折斷甚至工件報廢等異常情況，針對這類問題，從工藝路線改進、刀具選型、底孔直徑公式推算、擠壓速度驗證、冷卻液濃度分析等參數入手機械實際加工驗證。得出了按牙型高度為80%~90%加工預制孔直徑，選用冷卻液濃度為6%~7%乳化液用以冷卻潤滑，同時確定M2、M2.5、M3最高轉速可分別取2000r/min、1750r/min、1500r/min等參數可獲得較為滿意的結果，對擠壓絲錐數控加工具有較高的參考價值。

作者:胡年孫 喻正祥 朱俊 張毛 龍震 單位:中國電子科技集團公司

參考文獻

[1]蘇.M明沙柯夫.擠壓絲錐.國防工業出版社.1983.

[2]擠壓絲錐.北京:國防工業出版社.1983.

[3]王先奎主編,機械加工工藝手冊,北京:機械工業出版社,2007年.