挤压丝锥在数控加工的运用

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采用切削丝锥加工螺纹孔时，由于攻丝时切断了金属纤维流向，螺纹孔容易出现强度低、粗糙度差、精度低、孔内切屑残留等问题，在调试安装过程经螺钉反复旋进旋出数次后,螺纹孔就容易被破坏,影响零件使用，对于塑性较好的铝合金零件尤其明显。近年来，部分企业逐步使用挤压丝锥加工螺纹孔，通过挤压丝锥在预制好的光孔内挤压成型，金属纤维未被切断，不产生切屑，同时螺纹孔具有更大的承载能力，这一点对于强度较低的材料如铝合金零件特别有利。但在应用时，常因对其研究不到位，加工路线、底孔直径、转速、冷却液等工况参数选择不当，导致加工的螺纹出现底孔偏大、螺纹规检验不合格、丝锥折断甚至工件报废等问题。所以，针对铝合金零件研究采用挤压丝锥加工螺纹孔工艺路线及切削参数具有重要意义。

1挤压丝锥数控加工特点

挤压丝锥加工螺纹孔的方法就是将挤压丝锥挤入预制好的底孔内，挤压丝锥在主轴的带动下，背棱挤入工件预制底孔的内表面形成螺纹，而被挤出的金属被迫在径向内移动流入丝锥扣之间的间隙，工件螺纹牙形移入丝锥扣之间的间隙，使工件螺纹的牙形高度逐渐变大。当丝锥挤压锥部的第一个棱齿挤入预制孔内时，挤压处的金属产生塑性变形，棱齿离开材料后被挤压部分符合卸载定律，即弹性变形部分将被恢复，而塑性变形部分得以保留，丝锥第二个棱齿继续挤压该处，材料再次发生弹塑性变形，第二个棱齿离开后，该处又产生弹性恢复，而塑性变形保留，依此类推，挤压锥部棱齿全部加工完后，便形成了一个完整的牙形。每个牙型经历初始咬入、挤压变形、挤压弯曲与翻转成形等四个过程最终形成完整牙型。在加工过程中由于金属材料受到挤压丝锥棱齿的反复挤压，减小了应力集中;螺纹孔表层在成型过程中产生冷作硬化,形成强化层,强度显著提高,表面质量较好。

2挤压丝锥数控加工技术

2.1工艺路线

螺纹孔加工常规工艺路线为：中心钻点出孔位→钻头钻底孔→挤压丝锥攻丝。工在实际加工过程中,容易出现螺纹烂牙、丝锥折断等问题。主要原因是钻孔后孔内有积屑及加工时冷却润滑条件差,对于M3以下小螺纹孔这个问题尤其严重，导致丝锥挤压螺纹时发生烂牙，积屑较多较大时,因挤压丝锥所受扭距急剧增大而导致异常折断，相对于贯通螺纹孔而言，盲螺纹孔更加容易出现孔内积屑问题。因此,针对这种问题，更改工艺路线为:中心钻点出孔位→钻头钻底孔→倒角刀孔口倒角→挤压丝锥攻丝，在攻丝前增加倒角以容纳冷却液，由于倒角加工占螺纹孔加工总用时不到5%，增加该步骤不会明显降低效率，却能明显延长丝锥寿命。同时钻头钻孔深度比丝锥深0.5mm以暂时容纳钻屑。

2.2挤压丝锥的选用

挤压丝锥的棱数有三、四、六几种。三棱挤压丝锥在加工过程中，接触工件弧长短，攻丝扭矩较小，但由于是奇数棱，平稳性差，且其横截面积小，故寿命低于多棱丝锥。而六棱虽然单位刃所受应力小，承载能力及平稳性都较好，但由于受铲背量限制，一般只用于M6以上大规格丝锥，综合考虑，对于M1.6到M4的丝锥，选用四棱挤压丝锥较为合理。挤压锥部分长度L=4X螺距，可同时满足盲螺纹孔和贯通螺纹孔的加工,属通用型挤压丝锥，因加工中心需同时完成铣削、钻孔、攻丝等加工，刀库位置相对有限，在而大部分零件同时有盲孔及通孔，故一般选用能同时加工盲孔及通孔的通用型丝锥。

2.3预制底孔直径

计算根据“在冷塑性加工的条件下，金属材料的体积和密度不变”这一挤压成形基本规律可知，在螺纹孔加工过程中，塑性变形量的大小主要由工件的预制底孔尺寸确定，底孔尺寸不仅直接影响到螺纹孔表面的质量,而且关系到挤压过程是否能顺利进行，合理选择底孔尺寸能攻出合格的螺纹孔及延长丝锥使用寿命。研究分析表明，多数的经验公式都没有考虑所用丝锥的牙形的尺寸，材料的机械性能，刀具内径的结构形式，并且没有确定孔径的公差范围。因此，生产中采直接采用上述经验公式计算工件底孔直径，并不能达到最佳效果，这就需要通过理论计算、模拟分析以及加工试验最终确定工件底孔直径的极限值。影响选择挤压螺纹底孔直径的主要因素有:螺纹牙距、牙型高度、螺纹精度等级、材料性能、螺孔深度、粗糙度等。当然，许多因素是难于准确计算的。但是依据实际加工经验，铝合金螺纹孔影响最大的因素是牙型高度和螺距，预制孔一般按下式计算：式中，d孔为预制底孔直径；D为螺纹大径；η为螺纹牙型高度；P为螺距。若预制底孔直径较大，挤压后牙型顶部缺肉明显，牙形高度明显不足，螺纹底孔偏大，达不到增加螺纹强度的作用，也达不到检验要求。随着预制底孔直径的减小，内螺纹的牙形高度逐渐增大，符合螺纹质量要求，若再继续减小预制底孔直径，，螺纹牙高的增加缓慢，而丝锥的扭矩上升明显，丝锥折断风险大大增加。所以对于塑性较好的铝合金而言，底孔可以适当小些，但在数控加工实际生产过程中容易出现零件振动、孔内积屑、润滑不充分等恶劣工况，底孔又需要适当大些，综合考虑，牙型高度控制在80%~90%的范围比较合理。

2.4冷却润滑液的选择

由于攻丝属于封闭式加工，与车削、铣削相比，加工条件恶劣，冷却润滑效果对加工质量及刀具寿命影响更大。在螺纹孔挤压成形过程中，挤压丝锥与铝合金材料之间发生强烈的摩擦及塑性变形，引起温度升高，润滑效果不好，丝锥与金属表面直接接触上时，会产生金属粘结以及粘结磨损，导致螺纹表面撕裂、划伤等缺陷，造成丝锥磨损，甚至折断，冷却润滑液除了冷却作用外，更重要的作用是润滑。相对于铣削和钻孔，攻丝对润滑的要求高得多，所以，为满足数控加工中心各种工况需求，一般选用浓度为5%的乳化液作为冷却润滑液。由于乳化液使用一段时间后悬浮液内会混入杂物产生轻微变质，在使用折光仪测量时会产生浓度“虚高”的现象，在实际生产过程中为了便于维护管理，浓度可适当提高至6%~7%。

2.5挤压速度的确定

数控加工中心大都采用刚性攻丝，即主轴的旋转角度和Z轴的进给量建立同步关系。采用刚性攻丝时，丝锥的转速将直接影响螺纹孔成形速度。而相关资料对挤压丝锥的转速有不同的理解,而且差距较大，从300r/min到4000r/min都有。但是，在刀具材质、加工材料、螺孔规格确定的前提下,总有较为合理的转速。即保证螺纹孔质量的前提下，选取兼顾效率、刀具寿命、主轴负载的合理转速，由于这方面的研究较少，笔者应用正交试验法开展分析，确定合理转速。选取常用螺纹规格在数控加工中心上试验，加工100个深度为9mm的螺纹孔，统计其用时，试验结果如表2。由表2可知，以M2X0.4为例，主轴转速在500r/min时，100个螺纹孔用时14′53″，随着转速的上升，逐渐降低，到3500r/min时，仅4′24″。由图3可知，在1000r/min以内时，曲线较陡，转速对加工时间影响较大，随着转速的提高，对加工时间的影响逐渐减小。到2000r/min以上，曲线平缓，对加工时间的影响逐渐减小，对于单个螺纹孔而言，转速3000r/min与3500r/min加工用时仅相差0.08s，M3X0.5螺孔变化规律与M2X0.4相近，只是螺距更大，加工同样深度的螺孔用时更少，100个螺纹孔用时少2′43″但随着转速的增加，M2、M2.5、M3各种规格螺纹孔用时相差逐渐减小，到3500r/min，三种规格螺纹孔相差仅24″。在实际生产中，过高的转速可能会导致使丝锥攻到底时主轴还未到最高转速，加工出来的螺纹孔质量较差，机床负载过大，如转速为500r/min主轴负载仅为最大负载的15%，到3500r/min变为83%，丝锥容易折断，同时机床承受较大的负载惯量，容易损坏。所以，有的机床攻丝转速上限为2500r/min。综上所述，为保证挤压效率，转速高些好，但要确保螺纹精度及机床保养，转速就不能过高，以2000r/min以内为宜，即M2、M2.5、M3最高转速可分别取2000r/min、1750r/min、1500r/min。

3结论

挤压丝锥数控加工由于工艺路线及工艺参数选用不当导致螺纹烂牙、底孔偏大、丝锥折断甚至工件报废等异常情况，针对这类问题，从工艺路线改进、刀具选型、底孔直径公式推算、挤压速度验证、冷却液浓度分析等参数入手机械实际加工验证。得出了按牙型高度为80%~90%加工预制孔直径，选用冷却液浓度为6%~7%乳化液用以冷却润滑，同时确定M2、M2.5、M3最高转速可分别取2000r/min、1750r/min、1500r/min等参数可获得较为满意的结果，对挤压丝锥数控加工具有较高的参考价值。

作者:胡年孙 喻正祥 朱俊 张毛 龙震 单位:中国电子科技集团公司

参考文献

[1]苏.M明沙柯夫.挤压丝锥.国防工业出版社.1983.

[2]挤压丝锥.北京:国防工业出版社.1983.

[3]王先奎主编,机械加工工艺手册,北京:机械工业出版社,2007年.