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[其他] 内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

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发表于 2016-4-17 03:32:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

        图1  螺纹副轴向力测试方法

        汽车轻量化的趋势使得镁合金材料的应用越来越多,但在某些应用场合,特别是需要采用螺栓进行连接时,其强度缺点成为软肋。本文简要介绍了普通切削内螺纹、挤压内螺纹以及自挤压成形内螺纹三种不同加工工艺的应用及其对应的螺纹副的轴向承载能力,为实际生产应用提供了有益的参考。
        随着能源价格的持续走高,车辆轻量化已是大势所趋,以轻质、可再循环和良好铸造性能为主要特点的镁合金等轻质合金,正是满足减轻汽车轻量化要求的理想材料,因此,镁合金在汽车上的应用正在逐渐增加。但镁合金也存在强度较低等缺点,特别是在需要采用螺栓进行连接的应用场合,螺栓头的下支承面及螺纹部分的应力较高,这种情况下,镁合金的螺栓连接及螺纹加工问题就显得更为突出。
        本文以牌号为AZ91D的镁合金材料为例,简要介绍普通切削内螺纹、挤压内螺纹以及自挤压成形内螺纹三种不同内螺纹加工工艺的应用,同时对比不同螺纹加工方法及其对应的螺纹副的轴向承载能力。本文举例中,螺纹副中的螺栓为M8×1.25,螺纹旋合长度为1.5d,即12 mm,螺纹副的轴向力测试采用图1所示的方法。
        普通切削螺纹
        业内最常用的普通内螺纹加工方法是使用普通丝锥攻螺纹。按螺纹标准规定,攻螺纹前的底孔直径应在内螺纹小径的极限尺寸范围内,若攻螺纹前底孔直径较小,则对丝锥切削工作十分不利,丝锥小径也可能参与切削并对金属产生挤压,使金属孔发生扩张,同时,加大切削力也容易折断丝锥。为此,应根据加工内螺纹工件的材料,采用不同的攻螺纹前的底孔直径,但是底孔直径必须大于内螺纹小径的最小尺寸。
        一般情况下,切削丝锥加工螺纹时底孔直径一般为:若螺距P<1 mm,则d0=d-(1.04~1.06)P;若P>1 mm,则d0=d-P。其中d0为钻头直径,d为螺纹公称直径,P为螺纹螺距。根据公式计算其底孔直径为φ6.69 mm,使用普通丝锥攻螺纹后其螺纹副的轴向承载能力见表1。
       

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

        挤压螺纹
        挤压螺纹技术是根据金属材料受力后发生塑性变形和流动的特性,在预制好的工件底孔上利用挤压丝锥加工出螺纹孔的方法。在挤压螺纹的过程中,由于丝锥牙尖的挤压,材料沿丝锥牙的两侧从大的螺纹根部挤向空间较小的螺纹顶部,与丝锥接触处的晶粒受力比螺纹牙心部的晶粒受力大,宏观表现在与挤压丝锥接触处晶粒的滑移量远大于心部滑移量,由此可见,挤压螺纹的过程表现为金属材料塑性变形的过程。
       

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

        图2  挤压前底孔直径与轴向载荷关系曲线
         

        挤压加工为无切屑加工,不会出现乱扣,不易出现偏摆,所以挤压出来的螺纹孔不会扩大,螺纹精度级别最高可达4H,螺纹表面粗糙度可达Ra 0.4~0.2 mm。挤压螺纹的金属组织纤维是连续的而不是切断的,因此,其强度比切削螺纹要高30%~40%,不仅如此,由于挤压的冷作硬化作用,螺纹表面硬度比心部还要高40%~50%,螺纹表面耐磨性优于切削螺纹。因其加工工艺是无屑加工,从根本上解决了攻螺纹的排屑等困难问题,同时更有利于螺纹的装配。
        挤压丝锥对底孔要求较高:底孔过大,基础金属量少,造成内螺纹小径过大, 强度不够;底孔过小,封闭挤压的金属无处可去,容易造成丝锥折断,因此,挤压前的底孔直径理论上应为d0=d-0.6 (d0为攻丝前底孔直径,d为公称直径,P为螺距)。实际上,由于螺帽材质不同,底孔直径应根据实际中的对比试验来确定底孔直径。根据公式计算及实际经验,我们最终确定底孔直径分别为φ7.33mm、φ7.30mm、φ7.26mm、φ7.23mm、φ7.20mm和φ7.15mm,使用挤压丝锥加工挤压内螺纹,其螺纹副的轴向承载能力见表2。
       

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

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        图3  自挤压成形螺钉

        在保持相同的螺纹旋合长度等其他条件不变的情况下,适当减小螺纹挤压前底孔直径可使螺纹副的轴向承载能力得到一定的提高,同时,经过试验,我们发现,选择合适的底孔直径能够使其轴向承载能力达到某一最大值。如图2所示,底孔直径从7.15~7.33 mm逐步增大,轴向载荷先增大后减小的趋势,说明:底孔直径过大,内螺纹小径过大,螺纹副接触面积小,其轴向承载能力相对较低;底孔直径过小,内螺纹牙形高度不够,挤压螺纹比较困难。可见,对挤压螺纹而言,合理的底孔直径非常重要。
        自挤压成形螺纹
        自挤压成形螺纹(见图3)属于一种直接螺钉连接技术,即在装配时,自挤压成形螺钉被旋入韧性金属材料导向孔的过程中螺纹自挤压成形,不需要额外的螺纹切削,这样可使得生成螺纹连接副的成本最多可降达85%。这种螺钉在螺钉杆末端三角形形状较明显,而在螺杆上端则只有轻微的三角形(见图3),这种设计便于螺钉的放置和最初的拧入,同时形成螺纹副的螺纹牙面完全重叠。自挤压螺纹副具有易于定位、螺纹成形力矩小、无屑加工、高抗松脱扭力、高抗振性、无需螺纹防松装置以及工艺可靠性高等优点,广泛应用于轻质金属的螺纹连接中。
       

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

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        图4  自挤压螺钉三角形横截面

        自挤压成形螺纹副的承载能力主要取决于工件挤压前光孔直径、工件厚度以及螺纹的啮合度等参数。在实际应用中,各种参数的优化需要通过试验确定。查阅相关资料,按照螺纹的正常啮合,取挤压前光孔直径分别为φ7.49 mm、φ7.41mm和φ7.37mm,使用自挤压成形螺钉旋入试样形成螺纹副,其螺纹副的轴向承载能力见表3。
       

内螺纹加工方法及其轴向承载力对比

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        总结分析
        通过表1、表2和表3中的数据对比可知:在相同的螺纹旋合长度下,挤压成形形成螺纹副的轴向承载能力最大,普通切削螺纹形成螺纹副轴向承载能力次之,而自挤压成形形成螺纹副轴向承载能力最小。
        挤压螺纹相对于自挤压成形其螺纹副承载能力提高了34.2%,而相对于普通切削螺纹其螺纹副承载能力提高了12.1%。表4所示为各种螺纹形成方法的最大轴向力比较结果。
        普通切削螺纹应用范围广、通用性好;挤压螺纹其强度高,螺纹副承载能力大,螺纹耐磨性能好;而自挤压成形螺纹生产成本低,防松性能好,装配工艺可靠。对比这三种螺纹,各有优缺点,在实际生产应用中该区别对待,扬长避短,发挥它们的最大优势。
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