上海民舜精密分享：挤压丝锥的工艺优化与应用

挤压丝锥主要加工特点有：①由于螺纹被挤压，攻丝过程扭矩大，使被加工螺纹产生加工硬化，从而提高了螺纹强度；②攻丝过程不会产生切屑，避免了由于堵屑造成丝锥断裂；③加工的内螺纹孔精度高；④适合加工有色金属、合金及有良好塑性、韧性的材料，使用寿命长等。相对于切削丝锥而言，挤压丝锥由于加工原理不同，在攻丝过程中易产生较大扭矩，导致切削负载较重。容易造成被加工螺纹孔粗糙度差、丝锥粘屑、磨损严重和断裂等一系列问题，严重影响使用寿命。为改善并有效解决上述问题，提高挤压丝锥的使用寿命尤为必要。

提高挤压丝锥使用寿命的方法主要是从结构参数设计和工艺优化两方面进行。丝锥螺纹牙型通常按照GB/T 192《普通螺纹基本牙型》中规定的平顶平底牙型设计。由于切削丝锥是通过去除工件材料的方式加工出内螺纹，平顶平底牙型不会增加攻丝扭矩；而挤压丝锥通过让工件材料产生塑性变形加工出内螺纹，平顶平底牙型因为齿顶存在尖角，材料塑性流动不畅，攻丝扭矩大，易造成丝锥牙顶易磨损、粘屑、断裂等问题。

本文以挤压丝锥M10×1为研究对象，将丝锥螺纹牙型设计成圆顶圆底形状，增加去除挤压锥处不完整齿形和增加螺纹表面抛光处理等工艺方法，并通过客户现场切削试验的方式对改进的螺纹牙型和制造工艺等进行验证，为进一步改善挤压丝锥攻丝时粘屑、磨损快等问题，并延长丝锥使用寿命提供更有效的工艺优化方法。

1挤压丝锥工艺优化

(1)螺纹牙型优化

国家标准GB/T 192《普通螺纹基本牙型》中规定普通螺纹基本牙型为平顶平底形状(见图1)，是目前应用最广泛的螺纹牙型。其主要优点是螺纹牙型结构简单，丝锥的螺纹工艺性好；缺点是丝锥螺纹牙顶牙底存在尖角，易引起使用过程中的应力集中，降低丝锥的强度和疲劳强度，并且在螺纹尖角处易产生磨削毛刺，加剧涂层剥落和丝锥磨损。本文将挤压丝锥螺纹牙型设计成圆顶圆底形状，符合国标普通螺纹的螺纹公差和检测要求。自主开发了磨削圆顶圆底螺纹的砂轮修整方法，实际加工出的丝锥螺纹牙型如图2所示。

(2)去除不完整齿

除对牙型设计优化外，还对挤压丝锥的制造工艺进行了相应的优化。选择适当的加工工艺有效去除挤压锥最前端不完整齿，这对提高被加工孔螺纹光洁度、降低攻丝扭矩和提高丝锥使用寿命非常重要。在数控螺纹磨床上采用适当修整砂轮齿顶宽度的方法将挤压锥前端不完整齿去除，一般将不完整齿修到低于中径尺寸即可(见图3)。

 国标基本牙型

 圆顶圆底牙型

(a)不完整齿

(b)去除不完整齿 不完整齿去除前后对

(3)钝化抛光处理

采用机械接触磨削钝化方式对挤压丝锥表面进行钝化抛光处理。其主要工艺方法是将丝锥螺纹部分全部伸入研磨粉中，并让丝锥在研磨粉中自转和公转，通过设定转向、转速和时间，使丝锥达到抛光钝化的目的。如图4所示，经过钝化抛光的丝锥螺纹部分更顺滑、光亮、无毛刺。

(a)未钝化抛光

(b)已钝化抛光

丝锥螺纹钝化抛光前后对比

2试验结果与分析

(1)试验条件

为了更好地将改进工艺的挤压丝锥应用于实际，以加工某客户的汽车用管接头产品为研究对象(见图5)，选用挤压丝锥M10×1，精度6HX，含钴高速钢M35，TiAlN涂层。

试验加工机床为数控车床。使用ER夹头刚性装夹，单支丝锥卧式攻丝，切削油外冷方式。被加工材料牌号为15号钢，硬度＜20HRC，加工盲孔，工件底孔直径9.5mm，底孔深度9.5mm，攻丝深度7.5mm，攻丝转速n=475r/min。以被加工工件螺纹孔光洁度和塞规检测为依据判断丝锥使用寿命，螺纹塞规精度为6H。

 汽车用管接头

(2)试验结果与分析

对挤压丝锥的螺纹牙型、去不完整齿和钝化抛光等几个关键工序工艺进行了对比试验研究，采用单因素试验方法，具体工艺方案如表1所示，A-D每种丝锥各准备5件进行切削试验。

表1  不同工艺优化对比方案

①螺纹牙型的影响

A和B两种不同螺纹牙型的挤压丝锥在攻丝时，B丝锥在连续加工时，机床主轴负载为10%左右。当加工500-2300件工件时，螺纹表面均出现粘屑情况。被加工工件螺纹孔烂牙严重，螺纹完全被破坏，未达到螺纹加工要求而失效(见图6)。A丝锥在连续加工时，机床主轴负载平均为5%左右，攻丝过程中并无粘屑情况出现，加工的螺纹孔表面光洁度高(见图7)。而且丝锥加工寿命稳定性好，平均加工寿命在7000件以上，由于通规不过而失效。A型和B型丝锥加工寿命对比如图8所示。

(a)粘屑

(b)螺纹孔烂牙

6  B型丝锥的失效型式

②不完整齿的影响

C型丝锥未去除不完整齿。经过切削对比发现，丝锥连续加工的主轴负载均在8%左右，平均寿命能达到4000-5500件。攻丝过程中，在丝锥挤压锥不完整齿处易出现缺口、破损等情况而失效，如图9a、图9b所示。加工出的工件螺纹孔口、孔内均易产生毛刺，并会加快丝锥螺纹部分磨损，如图9c、图9d所示。

(a)无粘屑

(b)螺纹孔光亮

A型丝锥加工的内螺纹

  两种不同牙型丝锥寿命对比

(a)翻边

(b)破损

(c)丝锥螺纹磨损

(d)螺纹孔内毛刺

 C型丝锥的失效型式

③钝化抛光的影响

D型丝锥未经钝化抛光处理。丝锥连续加工的主轴负载均在11%左右，A型与D型丝锥攻丝受力及扭矩对比如图10所示，D型丝锥攻丝扭矩比A型丝锥增大了约50%。经过寿命试验发现，D型丝锥加工稳定性差，使用寿命在2500-5000件左右，被加工螺纹孔易产生毛刺，有被挤压痕迹，螺纹孔内表面光洁度差导致丝锥失效，如图11所示。而A型丝锥寿命能稳定在7000件以上，工件螺纹孔内并无毛刺产生，表面光洁度正常(见图7)。

(a)未钝化抛光(D)

(b)已钝化抛光(A)

 A型与D型丝锥攻丝扭矩对比

(a)螺纹孔口毛刺

(b)螺纹孔内毛刺、被挤压

  D型丝锥失效型式

经过客户现场实际应用发现，通过采用优化螺纹牙型、去除不完整齿和钝化抛光处理等工艺路线，能有效改善被加工件螺纹孔光洁度，提高丝锥加工稳定性和使用寿命。这几种不同工艺路线的优化，对挤压丝锥的生产和产品质量提升提供参考。

采用不同工艺方法优化挤压丝锥，通过切削对比试验可发现，挤压丝锥在制备过程中可以通过优化螺纹牙型、去除不完整齿形和增加钝化抛光等工艺减少粘屑的产生，降低攻丝扭矩，防止螺纹快速磨损，改善螺纹孔表面质量，并提高丝锥使用寿命和稳定性，为解决挤压丝锥攻丝难题找到了更适合的工艺方法。