1、超高强度钢小螺纹孔加工工艺研究李欣懋张潮春蔺广学邹 丞张明民唐 超犹安模(重庆红宇精密工业集团有限公司重庆)摘 要:目前超高强度钢在各领域的应用越来越广泛而在这类材料上加工小螺纹孔往往会产生断刀和乱牙等缺陷 为提高生产率降低生产成本急需研究出一种能够显著提高小螺纹孔质量的加工工艺 对超高强度钢上的小螺纹孔加工进行工艺试验首先在同一件试验件上采用 种不同的加工工艺分别加工 组 螺纹孔然后使用螺纹塞规对这 组螺纹孔进行检测可知热处理过程会对螺纹产生烧蚀并且丝锥无法在热处理后的螺纹底孔上加工出有效螺纹 对工艺试验所得到的工艺路线进行优化在热处理前使用手动成组丝锥中的锥加工螺纹热处理时对螺纹孔施加保护
2、措施热处理后使用手动成组丝锥中的锥加工螺纹最终所得到的小螺纹孔质量和加工效率都有了显著提升关键词:超高强度钢小螺纹孔加工工艺螺纹加工中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 李欣懋()男重庆云阳人硕士工程师研究方向:装备制造技术 引 言随着国际工业竞争日益加剧目前世界各国都开始加大工业战略部署中国更是提出了在 年建设成为世界工业强国的新时代目标 超高强度钢因具有刚度、韧性大材料回收利用率高、其结构件更加轻量化等特点广泛应用于汽车、家电、航空等民用品及军用品领域中 螺纹联接是零件在装配过程中最为常见的连接方式之一随着机械加工技术的不断飞跃制造业领域中的各类机械产品都朝着精密化
3、的方向发展因此小螺纹联接的应用也越来越广泛 但是在超高强度钢材料上加工小螺纹孔存在断刀和乱牙的风险轻者返工重者直接报废 因此深入研究超高强度钢上小螺纹孔的加工工艺对于提高生产率、降低时间和经济成本有着深远的意义 超高强度钢材料特性某产品所用材料为 低合金超高强度钢由于在其中加入了多种合金元素这些合金元素经热处理后能够使得固熔体强化此时内部金相组织多为马氏体具有良好的综合力学性能其主要化学成分及力学性能见表、表 表 主要化学成分(质量分数)成分最小值最大值 表 主要力学性能力学性能数值抗拉强度()屈服强度()伸长率()断面收缩率()冲击功()冲击韧性(/).工程与试验 .由表 可以看出 低合金超
4、高强度钢中的主要化学元素为、其中 能显著提高材料的强度、硬度和耐磨性同时还能增强其抗氧化性和耐腐蚀性 能使钢在具有较高的强度和硬度的同时还具有足够的韧性能提高钢的弹性极限和抗拉强度 由表 可以看 出 具有高强度、高韧性、高冲击韧性等特性因此目前在制造业中使用得愈加广泛 小螺纹孔加工方式及难点 小螺纹孔加工方式螺纹孔的加工一般是先加工螺纹底孔再加工螺纹 螺纹底孔直接用数控机床在零件相应的位置按孔深和孔径要求进行加工即可而对于加工小直径螺纹目前主要是用螺纹铣刀铣螺纹和用丝锥攻螺纹螺纹铣刀铣螺纹的原理是让螺纹铣刀在高速旋转时通过圆周运动产生螺纹小径、中径和大径通过轴向运动加工出螺距 其优点是螺纹铣刀
5、通用性好不受螺纹结构和旋向的限制螺纹牙形表面光亮、粗糙度低牙形饱满牙尖无残留的毛刺 然而螺纹铣刀在加工小螺纹孔时由于其螺纹底孔直径很小导致螺纹铣刀的长径比很大在加工螺纹时容易出现让刀现象使得螺纹中径最终呈现为锥形导致螺纹不合格严重时还可能发生断刀现象丝锥攻螺纹主要有机用丝锥攻螺纹和手动丝锥攻螺纹两种方式 机用丝锥需要借用数控设备进行加工而手动丝锥只需操作者借用一般夹具即可加工 采用丝锥加工螺纹的优点是丝锥的价格更低降低了产品加工成本并且在加工时不需要复杂的数控程序 而采用机用丝锥在高强度材料上加工小直径螺纹孔时由于螺纹底孔直径太小在机床上加工时无法及时排出切屑和添加切削液所以会经常出现丝锥折断
6、现象综上所述从经济成本和加工质量等多方面综合考虑对于超高强度钢上小直径螺纹孔的加工目前主要还是采用手动丝锥攻螺纹更加有效 小螺纹孔加工难点因为 具有超高强度和高韧性的特点所以采用手动丝锥加工小螺纹孔有一定的难度主要加工难点如下:()丝锥易磨损、耐用度低 因为超高强度钢的抗拉强度高和韧性好因此在使用丝锥攻螺纹的过程中丝锥与切屑的接触长度小导致丝锥头部应力集中使得丝锥刃口极易发生磨损或崩缺降低丝锥使用寿命()切削力大 超高强度钢的剪切强度高变形困难从而导致丝锥在攻螺纹时需要更大的切削力容易出现受力不均匀的情况极易发生断裂()切削温度高 因为超高强度钢的导热性差 并且小螺纹孔的螺纹底孔直径很小切屑都
7、集中在刃口附近很小的接触面内所以丝锥在攻螺纹时所产生的高热量无法有效排出使得丝锥刃口产生热龟裂或烧伤同时还可能烧蚀螺纹影响加工质量()排屑困难 由于超高强度钢具有良好的塑性和韧性所以在加工过程中所产生的切屑不易卷曲和折断从而导致切屑经常缠绕在丝锥上无法顺利排出螺纹孔丝锥在使用时易因为切屑堵塞而发生断裂综合而言采用手动丝锥加工超高强度钢上的小螺纹孔主要存在的风险就是丝锥磨损和断裂 因此探究出一种高效、稳定的超高强度钢小螺纹孔加工工艺能够有效保证产品质量提高生产效率 小螺纹孔加工工艺试验 试验准备根据某圆管形产品设计要求需要在材料为 的产品上加工 螺纹通孔并且要求在热处理后硬度达 以上 为满足 螺
8、纹孔加工需求本次工艺试验选择威亚卧式加工中心 加工螺纹底孔使用多用密封箱式炉进行热处理加工螺纹选择 手动成组丝锥(锥和锥)检验螺纹是否符合要求采用标准 螺纹塞规 试验方案本次工艺试验选择在材料为 的圆管形试验件上根据不同的加工工艺路线分别加工 组 螺纹孔每组螺纹孔有 个试验件结构图如图 所示图 试验件结构图(单位:)因为产品要求在热处理后硬度达 以上根据热处理手册本次试验的热处理工艺主要分为预热、淬火和回火 部分 为了能够探索出超高强度钢上 螺纹孔的加工质量以及热处理后是否会对 螺纹产生烧蚀本次工艺试验共选择了 种加工工艺路线每组 螺纹孔的加工分别对应一种加工工艺具体加工情况如表 所示表 组
9、螺纹孔加工工艺路线单位:工序 工序 工序 工序 工序 工序 工序 钻螺纹底孔攻螺纹检验热处理攻螺纹清丝检验第一组在第一组孔位置钻 螺纹底孔 使用手动成组丝锥(锥 和 锥)攻螺纹 使用螺纹塞规检验 螺纹孔通止情况使用陶瓷纤维绳对螺纹孔进行堵塞然后在堵塞后的螺纹孔内外表面 刷 防 渗 碳材料无使用手动成组丝锥中的锥进行清丝使用 螺纹塞规检验螺纹孔通止情况第二组在第二组孔位置钻 螺纹底孔 使用手动成组丝锥(锥 和 锥)攻螺纹 使用螺纹塞规检验 螺纹孔通止情况无保护措施无使用手动成组丝锥中的锥进行清丝使用 螺纹塞规检验螺纹孔通止情况.李欣懋等:超高强度钢小螺纹孔加工工艺研究续表工序 工序 工序 工序
10、工序 工序 工序 钻螺纹底孔攻螺纹检验热处理攻螺纹清丝检验第三组在第三组孔位置钻 螺纹底孔 无检验孔径 无保护措施使用手动成组丝锥(锥 和 锥)攻 螺纹无使用 螺纹塞规检验螺纹孔通止情况第四组在第四组孔位置钻 螺 纹 底 孔 无检验孔径 无保护措施首 先 扩 孔 至 再使用手动成组丝锥(锥 和 锥)攻 螺纹无使用 螺纹塞规检验螺纹孔通止情况 从表 可以看出第一组和第二组 螺纹孔的加工工艺路线一致区别是在热处理前对第一组孔采取了保护措施而第二组孔在热处理前未采取保护措施这主要是为了观察螺纹孔在进行热处理时施加保护措施是否会对螺纹烧蚀产生影响第三组和第四组 螺纹孔加工工艺路线的主要区别在于第三组孔
11、在热处理前将螺纹底孔加工到位热处理后直接攻螺纹而第四组孔在热处理前未将螺纹底孔加工到位留了 的余量热处理后先进行扩孔将螺纹底孔加工到位然后才进行攻螺纹 这两组孔主要是为了探究热处理后螺纹底孔内壁产生的氧化皮是否会影响后续攻螺纹第一、二组和第三、四组 螺纹孔加工工艺路线的主要区别在于第一、二组孔在热处理前就已经将螺纹攻到位而第三、四组孔是在热处理后才将螺纹攻到位这主要是为了验证热处理过程是否会对螺纹最终质量产生影响 试验结果及分析试验方案确定之后开始对试验件进行加工 根据不同的工艺路线加工每组 螺纹孔最终加工完成后的试验件如图 所示图 加工完成后的试验件根据 普通螺纹量规与检验标准中对于内螺纹的
12、检测规定止规检测内螺纹时不允许进入 牙当产品的内螺纹总共小于 牙时则止规不允许进入 所有 螺纹孔加工完成后即可使用标准 螺纹塞规对螺纹孔进行检测检测结果如表 所示表 组 螺纹孔检测结果热处理前通端止端热处理后通端止端第一组有 个孔丝锥断裂其余孔通端合格有 个孔止端进入 牙其余孔止端均进入 牙以下有 个孔丝锥断裂其余孔通端合格有 个孔止端进入 牙其余孔止端均进入 牙以下第二组无丝锥断裂情况所有孔通端合格有 个孔止端进入 牙其余孔止端均进入 牙以下无丝锥断裂情况所有孔通端合格有 个孔止端进入 牙其余孔止端均进入 牙以下第三组检验合格锥无法攻动最多进 左右不能攻出有效螺纹有 个孔丝锥断裂第四组检验合
13、格锥无法攻动最多进 左右不能攻出有效螺纹有 个孔丝锥断裂 从表 的螺纹孔检测结果可知第一组和第二组 螺纹孔在热处理前的螺纹检测结果基本一致而因为第一组孔在热处理前采取了保护措施第二组孔在热处理前无保护措施所以第一组孔在热处理后的检测结果与热处理前基本一致第二组孔热处理后的检测结果与热处理前相比螺纹合格率显著下降 由此可见螺纹孔在热处理前施加保护措施能够使得螺纹在热处理时不会被烧蚀同时也可以看出热处理产生的高温对螺纹质量影响较大从第三组和第四组 螺纹孔在热处理后攻螺纹的情况可知热处理使得 的硬度达 以上后手动成组丝锥基本无法攻出有效螺纹并且丝锥在攻第三组螺纹孔时断裂的概率远高于攻第四组螺纹孔这是
14、因为第三组底孔直径在热处理前已经加工到位而第四组底孔直径在热处理后才加工到位说明热处理产生的氧化皮对于丝锥攻螺纹有很大的影响很容易造成丝锥断裂由检测结果可知对于超高强度钢上小螺纹孔的加工在热处理前将螺纹加工到位并且在热处理时施加保护措施最后进行清丝即可 通过这种工艺路线加工出来的螺纹孔整体质量较好但还是有少数螺纹质量不满足要求需要找到一种能够使绝大多数螺纹都能符合要求的更优的工艺路线 工艺优化根据之前工艺试验所得到的结果可知攻螺纹必须在热处理之前进行 本文所选择的手动 成组丝锥分为锥和锥可以探究在热处理前用锥攻螺纹在热处理后用锥攻螺纹这种工艺路线的可行性 优化后的螺纹孔加工工艺路线如表 所示工
15、程与试验 .表 优化后 螺纹孔加工工艺路线单位:工序 工序 工序 工序 工序 钻螺纹底孔攻螺纹热处理攻螺纹检验加工方法在试验件中间位 置钻螺纹底孔 使用手动 成组丝锥中锥攻螺纹热处理前使用陶瓷纤维绳对螺纹孔进行堵塞然后在堵塞后的螺纹孔内外表面刷防渗碳材料使用手动 成组丝锥中锥攻螺纹使用 螺纹塞规检验螺纹孔通止情况 根据上述工艺路线在与之前结构相同的试验件中部加工 个 螺纹孔然后使用标准 螺纹塞规对螺纹孔进行检测最终的检测结果如表 所示 由检测结果可知采用在热处理前用锥攻螺纹、热处理后用锥攻螺纹的工艺路线最终加工出来的 螺纹孔合格率较之前显著提升基本上所有螺纹孔质量都能满足连接要求 因此本次优化
16、后的工艺路线能够明显提升超高强度钢上 小螺纹孔的加工质量并且能广泛运用于后续生产表 工艺优化后 螺纹孔检测结果检测结果通端所有孔通端都合格止端所有孔止端均进入 牙以下 结 语通过对超高强度钢上小螺纹孔加工工艺进行研究最终所得结论如下:()若小螺纹孔的螺纹在热处理之前加工完成且在热处理过程中没有对螺纹施加保护措施则热处理过程会对螺纹产生烧蚀()若在热处理之前只加工了螺纹底孔没有加工螺纹则热处理之后基本无法用手动丝锥加工出有效螺纹并且丝锥还很容易断裂在螺纹底孔中()在热处理前用手动成组丝锥中的锥攻螺纹热处理时施加保护措施保护螺纹在热处理后用手动成组丝锥中的锥攻螺纹最终所得到的小螺纹孔质量以及加工效率都取得了显著提升参考文献毛爽军.以下小内螺纹的加工方法分析.机械工程师():.屈旭琪李晓波王联融等.高硬度材料小直径螺纹铣削技术.金属加工(冷加工)():.吴东.钛合金小直径螺纹攻丝研究.机械制造():.管益辉张一然刘万等.分体式轴箱体螺纹孔加工工艺研究与优化.世界制造技术与装备市场():.李志虎白文召.小螺纹孔系的加工工艺研究.机电元件():.(上接第 页)小一个数量级 某型前起落架静强度试验
