基于加工中心的小螺孔冷擠壓工藝研究

胡年孫 江德鳳 黃松和 龍 震 張 英

(①中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶400060；②西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

為滿足電子產品小型化、輕量化、高可靠等要求，產品螺紋孔規格逐步變小，加工螺紋孔逐漸由切削加工向擠壓加工轉變。擠壓絲錐通過擠壓形成螺紋孔，由于在擠壓成形過程中金屬纖維并未被切斷，屬于無屑加工，故而成形的螺紋孔有合理的流線分布，更好的機械性能，更大的承載能力[1]。而使用切削絲錐加工出的螺紋孔，由于在切削過程中，金屬的纖維流向被切斷，如圖1所示，故而，加工出的螺紋孔強度小、精度低、粗糙度差；此外，螺紋孔內常常會殘留切屑，且經過反復的安裝調試，容易引發出現電子器件“短路”、螺紋孔“滑絲”等問題 ，從而導致零件使用壽命短[2]。切削絲錐和擠壓絲錐加工出的螺紋牙形如圖2所示，尤其是對于銅合金零件小螺紋孔來說，這些缺陷尤其突出，故而，擠壓絲錐能夠有效解決切削絲錐所帶來的缺陷[3]。

但在擠壓絲錐使用過程中，常常會因為對加工工藝、底孔直徑、轉速、冷卻液等參數的選擇不當，從而導致加工出底孔偏大、爛牙、絲錐折斷，導致工件報廢等問題。因此，本文著重對冷擠壓銅合金工件小螺紋孔的工藝路線及切削參數進行研究。

1 擠壓絲錐數控加工特點

擠壓絲錐加工螺紋孔工藝:即把擠壓絲錐擠入預鉆的底孔內，擠壓絲錐在機床主軸的帶動下，從背棱開始，逐步擠入工件已鉆好的底孔內表面，形成螺紋，而被擠出的金屬則被迫轉移流入絲錐扣之間的間隙，與此同時，工件螺紋牙形也移入絲錐扣之間的間隙，逐步增高工件螺紋牙形高度。當絲錐擠壓錐部的第一個棱齒擠入已鉆好的底孔內時，擠壓出的金屬將會發生塑性變形，由卸載定律可知，棱齒移開后被擠壓部分的彈性變形部分會恢復，而塑性變形部分會保留；接著，絲錐第二個棱齒繼續擠壓該部分，材料將再次發生彈塑性變形，當第二個棱齒離開后，該處又發生彈性變形恢復，而塑性變形保留；依此類推，直到擠壓錐部棱齒全部加工完后，就形成了一個完整的牙形[4]。經歷咬入、擠壓、翻轉、塑形等加工過程，最終建立起完整的牙形。在螺孔加工過程中，由于金屬材料受到擠壓絲錐的反復擠壓，故而減小了集中應力，且螺紋孔表面在形成過程中，產生了冷作硬化，表層強度明顯提高，表面質量顯著提升[5]。

2 擠壓絲錐數控加工技術

2.1 工藝路線

擠壓絲錐加工螺紋孔一般工藝路線:中心鉆點孔→鉆頭鉆底孔→擠壓絲錐攻絲[5]。而在實際加工過程中，常常會因為參數選擇不當，而導致在加工過程中出現絲錐折斷、螺紋孔底孔偏大、螺紋滑扣以及工件報廢等異常情況。究其原因，主要有:

(1)加工過程中的冷卻潤滑效果較差。

(2)螺紋孔內殘留有切屑；尤其是對于M2以下小螺紋孔來說，尤為嚴重。

在數控加工過程中，由于擠壓絲錐所受扭矩急劇增大，而導致絲錐異常折斷；由于積屑較多，而導致擠壓絲錐在擠壓螺紋時發生爛牙的現象。所以，針對以上提到的問題，本文將工藝路線更改為:

中心鉆點孔→鉆頭預鉆底孔→倒角刀倒孔口角→擠壓絲錐攻絲。

在攻絲前增加倒角用以容納一定冷卻液，這樣可以確保擠壓絲錐有充分的潤滑，因為倒角加工僅占螺紋孔加工總用時不到5%，故而，增加該步驟不僅不會明顯降低加工效率，而且能明顯延長絲錐壽命，同時絲錐攻絲深度比鉆孔深度淺0.4 mm以暫時容納鉆屑。

2.2 擠壓絲錐的選用

擠壓絲錐有三棱、四棱和六棱三種規格[6]。六棱擠壓絲錐有承載能力好、平穩性好、單位刃所受應力小等優勢，但其會受鏟背量的限制，故而其一般只適用M6以上的大規格擠壓絲錐。三棱擠壓絲錐在加工時，攻絲扭矩較小，接觸工件弧長短，但由于三棱擠壓絲錐是奇數棱，故而其橫截面積小，平穩性差，從而導致其壽命相對多棱絲錐來說較短。由于加工中心需同時滿足銑削、鉆孔、鉸孔、攻絲等各種加工方式要求，且刀庫位置相對有限，而大部分工件又有盲孔及通孔，所以一般情況下，加工時會選用能同時加工盲孔及通孔的通用型絲錐。

綜合考慮，對于M1.2到M2的絲錐，選用四棱比較合理，因為四棱絲錐屬通用型擠壓絲錐，且擠壓錐部分長度L=2.5×螺距，其能夠同時滿足貫通螺紋孔和盲螺紋孔的加工。

2.3 預鉆底孔直徑計算

螺紋孔底孔直徑大小不僅關系到加工過程能否順利進行，而且影響螺紋孔質量。合理的底孔尺寸不僅能加工出好質量的螺紋孔，而且還能延長擠壓絲錐的使用壽命。根據冷塑性加工的條件下，金屬的體積和密度是固定的”這一基本定律可知，在螺紋孔擠壓過程中，預鉆底孔尺寸直接決定金屬材料塑性變形量。

經分析研究表明，多數的經驗公式不僅沒有考慮所用擠壓絲錐的牙形尺寸、材料機械性能及螺紋承載力，而且并未確定擠壓后的螺紋牙型高度。故而，在實際加工過程中直接采用原有公式計算底孔直徑，并不能計算出合理的參數。所以，在加工時，首先需要進行理論計算和模擬分析，再次進行加工實驗，最后確定出所需工件的底孔直徑極限值。

螺紋底孔直徑選擇的影響因素有很多，有些影響因素是難以計算的，而螺紋牙距、牙型高度、螺紋精度、螺孔深度、螺孔粗糙度及材料性能是影響直徑選擇的主要因素。依據實際加工經驗可知，螺距和牙型高度是影響螺紋底孔直徑選擇的最主要因素。預鉆孔計算公式:

式中:d孔為預鉆底孔直徑；D為螺紋大徑；η為螺紋牙型高度；P為螺距。

為便于日常使用，節省計算時間，根據螺紋規格把預鉆底孔制成表格(如表1)供選用。

表1 預鉆底孔選用表

底孔直徑過大，擠壓后螺紋小徑也會過大，牙形高度不足，且牙形頂部明顯不飽滿，完全達不到增加螺紋強度的作用；底孔直徑過小，在數控加工過程中孔內易擠壓積屑，不能及時冷卻或潤滑不充分等狀況。因此，底孔直徑的選擇至關重要，既不能過大導致加工出的螺紋孔無用，也不能過小導致擠壓絲錐折斷。為了判定預鉆底孔是否滿足要求，擠壓絲錐除了使用螺紋塞規檢查外，還需增加光滑針規作為檢查螺紋小徑的檢具。綜合考慮，銅合金牙型高度控制在85%～95%較合理。

2.4 冷卻潤滑液的選擇

冷卻液不僅有冷卻效果，還有清洗和潤滑作用。在加工中心上銑、鉆、鉸、攻絲等各種加工方式中，擠壓攻絲是對潤滑效果要求最高的加工方式，冷卻液冷卻潤滑的效果對螺紋孔的質量和擠壓絲錐都有很大的影響，濃度過低，擠壓絲錐因扭矩過大而易折斷；冷卻液濃度過高，會產生冷卻效果降低、增加成本而且在重負荷銑削粗加工時會產生明顯的“煙霧”現象等問題。在擠壓絲錐擠壓螺紋孔成形過程中，擠壓絲錐和銅合金材料之間會產生較高的摩擦熱，導致溫度升高，此時，若潤滑效果不好，則金屬表面會發生粘結磨損，故而螺紋表面會劃傷，甚至撕裂等缺陷，進一步損壞絲錐，甚至折斷絲錐。故而，在加工過程中，為滿足多種數控加工的需求，通過實驗可知一般會選用濃度為5%～6%的乳化液進行冷卻潤滑。一般情況下，加工一段時間后，冷卻液中可能會混入一些雜物致使冷卻液輕微變質，導致測出的冷卻液濃度出現“虛濃”現象，故而，在加工時，冷卻液濃度可提升至7%～8%以便于維護保養。

2.5 擠壓速度的確定

在擠壓螺紋加工中，Z軸的進給量和主軸的旋轉角度保持同步關系，所以，主軸的轉速直接影響著螺紋孔的成形速度。但擠壓的速度需控制在一定的范圍內，擠壓速度過小，會降低加工效率；擠壓速度過大，會使加工出的螺紋質量低下。不同的廠家對擠壓絲錐的速度有不同的參數，且差距較大(300～4 000 r/min)。但在有確定的刀具類型、加工材料、機床型號及螺紋規格的前提下，能確定出兼顧螺紋孔質量、生產效率、刀具壽命、主軸載荷能力以及機床安全的擠壓轉速。本文運用正交試驗對擠壓轉速進行了工藝研究，確定出了合理的擠壓轉速；并選取了常用的小規格螺紋在LGMazak16A型加工中心上進行了試驗，加工材料選取銅合金，加工出了100個深度為5 mm的螺紋孔，并統計主軸平均負載及加工用時，實驗結果如表2所示，畫成曲線如圖3。

由表2和圖3可知，以M1.2×0.25為例，當主軸轉速為500 r/min時，加工100個螺紋孔需用時17 min3 s，隨著主軸轉速的加快，加工100個螺紋孔用時逐漸減少，到主軸轉速上升至3 500 r/min時，加工100個螺紋孔僅需4 min26 s。由圖3可知，主軸轉速小于1 500 r/min時，曲線坡度較陡，即轉速對加工時間有較大的影響；隨著主軸轉速的加速，坡度逐漸變平緩，即轉速對加工時間的影響也逐漸趨于減??；當主軸轉速超過2 000 r/min時，曲線平緩，即轉速對加工時間的影響也逐漸趨于減小。就單個螺紋孔來說，主軸轉速為3 000 r/min和3 500 r/min的加工用時僅相差0.08 s。

表2 剛性攻絲轉速對主軸負載及用時影響

M2×0.4與M1.2×0.25螺紋孔變化規律類似，只是隨著螺距的增大，加工同樣深度的螺紋孔，M2×0.4用時更少。 M1.2、M1.4、M1.6、M2四種規格的螺紋孔用時相差隨轉速的提高而減小，轉速在500 r/min時，四種規格螺紋孔總用時相差5 min47 s，當轉速提高到3 500 r/min時，總用時相差僅49 s。

在擠壓絲錐數控加工中，轉速過低，達不到生產效率；轉速過高則會使主軸還未達到最高轉速時，擠壓絲錐已攻到底，致使主軸負載過大，加工出的螺紋孔質量較差。如:當轉速為500 r/min時，主軸負載僅達到了最大負載的16%；當轉速為3 500 r/min時，則達到了最大負載的94%；所以，過高的轉速不僅容易折斷絲錐，而且機床主軸會因為負載過大而損壞，而且擠壓絲錐在交變載荷作用下很容易產生疲勞失效[7]。

綜上所述，在能保證螺紋精度和主軸負載的情況下，應盡可能地提高轉速以保證擠壓效率。從本文實驗可知，轉速應在2 000 r/min以內為宜。即M1.2、M1.4、M1.6、M2 加工轉速可分別取2 400 r/min、2 100 r/min、1 800 r/min、1 500 r/min。

3 結語

本文通過改進工藝路線、分析冷卻液濃度、推算底孔直徑公式、統計攻絲用時及選擇刀具型號，最終得到了合理的工藝路線和優化切削參數。

(1)按牙型高度的85%～95%來加工預鉆孔直徑，則需選用濃度為7%～8%的冷卻液用以冷卻潤滑；

(2)在能保證螺紋精度和主軸負載的情況下，應盡可能的提高轉速以保證擠壓效率。從本文實驗可知，轉速應在2 000 r/min以內為宜。即M1.2、M1.4、M1.6、M2加工轉速可分別取 2 400 r/min、2 100 r/min、1 800 r/min、1 500 r/min。