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(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶400060；②西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

為滿足電子產(chǎn)品小型化、輕量化、高可靠等要求，產(chǎn)品螺紋孔規(guī)格逐步變小，加工螺紋孔逐漸由切削加工向擠壓加工轉(zhuǎn)變。擠壓絲錐通過(guò)擠壓形成螺紋孔，由于在擠壓成形過(guò)程中金屬纖維并未被切斷，屬于無(wú)屑加工，故而成形的螺紋孔有合理的流線分布，更好的機(jī)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(guò)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(qiáng)度小、精度低、粗糙度差；此外，螺紋孔內(nèi)常常會(huì)殘留切屑，且經(jīng)過(guò)反復(fù)的安裝調(diào)試，容易引發(fā)出現(xiàn)電子器件“短路”、螺紋孔“滑絲”等問(wèn)題 ，從而導(dǎo)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(duì)于銅合金零件小螺紋孔來(lái)說(shuō)，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(lái)的缺陷[3]。

但在擠壓絲錐使用過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)閷?duì)加工工藝、底孔直徑、轉(zhuǎn)速、冷卻液等參數(shù)的選擇不當(dāng)，從而導(dǎo)致加工出底孔偏大、爛牙、絲錐折斷，導(dǎo)致工件報(bào)廢等問(wèn)題。因此，本文著重對(duì)冷擠壓銅合金工件小螺紋孔的工藝路線及切削參數(shù)進(jìn)行研究。

1 擠壓絲錐數(shù)控加工特點(diǎn)

擠壓絲錐加工螺紋孔工藝:即把擠壓絲錐擠入預(yù)鉆的底孔內(nèi)，擠壓絲錐在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下，從背棱開始，逐步擠入工件已鉆好的底孔內(nèi)表面，形成螺紋，而被擠出的金屬則被迫轉(zhuǎn)移流入絲錐扣之間的間隙，與此同時(shí)，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(dāng)絲錐擠壓錐部的第一個(gè)棱齒擠入已鉆好的底孔內(nèi)時(shí)，擠壓出的金屬將會(huì)發(fā)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(huì)恢復(fù)，而塑性變形部分會(huì)保留；接著，絲錐第二個(gè)棱齒繼續(xù)擠壓該部分，材料將再次發(fā)生彈塑性變形，當(dāng)?shù)诙€(gè)棱齒離開后，該處又發(fā)生彈性變形恢復(fù)，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(gè)完整的牙形[4]。經(jīng)歷咬入、擠壓、翻轉(zhuǎn)、塑形等加工過(guò)程，最終建立起完整的牙形。在螺孔加工過(guò)程中，由于金屬材料受到擠壓絲錐的反復(fù)擠壓，故而減小了集中應(yīng)力，且螺紋孔表面在形成過(guò)程中，產(chǎn)生了冷作硬化，表層強(qiáng)度明顯提高，表面質(zhì)量顯著提升[5]。

2 擠壓絲錐數(shù)控加工技術(shù)

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(diǎn)孔→鉆頭鉆底孔→擠壓絲錐攻絲[5]。而在實(shí)際加工過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)閰?shù)選擇不當(dāng)，而導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)絲錐折斷、螺紋孔底孔偏大、螺紋滑扣以及工件報(bào)廢等異常情況。究其原因，主要有:

(1)加工過(guò)程中的冷卻潤(rùn)滑效果較差。

(2)螺紋孔內(nèi)殘留有切屑；尤其是對(duì)于M2以下小螺紋孔來(lái)說(shuō)，尤為嚴(yán)重。

在數(shù)控加工過(guò)程中，由于擠壓絲錐所受扭矩急劇增大，而導(dǎo)致絲錐異常折斷；由于積屑較多，而導(dǎo)致擠壓絲錐在擠壓螺紋時(shí)發(fā)生爛牙的現(xiàn)象。所以，針對(duì)以上提到的問(wèn)題，本文將工藝路線更改為:

中心鉆點(diǎn)孔→鉆頭預(yù)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(rùn)滑，因?yàn)榈菇羌庸H占螺紋孔加工總用時(shí)不到5%，故而，增加該步驟不僅不會(huì)明顯降低加工效率，而且能明顯延長(zhǎng)絲錐壽命，同時(shí)絲錐攻絲深度比鉆孔深度淺0.4 mm以暫時(shí)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(guī)格[6]。六棱擠壓絲錐有承載能力好、平穩(wěn)性好、單位刃所受應(yīng)力小等優(yōu)勢(shì)，但其會(huì)受鏟背量的限制，故而其一般只適用M6以上的大規(guī)格擠壓絲錐。三棱擠壓絲錐在加工時(shí)，攻絲扭矩較小，接觸工件弧長(zhǎng)短，但由于三棱擠壓絲錐是奇數(shù)棱，故而其橫截面積小，平穩(wěn)性差，從而導(dǎo)致其壽命相對(duì)多棱絲錐來(lái)說(shuō)較短。由于加工中心需同時(shí)滿足銑削、鉆孔、鉸孔、攻絲等各種加工方式要求，且刀庫(kù)位置相對(duì)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(shí)會(huì)選用能同時(shí)加工盲孔及通孔的通用型絲錐。

綜合考慮，對(duì)于M1.2到M2的絲錐，選用四棱比較合理，因?yàn)樗睦饨z錐屬通用型擠壓絲錐，且擠壓錐部分長(zhǎng)度L=2.5×螺距，其能夠同時(shí)滿足貫通螺紋孔和盲螺紋孔的加工。

2.3 預(yù)鉆底孔直徑計(jì)算

螺紋孔底孔直徑大小不僅關(guān)系到加工過(guò)程能否順利進(jìn)行，而且影響螺紋孔質(zhì)量。合理的底孔尺寸不僅能加工出好質(zhì)量的螺紋孔，而且還能延長(zhǎng)擠壓絲錐的使用壽命。根據(jù)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(guò)程中，預(yù)鉆底孔尺寸直接決定金屬材料塑性變形量。

經(jīng)分析研究表明，多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式不僅沒(méi)有考慮所用擠壓絲錐的牙形尺寸、材料機(jī)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(shí)際加工過(guò)程中直接采用原有公式計(jì)算底孔直徑，并不能計(jì)算出合理的參數(shù)。所以，在加工時(shí)，首先需要進(jìn)行理論計(jì)算和模擬分析，再次進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)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(yù)鉆孔計(jì)算公式:

式中:d孔為預(yù)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(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)螺紋規(guī)格把預(yù)鉆底孔制成表格(如表1)供選用。

表1 預(yù)鉆底孔選用表

底孔直徑過(guò)大，擠壓后螺紋小徑也會(huì)過(guò)大，牙形高度不足，且牙形頂部明顯不飽滿，完全達(dá)不到增加螺紋強(qiáng)度的作用；底孔直徑過(guò)小，在數(shù)控加工過(guò)程中孔內(nèi)易擠壓積屑，不能及時(shí)冷卻或潤(rùn)滑不充分等狀況。因此，底孔直徑的選擇至關(guān)重要，既不能過(guò)大導(dǎo)致加工出的螺紋孔無(wú)用，也不能過(guò)小導(dǎo)致擠壓絲錐折斷。為了判定預(yù)鉆底孔是否滿足要求，擠壓絲錐除了使用螺紋塞規(guī)檢查外，還需增加光滑針規(guī)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(rùn)滑液的選擇

冷卻液不僅有冷卻效果，還有清洗和潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑效果要求最高的加工方式，冷卻液冷卻潤(rùn)滑的效果對(duì)螺紋孔的質(zhì)量和擠壓絲錐都有很大的影響，濃度過(guò)低，擠壓絲錐因扭矩過(guò)大而易折斷；冷卻液濃度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生冷卻效果降低、增加成本而且在重負(fù)荷銑削粗加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的“煙霧”現(xiàn)象等問(wèn)題。在擠壓絲錐擠壓螺紋孔成形過(guò)程中，擠壓絲錐和銅合金材料之間會(huì)產(chǎn)生較高的摩擦熱，導(dǎo)致溫度升高，此時(shí)，若潤(rùn)滑效果不好，則金屬表面會(huì)發(fā)生粘結(jié)磨損，故而螺紋表面會(huì)劃傷，甚至撕裂等缺陷，進(jìn)一步損壞絲錐，甚至折斷絲錐。故而，在加工過(guò)程中，為滿足多種數(shù)控加工的需求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知一般會(huì)選用濃度為5%～6%的乳化液進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。一般情況下，加工一段時(shí)間后，冷卻液中可能會(huì)混入一些雜物致使冷卻液輕微變質(zhì)，導(dǎo)致測(cè)出的冷卻液濃度出現(xiàn)“虛濃”現(xiàn)象，故而，在加工時(shí)，冷卻液濃度可提升至7%～8%以便于維護(hù)保養(yǎng)。

2.5 擠壓速度的確定

在擠壓螺紋加工中，Z軸的進(jìn)給量和主軸的旋轉(zhuǎn)角度保持同步關(guān)系，所以，主軸的轉(zhuǎn)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(nèi)，擠壓速度過(guò)小，會(huì)降低加工效率；擠壓速度過(guò)大，會(huì)使加工出的螺紋質(zhì)量低下。不同的廠家對(duì)擠壓絲錐的速度有不同的參數(shù)，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(jī)床型號(hào)及螺紋規(guī)格的前提下，能確定出兼顧螺紋孔質(zhì)量、生產(chǎn)效率、刀具壽命、主軸載荷能力以及機(jī)床安全的擠壓轉(zhuǎn)速。本文運(yùn)用正交試驗(yàn)對(duì)擠壓轉(zhuǎn)速進(jìn)行了工藝研究，確定出了合理的擠壓轉(zhuǎn)速；并選取了常用的小規(guī)格螺紋在LGMazak16A型加工中心上進(jìn)行了試驗(yàn)，加工材料選取銅合金，加工出了100個(gè)深度為5 mm的螺紋孔，并統(tǒng)計(jì)主軸平均負(fù)載及加工用時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，加工100個(gè)螺紋孔需用時(shí)17 min3 s，隨著主軸轉(zhuǎn)速的加快，加工100個(gè)螺紋孔用時(shí)逐漸減少，到主軸轉(zhuǎn)速上升至3 500 r/min時(shí)，加工100個(gè)螺紋孔僅需4 min26 s。由圖3可知，主軸轉(zhuǎn)速小于1 500 r/min時(shí)，曲線坡度較陡，即轉(zhuǎn)速對(duì)加工時(shí)間有較大的影響；隨著主軸轉(zhuǎn)速的加速，坡度逐漸變平緩，即轉(zhuǎn)速對(duì)加工時(shí)間的影響也逐漸趨于減??；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min時(shí)，曲線平緩，即轉(zhuǎn)速對(duì)加工時(shí)間的影響也逐漸趨于減小。就單個(gè)螺紋孔來(lái)說(shuō)，主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min和3 500 r/min的加工用時(shí)僅相差0.08 s。

表2 剛性攻絲轉(zhuǎn)速對(duì)主軸負(fù)載及用時(shí)影響

M2×0.4與M1.2×0.25螺紋孔變化規(guī)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(shí)更少。 M1.2、M1.4、M1.6、M2四種規(guī)格的螺紋孔用時(shí)相差隨轉(zhuǎn)速的提高而減小，轉(zhuǎn)速在500 r/min時(shí)，四種規(guī)格螺紋孔總用時(shí)相差5 min47 s，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到3 500 r/min時(shí)，總用時(shí)相差僅49 s。

在擠壓絲錐數(shù)控加工中，轉(zhuǎn)速過(guò)低，達(dá)不到生產(chǎn)效率；轉(zhuǎn)速過(guò)高則會(huì)使主軸還未達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，擠壓絲錐已攻到底，致使主軸負(fù)載過(guò)大，加工出的螺紋孔質(zhì)量較差。如:當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，主軸負(fù)載僅達(dá)到了最大負(fù)載的16%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)，則達(dá)到了最大負(fù)載的94%；所以，過(guò)高的轉(zhuǎn)速不僅容易折斷絲錐，而且機(jī)床主軸會(huì)因?yàn)樨?fù)載過(guò)大而損壞，而且擠壓絲錐在交變載荷作用下很容易產(chǎn)生疲勞失效[7]。

綜上所述，在能保證螺紋精度和主軸負(fù)載的情況下，應(yīng)盡可能地提高轉(zhuǎn)速以保證擠壓效率。從本文實(shí)驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)速應(yīng)在2 000 r/min以內(nèi)為宜。即M1.2、M1.4、M1.6、M2 加工轉(zhuǎn)速可分別取2 400 r/min、2 100 r/min、1 800 r/min、1 500 r/min。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)改進(jìn)工藝路線、分析冷卻液濃度、推算底孔直徑公式、統(tǒng)計(jì)攻絲用時(shí)及選擇刀具型號(hào)，最終得到了合理的工藝路線和優(yōu)化切削參數(shù)。

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

(2)在能保證螺紋精度和主軸負(fù)載的情況下，應(yīng)盡可能的提高轉(zhuǎn)速以保證擠壓效率。從本文實(shí)驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)速應(yīng)在2 000 r/min以內(nèi)為宜。即M1.2、M1.4、M1.6、M2加工轉(zhuǎn)速可分別取 2 400 r/min、2 100 r/min、1 800 r/min、1 500 r/min。