關于擠壓螺紋鋁屑掉落的研究

喬文俊

摘要：擠壓螺紋作為一種利用金屬塑性變形原理，對材料進行擠壓加工，并不產生切屑的方法，其在鋁化發動機制造領域被廣泛應用。由于其擠壓的工藝原理，牙型產生具有一定不規則性，導致長擠壓螺紋容易在裝配拆卸的過程中產生鋁屑，本文通過理論研究和實際切削相結合的方法，研究了不同的加工工藝，找出了產生鋁屑最少的加工方法。

關鍵詞：機加工;擠壓螺紋;鋁屑;加工工藝

0 ?引言

隨著鋁合金材料在發動機制造領域的廣泛應用，新的加工方法也被大量引入，其中擠壓螺紋的加工方法因為其較高的強度，以及無切屑的特性，在鋁化發動機制造領域被廣泛應用。其隨之產生的問題是容易在裝配拆卸的過程中產生鋁屑，這種問題在長擠壓螺紋（長徑比大于5）的加工中尤為常見。長擠壓螺紋的加工主要含有幾個步驟：預鉆，鉆孔，攻絲，其中鉆孔的方法又分為含有鉸刀和不含有鉸刀等，工藝方法多種多樣，本文在研究了多種工藝方法后，找出了鋁屑產生的最少加工工藝。

1 ?擠壓螺紋的成型機理及特點

擠壓螺紋是一種金屬冷壓加工的方法，其主要原理是對工件材料產生擠壓，使其產生塑性變形，從而形成螺紋。擠壓絲錐含有以下特點：

①擠壓成型，加工不產生鋁屑，清潔化加工過程，不會出現鋁屑擠斷絲錐的情況。

②由于是冷壓成型，螺牙的強度較高。

③相應的加工刀具磨損較低，壽命長。

④適合于加工延長率較高的塑性材料。

⑤擠壓成型的螺牙形狀相較切削螺紋不穩定。

圖1 是擠壓螺紋的典型牙形：

2 ?擠壓螺紋鋁屑掉落研究實驗

本文選取實際工作中遇到的問題作為研究對象，前期采用專家評審法，收集實驗意見，建立實驗數據庫以及圖片庫，進而對數據進行分析，總結出各種加工工藝得出的結果，并選出了最佳加工方案。

2.1 研究對象選取及其特點分析

本文研究對象選取為缸體上的燃燒面連接螺紋孔，燃燒室結合面是缸體上工作環境最惡劣的面之一，汽油在燃燒室內被點燃，劇烈燃燒爆發能量給汽車提供動力，此外該面還是缸體缸蓋冷卻水和潤滑油的交互面，對密封和擰緊可靠性要求高，因此對螺紋的連接強度以及裝配的清潔度都有很高的要求，正好適合作為研究對象。

研究對象的材質為鋁合金材料：GMW5M-AL-C-D-ClassA-Si9Cu3Fe1-T5，塑性延伸性不低于0.35%，適合采用擠壓螺紋的加工工藝，螺紋孔具體參數如下：M9X1.25-6H的螺紋，螺紋底孔深度為65mm，螺紋最低深度要求為60mm，螺紋孔位置度要求為0.55（相對于側面基準）。

2.2 螺紋加工的實驗設計

我們根據功能驗證需求、工藝驗證需求、客戶驗證需求等方面的要求、選取了強度、底孔類型、加工工藝、加工參數、底孔直徑、擰緊曲線、擰緊掉屑等一系列驗證指標。針對這些驗證指標詳細設計了四個實驗，實驗的判定檢測工具有：擰緊槍、三坐標、螺紋深度規、小徑通止規、拉力實驗機。詳如圖2。

根據實驗驗證需求以及驗證目標，我們設計了切削絲錐與擠壓絲錐對比，加工工藝對比，底孔孔徑對比，絲錐參數對比等四個實驗，并對螺紋的加工工藝結果，裝配工藝結果，鋁屑結果以及強度結果做數據對比，實驗具體設計內容如下：

2.2.1 實驗1：切削絲錐與擠壓絲錐對比

實施步驟及內容：

①在同一缸體燃燒室面一半采用切削絲錐，一半采用擠壓絲錐，并對結果做三坐標，螺紋通止規，小徑通止規，擰緊槍等測試;

②針對切削絲錐和擠壓絲錐每個加工螺紋孔進行拉力實驗（每種加工方法做4次），并做拉力結果對比。

實驗零件數量：共6個;其中5個切削絲錐，5個擠壓絲錐;1個剖開做拉力實驗。

需對比數據：位置度，擰緊曲線，拉力數據，擰緊鋁屑分析。

2.2.2 實驗2：加工工藝的對比

實施步驟及內容：

①使用直徑8.4麻花鉆底孔，直徑8.4直槽底孔，測量各自底孔的直徑、直線度和位置度等數據并進行數據對比;

②最后采用擠壓絲錐對螺紋底孔進行攻絲，做三坐標，螺紋通止規，小徑通止規，擰緊槍等測試。

實驗零件數量：每種6個;5個攻絲，1個不攻絲做底孔直線度數據對比。

需對比數據：位置度，擰緊曲線，底孔直線度，擰緊鋁屑分析。

2.2.3 實驗3：直徑8.47底孔與直徑8.4底孔比較

實施步驟及內容：

①使用直徑8.47鉸刀的底孔和直徑8.4底孔進行對比，測量底孔直徑和直線度、位置度等數據。

②使用擠壓絲錐攻絲，并用三坐標測量，螺紋通止規，小徑通止規，擰緊等測試。

實驗零件數量：每種6個;5個攻絲，1個不攻絲做底孔直線度數據對比。

需對比數據：位置度，擰緊曲線，擰緊鋁屑分析。

2.2.4 實驗4：絲錐參數對比

實施步驟及內容：

使用不同擠壓絲錐的參數做實驗，每個孔采用不同的加工參數，最后用三坐標測量，螺紋通止規，小徑通止規測量，擰緊檢查實驗結果并對比哪個參數最優。

實驗零件數量： 2個

需對比數據：位置度，擰緊曲線，擰緊鋁屑分析。

2.3 實驗數據分析

①實驗1中的相關實驗數據對比如下表1：

具體的擰緊鋁屑分析如圖3所示。

從表1實驗結果可以看出，切削絲錐和擠壓絲錐從位置度和擰緊曲線上來看，差異不大;拉力數據方面，擠壓絲錐強度較高;從擰緊產生的鋁屑分析來看擠壓絲錐的結果要差于切削絲錐，具體從圖3可以看出，擠壓絲錐無鋁屑的比例較低不足40%，切削絲錐無鋁屑比例接近70%，另外少量鋁屑以及帶狀鋁屑比例擠壓絲錐也較切削絲錐高，這個擠壓絲錐的成型機理以及牙型有關，實驗結果符合理論預期。

②實驗2中的相關實驗數據對比如表2：

具體的擰緊鋁屑分析如圖4所示：

從表2實驗結果可以看出，直徑8.4麻花鉆底孔和直徑8.4直槽底孔從擰緊曲線上來看，差異不大;位置度，底孔直線度，擰緊產生的鋁屑等方面來看直槽底孔會比螺旋槽底孔表現要好。

以位置度來講，由于實驗對象是一個長徑比達到7.7的孔，實驗中的直槽鉆設計了兩個支撐刃帶，在主軸冷卻液壓力充足的情況下，位置度好于普通麻花鉆，符合預期，需要注意的是加工系統的內冷壓力足夠，內冷壓力最好在70bar左右，排屑效果良好，若沒有較好的內冷壓力，則需要選擇麻花鉆，利用麻花鉆的螺旋槽結構，輔助排屑，以避免鋁屑堆積對底孔孔壁產生刮傷和擠壓，嚴重的甚至會造成斷刀。

以底孔直線度來講，直槽鉆采用E型鉆尖且直槽鉆與孔壁間隙較小，底孔直線度好符合預期;從鋁屑情況來講，直槽鉆無鋁屑比率遠高于麻花鉆。

③實驗3中的相關實驗數據對比如表3：

具體的擰緊鋁屑分析如圖5所示：

從表3實驗結果可以看出，直徑8.4鉸刀和直徑8.47鉸刀從位置度，擰緊曲線以及擰緊產生的鋁屑等方面都沒有明顯差異。該實驗是為了驗證底孔直徑對螺紋孔的影響，由于是采用擠壓絲錐加工，對底孔的大小要求較嚴，即底孔公差較小，較大的底孔可能會導致擠壓形成的螺紋壓型不完整，因此選取的鉸刀直徑差異比較小，這可能也是導致最終實驗結果差異不大的原因。

④實驗4中的相關實驗數據對比如表4：

具體的擰緊鋁屑分析如圖6所示：

從表4實驗結果可以看出，1.5倍退刀和2倍退刀從位置度，擰緊曲線以及擰緊產生的鋁屑等方面都沒有明顯差異。理論上來講，螺紋加工時較快的退刀會對螺紋質量產生影響，但我們的實驗是在投產線上進行的，為了盡量減少不必要的工廢，這里選擇的退刀速度較為保守，但也已基本覆蓋了常用的量產退刀速度，可以論證出退刀速度對擠壓螺紋的影響。

3 ?結語

根據上面一系列實驗，將擰緊產生鋁屑的數據整合在一起，如圖7所示：

我們可以得出以下結論：①切削絲錐的擰緊鋁屑掉落情況最好，其次是直槽鉆底孔的擠壓絲錐。這是加工原理決定的，特別是深螺紋孔，差異越發明顯;②位置度方面，麻花鉆加工螺紋底孔的表現最差，直槽鉆，鉸刀等方法位置度表現都不錯，采用直槽鉆進行底孔加工的前提是加工系統有較好的內冷壓力，具體原因在實驗2中有描述，這里不再重復;③麻花鉆加工螺紋底孔的底孔直線度表現最差的;④擰緊曲線方面，各加工方法差異不大;⑤采用直槽底孔鉆加工擠壓絲錐底孔會得到較好的鋁屑結果。

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