擠壓螺紋加工技術在風力發電機制造上的應用

■ 東方電氣集團東方電機股份有限公司 （四川德陽 618000） 秦昱新

我公司主要設計生產大型永磁直驅風力發電機，其中的關鍵部件轉子機座和定子機座上分別有2880-M8和720-M10內螺紋孔需要加工。產量由原來的年產幾十臺提高到上千臺，傳統切削攻螺紋的內螺紋加工方法完全不能滿足大量螺孔加工的需要，現急需提高內螺紋的加工效率和加工質量，以滿足交貨要求。急需尋求新的內螺紋加工方法。

1.內螺紋螺孔加工方法

目前內螺紋孔的加工方法有兩種：按照設備分為手工加工和機械加工；按切削方式分為切削加工、擠壓攻螺紋加工和特種加工。在加工大量的中小內螺紋時，其主流方法仍然是切削絲錐和擠壓攻螺紋兩種。

切削攻螺紋加工內螺紋存在刀具（絲錐）壽命低、換刀頻繁、內螺紋螺孔合格率不高、輔助時間較長、生產效率低下、產生的切屑較多、堵塞絲錐和螺紋質量差等弊端。采用進口的高端切削絲錐加工內螺紋，同樣面臨上述問題，而且收效甚微，成本也較高。

擠壓攻螺紋加工技術是使用擠壓絲錐通過擠壓塑性較好的金屬材料，從而形成螺紋的一種加工方法。適合加工拉伸強度不太高，塑性較好的銅合金、鋁合金、不銹鋼和低碳鋼等材料。擠壓攻螺紋的內螺紋表面粗糙度高，螺紋的金屬纖維不斷裂，同時在表面形成一層冷硬層，可提高螺紋的強度和耐磨性，從根本上解決了攻絲的排屑困難問題。因無屑，故刀具（絲錐）壽命長，輔助時間少，效率高，同時螺紋質量好，利于裝配。擠壓螺紋加工方法更凸顯其明顯的優勢。在電子、塑料和汽車行業應用廣泛，但在風電行業的加工應用卻鮮有所聞。

2.應用的理論依據

（1）切削加工和擠壓加工內螺紋的優勢對比，如表1所示。

圖1a為切削絲錐，有容屑槽，加工時容易產生切屑。圖1b為擠壓絲錐，擠壓絲錐具有無切削刃和多條容屑槽，外形多呈棱形，通過棱形上的螺紋擠壓被加工孔內的金屬部分，使被擠壓金屬發生塑性變形流動，形成螺紋牙形，達到產生螺紋的效果。

被擠的金屬發生塑性流動，擠壓螺紋的牙形呈U形，如下圖2所示擠壓螺紋的形成過程。

傳統切削絲錐產生的牙形占全牙高65%～75%（牙形對比見圖3）。擠壓攻螺紋牙形的高度受到螺紋底孔直徑的影響。如果預留底孔直徑較小，擠壓絲錐受到的扭矩就急劇增加，容易造成絲錐表面磨損和折斷絲錐；反之，如果底孔直徑較小會出現被擠壓流向絲錐牙底的金屬減少，形成的螺紋底徑較大，造成牙形高度較小，牙形不足（見圖4）。因此，要加工出合格的擠壓螺紋，一定要嚴格控制攻絲前螺紋的底孔直徑。

另外，螺紋直徑和牙形越小，擠壓攻螺紋可加工材料的范圍就越大，大直徑螺紋和牙形較大的擠壓螺紋加工僅限于軟材料的加工。

表1 擠壓攻絲和切削攻螺紋對比

圖1 螺紋絲錐

圖 2

圖3 切削和擠壓螺紋牙形對比

圖4 擠壓螺紋的優劣

（2）擠壓攻螺紋法被加工材料的要求。由于擠壓攻螺紋受其原理限制，要求被加工材料強度低于1 200MPa，塑性大。而文中所述定/轉子機座的材料為低合金結構鋼Q345E，其性能見表2。由此可見其強度和延伸性能均適合擠壓加工。

（3）擠壓攻螺紋速度的選擇。擠壓攻螺紋速度與絲錐直徑、絲錐材料、螺紋牙距和被加工材料有關。使用與切削絲錐攻螺紋速度相同的情況下，加工較軟材料和細牙螺紋時，可將攻螺紋速度提高1～2倍。加工大螺紋和螺距較大時因受到攻螺紋扭矩和潤滑條件限制，可適當放慢攻螺紋速度。通常擠壓螺紋加工，刀具商會提供相應的參考值，一般通過擠壓螺紋試切加工，檢測合格后，再固定擠壓攻螺紋的速度。

表2 低合金高強度結構鋼的力學性能GB/T1591

（4）擠壓攻螺紋螺紋底孔直徑的確定。一般而言，切削絲錐的底孔直徑就是螺紋的小徑，而擠壓攻螺紋的底孔直徑與切削絲錐底孔直徑有很大差別，因為擠壓攻螺紋時不需要切削金屬，是通過絲錐擠壓金屬，使金屬產生塑性變形和流動，形成螺紋牙形，所以擠壓攻螺紋的螺紋底孔直徑比切削絲錐攻螺紋的底孔直徑大。

擠壓攻螺紋的螺紋底孔直徑的大小對攻螺紋質量和過程有較大影響，底孔直徑越大會導致擠壓攻螺紋后的螺紋小徑偏大，如圖4的變形不足。相反底孔直徑過小，會增大絲錐和被切削金屬的摩擦力，增加絲錐磨損，甚至折斷絲錐，產生過度變形。

因此，要嚴格控制擠壓螺紋底孔的直徑。這里將內螺紋的有效嵌合高度與標準牙形高度的比稱為嵌合率，將嵌合率除以100稱為螺紋接觸高度比（%），常用以下公式計算：

嵌合率=（D－d）/2×P

式中，D為標準螺紋大徑基本尺寸；d為螺紋底孔直徑；P為標準螺紋牙距。

f1=嵌合率/100

D0=D－0.2P－0.004 03Pf1+0.012 7n

式中，D0為擠壓螺紋底孔直徑；f1為螺紋接觸高度比；n為螺紋精度等級號。

例如，M10×1.5公制螺紋，H72級內螺紋，螺紋接觸高度比90%，則

D0=10－0.2×1.5－0.004 03×1.5×90%+0.012 7×7=9.24mm

確定擠壓攻螺紋螺紋底孔直徑后，選擇鉆頭時，一般選擇精度高，刃口鋒利的鉆頭?？梢詼p少孔壁的加工鈍化層，防止攻螺紋困難和絲錐折斷。

（5）擠壓攻螺紋的冷卻潤滑。金屬擠壓攻螺紋過程對冷卻潤滑要求較高，常用潤滑油，一般不用水溶性冷卻液。常用攻螺紋油或有較高硫化物和氯化物的切削油。我公司采用霧化的潤滑油進行霧化潤滑。

3.加工試切及對比

（1）加工試切。根據上述的選擇及方法，我們選擇φ9.24mm和φ7.83mm的鉆頭加工擠壓螺紋底孔，分別使用M10和M8的擠壓絲錐攻螺紋，如圖5所示。將擠壓攻螺紋的螺紋試樣剖切開后檢查結果如圖6所示，其牙形和表面質量滿足要求，符合圖4的正常范圍。同時使用螺紋塞規檢查螺紋尺寸，均達到了預期的效果。

（2）擠壓攻螺紋和切削攻螺紋對比及效果。切削絲錐和擠壓攻螺紋實際加工數據對比如統計表3和圖7所示。顯然擠壓螺紋加工速度遠高于切削絲錐的攻螺紋速度。每臺轉子加工1 920個M8深20mm的螺紋孔從以前的12.8h，減小到3.2h。效率提高了約70%左右，大大節約了加工時間，提高了質量和加工效率，降低了輔助時間。

圖5 試切絲錐及鉆頭

圖6 擠壓加工效果

一般5m車銑復合機床加工費報價600元/h，由此計算1臺轉機座加工費就節約大概5 760元成本。定子機座上的720－M10的螺孔，每臺節約時間約3h，以150鏜床市場報價500元/臺時計算，每臺節約大概1 500元。通過采用擠壓螺紋加工，為公司節約了大量的成本。

圖7 實際加工效果

4.結語

通過實踐，將擠壓螺紋加工技術應用到大型永磁直驅風力發電機鋼結構件的中小螺紋加工中，明顯提高了大批量內螺紋加工的效率，螺紋的表面質量也得到了顯著提高，大大降低了制造成本。提高了我公司大型永磁直驅電機制造效率，滿足了產品交貨要求，同時也提高了我公司產品的市場競爭力。

表3 擠壓螺紋與切削螺紋加工對比表

序號 螺孔規格 加工方法 刀具名稱 型號 規格 轉速/（r/min）進給/（mm/min）加工時間/s壽命/臺 備注1擠壓鉆孔鉆頭WD-2D-7.38 Φ7.38 1 200 210 8.7 － －2擠壓加工擠壓絲錐 VP-NRT B RH7 M8×1.25 220 225 6 1 920/支 1 920個螺孔/臺M8×1.25 3鉆頭 － Φ6.8 560 150 12 － －普通切削加工4絲錐 MS-DH3110-OH2 M8×1.25 60 － 24 150/支 －5擠壓鉆孔鉆頭 WD-2D Φ9.24 1 000 200 9 － －6擠壓加工擠壓絲錐 VP-NRT B RH7 M10×1.5 130 195 6 1 440/支 720個螺孔/臺M10×1.5 7鉆頭 － Φ8.5 600 130 13.8普通切削加工8絲錐 MS-DH4491-OH2 M10×1.5 45 － 21 120/支 －