擠壓螺紋加工技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造上的應(yīng)用

■ 東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)股份有限公司 （四川德陽(yáng) 618000） 秦昱新

我公司主要設(shè)計(jì)生產(chǎn)大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)子機(jī)座和定子機(jī)座上分別有2880-M8和720-M10內(nèi)螺紋孔需要加工。產(chǎn)量由原來(lái)的年產(chǎn)幾十臺(tái)提高到上千臺(tái)，傳統(tǒng)切削攻螺紋的內(nèi)螺紋加工方法完全不能滿(mǎn)足大量螺孔加工的需要，現(xiàn)急需提高內(nèi)螺紋的加工效率和加工質(zhì)量，以滿(mǎn)足交貨要求。急需尋求新的內(nèi)螺紋加工方法。

1.內(nèi)螺紋螺孔加工方法

目前內(nèi)螺紋孔的加工方法有兩種：按照設(shè)備分為手工加工和機(jī)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(nèi)螺紋時(shí)，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(nèi)螺紋存在刀具（絲錐）壽命低、換刀頻繁、內(nèi)螺紋螺孔合格率不高、輔助時(shí)間較長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)生的切屑較多、堵塞絲錐和螺紋質(zhì)量差等弊端。采用進(jìn)口的高端切削絲錐加工內(nèi)螺紋，同樣面臨上述問(wèn)題，而且收效甚微，成本也較高。

擠壓攻螺紋加工技術(shù)是使用擠壓絲錐通過(guò)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(qiáng)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(nèi)螺紋表面粗糙度高，螺紋的金屬纖維不斷裂，同時(shí)在表面形成一層冷硬層，可提高螺紋的強(qiáng)度和耐磨性，從根本上解決了攻絲的排屑困難問(wèn)題。因無(wú)屑，故刀具（絲錐）壽命長(zhǎng)，輔助時(shí)間少，效率高，同時(shí)螺紋質(zhì)量好，利于裝配。擠壓螺紋加工方法更凸顯其明顯的優(yōu)勢(shì)。在電子、塑料和汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用廣泛，但在風(fēng)電行業(yè)的加工應(yīng)用卻鮮有所聞。

2.應(yīng)用的理論依據(jù)

（1）切削加工和擠壓加工內(nèi)螺紋的優(yōu)勢(shì)對(duì)比，如表1所示。

圖1a為切削絲錐，有容屑槽，加工時(shí)容易產(chǎn)生切屑。圖1b為擠壓絲錐，擠壓絲錐具有無(wú)切削刃和多條容屑槽，外形多呈棱形，通過(guò)棱形上的螺紋擠壓被加工孔內(nèi)的金屬部分，使被擠壓金屬發(fā)生塑性變形流動(dòng)，形成螺紋牙形，達(dá)到產(chǎn)生螺紋的效果。

被擠的金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，擠壓螺紋的牙形呈U形，如下圖2所示擠壓螺紋的形成過(guò)程。

傳統(tǒng)切削絲錐產(chǎn)生的牙形占全牙高65%～75%（牙形對(duì)比見(jiàn)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(yù)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(huì)出現(xiàn)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(jiàn)圖4）。因此，要加工出合格的擠壓螺紋，一定要嚴(yán)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(duì)比

圖1 螺紋絲錐

圖 2

圖3 切削和擠壓螺紋牙形對(duì)比

圖4 擠壓螺紋的優(yōu)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(qiáng)度低于1 200MPa，塑性大。而文中所述定/轉(zhuǎn)子機(jī)座的材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345E，其性能見(jiàn)表2。由此可見(jiàn)其強(qiáng)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(guān)。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(xì)牙螺紋時(shí)，可將攻螺紋速度提高1～2倍。加工大螺紋和螺距較大時(shí)因受到攻螺紋扭矩和潤(rùn)滑條件限制，可適當(dāng)放慢攻螺紋速度。通常擠壓螺紋加工，刀具商會(huì)提供相應(yīng)的參考值，一般通過(guò)擠壓螺紋試切加工，檢測(cè)合格后，再固定擠壓攻螺紋的速度。

表2 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)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?yàn)閿D壓攻螺紋時(shí)不需要切削金屬，是通過(guò)絲錐擠壓金屬，使金屬產(chǎn)生塑性變形和流動(dòng)，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(duì)攻螺紋質(zhì)量和過(guò)程有較大影響，底孔直徑越大會(huì)導(dǎo)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(guò)小，會(huì)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(chǎn)生過(guò)度變形。

因此，要嚴(yán)格控制擠壓螺紋底孔的直徑。這里將內(nèi)螺紋的有效嵌合高度與標(biāo)準(zhǔn)牙形高度的比稱(chēng)為嵌合率，將嵌合率除以100稱(chēng)為螺紋接觸高度比（%），常用以下公式計(jì)算：

嵌合率=（D－d）/2×P

式中，D為標(biāo)準(zhǔn)螺紋大徑基本尺寸；d為螺紋底孔直徑；P為標(biāo)準(zhǔn)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(jí)號(hào)。

例如，M10×1.5公制螺紋，H72級(jí)內(nèi)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(shí)，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(rùn)滑。金屬擠壓攻螺紋過(guò)程對(duì)冷卻潤(rùn)滑要求較高，常用潤(rùn)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(rùn)滑油進(jìn)行霧化潤(rùn)滑。

3.加工試切及對(duì)比

（1）加工試切。根據(jù)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(kāi)后檢查結(jié)果如圖6所示，其牙形和表面質(zhì)量滿(mǎn)足要求，符合圖4的正常范圍。同時(shí)使用螺紋塞規(guī)檢查螺紋尺寸，均達(dá)到了預(yù)期的效果。

（2）擠壓攻螺紋和切削攻螺紋對(duì)比及效果。切削絲錐和擠壓攻螺紋實(shí)際加工數(shù)據(jù)對(duì)比如統(tǒng)計(jì)表3和圖7所示。顯然擠壓螺紋加工速度遠(yuǎn)高于切削絲錐的攻螺紋速度。每臺(tái)轉(zhuǎn)子加工1 920個(gè)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(jié)約了加工時(shí)間，提高了質(zhì)量和加工效率，降低了輔助時(shí)間。

圖5 試切絲錐及鉆頭

圖6 擠壓加工效果

一般5m車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工費(fèi)報(bào)價(jià)600元/h，由此計(jì)算1臺(tái)轉(zhuǎn)機(jī)座加工費(fèi)就節(jié)約大概5 760元成本。定子機(jī)座上的720－M10的螺孔，每臺(tái)節(jié)約時(shí)間約3h，以150鏜床市場(chǎng)報(bào)價(jià)500元/臺(tái)時(shí)計(jì)算，每臺(tái)節(jié)約大概1 500元。通過(guò)采用擠壓螺紋加工，為公司節(jié)約了大量的成本。

圖7 實(shí)際加工效果

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐，將擠壓螺紋加工技術(shù)應(yīng)用到大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)鋼結(jié)構(gòu)件的中小螺紋加工中，明顯提高了大批量?jī)?nèi)螺紋加工的效率，螺紋的表面質(zhì)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(qū)電機(jī)制造效率，滿(mǎn)足了產(chǎn)品交貨要求，同時(shí)也提高了我公司產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表3 擠壓螺紋與切削螺紋加工對(duì)比表

序號(hào) 螺孔規(guī)格 加工方法 刀具名稱(chēng) 型號(hào) 規(guī)格 轉(zhuǎn)速/（r/min）進(jìn)給/（mm/min）加工時(shí)間/s壽命/臺(tái) 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(gè)螺孔/臺(tái)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(gè)螺孔/臺(tái)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 －