内螺纹冷挤压.pdf

Q460 高强度钢内螺纹冷挤压试验研究*缪 宏1,2左敦稳2张瑞宏1王 珉2(1.扬州大学机械工程学院 扬州 225000；2.南京航空航天大学机电学院 南京 210016)摘要：传统的内螺纹冷挤压加工仅适合于强度低、塑性好的有色金属以及低碳钢的加工，而飞机、高速列车等关键部件的内 螺纹需采用高强度钢进行加工。针对高强度钢内螺纹的冷挤压加工过程中，润滑液的选择、挤压速度、工件底孔直径、挤压 次数等加工条件对丝锥的磨损与折断以及内螺纹的加工质量影响很大的问题，通过对Q460高强度钢内螺纹冷挤压过程的试 验研究，分析了润滑液、工件底孔直径、挤压速度与挤压次数对挤压扭矩与挤压温度的影响，并优选工艺参数获得理想的内 螺纹，为进一步提高内螺纹的表面质量和疲劳性能提供新的依据。试验结果表明，Q460 高强度钢内螺纹冷挤压加工宜采用一 次成形工艺，选用黏度值在 1012 的流体薄油膜润滑液进行冷却润滑，工件底孔直径最佳取值范围在 d21.20mm d 21.30mm之间，一般选取的挤压速度为 3060mmmin1。关键词：内螺纹 挤压 扭矩 温度 测试系统 中图分类号：TG376.2ExperimentalResearchonCold ExtrudingofInternal Thread inQ460HighStrengthSteelMIAOHong1,2ZUODunwen2ZHANGRuihong1WANGMin2(1.CollegeofMechanicalEngineering，YangzhouUniversity,Yangzhou2250002.MechanicalEngineeringInstitute,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016)Abstract：Traditionalcoldextrusionprocess of internalthread isonlyfitforprocessing lowintensity andhigh plasticity metals suchasnonferrousmetalsand lowcarbonsteel.Buttheinternalthread ofthekeyparts suchasairplaneandhighspeed train isprocessedwithhighstrengthsteel.Duringcoldextrudinghighstrengthsteelinternalthread,theeffectoflubricant,holediameter,extrusionspeedandnumbertimesofextrusiononwearandfractureofthetapandmanufacturingqualityoftheinternalthreadisgreat.Theprocess of cold extrusion of Q460 highstrengthsteel internal thread is studied through experiments.The effect of lubricant,holediameter,extrusionspeedandnumbertimesofextrusiononextrudingtorqueandextrudingtemperatureisanalyzed.Andtheidealinternalthreadisobtainedthroughoptimizingtechnologicalparameters.Itprovidesthefoundationforincreasingthesurfacequalityandthefatiguepropertyofinternalthread.ThetestresultsshowthatQ460highstrengthsteelinternalthreadisformedbycoldextrusionthroughonestepformingtechnology.Thefluidicthinfilmlubricationwhoseviscositynumberisbetween10and12wasselected.Thebestrangeofholediameteroftheworkisbetweend21.20mmandd21.30mm.Andtherotatespeedofthemachinetoolis oftenselectedbetween 30 mmmin1and 60mmmin1.Keywords：Internal thread Extrusion Torque TemperatureQuality0 前言*高强度钢是飞机、高速列车等的重要承力部件，国家高技术研究发展研究计划资助项目(863 计划，XK1468859)。*收到初稿，*收到修改稿 在安全的行驶过程中担负着极其重要的使命。随着 高强度钢在近、现代飞机、高速列车等设计中的作 用日益突出，设计人员面临着新的挑战，需要设计 出最为安全的机构。它们的许多零件采用螺栓连接，安装螺栓在行驶过程中会承受强大的交变剪切载 荷，因此螺纹连接的可靠性对机构的使用寿命起着至关重要的作用。采用内螺纹冷挤压成形工艺净成形是当今飞 机、高速列车等抗疲劳加工的一个发展趋势。其优 势在于能够在内螺纹表面和次表面中保存冷作硬化 状态，这不仅可以提高材料的强度和硬度，而且可 以提高内螺纹的疲劳寿命。传统的内螺纹冷挤压加 工仅适合于强度低、塑性好的有色金属以及低碳钢 的加工。而飞机、高速列车等采用高强度钢系列进 行加工，它不仅具有较高强度，而且具有良好的断 裂韧性，但缺口敏感性大，易形成应力集中，对氢 脆和应力腐蚀很敏感，因此，要获得良好的抗疲劳 性必须通过合理的加工工艺来提高螺纹的加工精度 和表面质量。目前，国内外在此领域的研究主要集 中工艺参数对冷挤压内螺纹表面性能的影响 1-2。虽 然，徐九华等3、王珉4将内螺纹冷挤压技术应用在 高强度钢，研制出了扭矩与温度测量系统，但并未 对工艺参数对冷挤压内螺纹质量与在线测量信号的 影响展开具体的研究。在内螺纹冷挤压的过程中，润滑液、挤压速度、工件底孔直径、挤压次数等加工条件对丝锥的磨损 以及内螺纹的加工质量影响很大，本文以Q460高 强度钢为例，通过试验研究内螺纹的冷挤压工艺特 性，研究加工条件对内螺纹挤压过程中挤压扭矩与 挤压温度的影响，优选工艺参数获得理想的内螺纹 加工工艺，为冷挤压内螺纹技术的推广应用奠定基 础。1 试验材料与方法 试验材料采用首钢新钢有限责任公司特钢部生 产的Q460高强度钢，直径为d35mm，其化学成分见 表1。取三个拉伸试样按GB/T22820025进行室温拉 伸试验，得到室温力学性能为：抗拉强度(b)为570MPa，屈服强度(0.12)为410 MPa，断后伸长率(5)为27%，断面收缩率()为45%。表 1 Q460 高强度钢的化学成分 元素 碳C硅Si锰Mn磷P硫S铬Cr镍Ni质量分数w/%0.140.351.450.0080.0040.460.27试验在国产6250机床上进行M221.5 mm内螺 纹的冷挤压加工，如图1所示。挤压丝锥为Q460钢 专用冷挤压丝锥，结构为圆锥式棱齿结构，丝锥材 料为HSS高速钢，表面进行氮化铝钛处理。内螺纹 挤压成形具体的工艺参数为：挤压速度为1575mmmin1，加工螺纹长度为20 mm，试样底孔直径d21.15 mmd21.40 mm，采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)润滑液对挤压丝锥进 行润滑。图 1 内螺纹冷挤压过程图 高强度钢内螺纹冷挤压过程中扭矩与温度的测 试系统如图2所示。采用空心圆轴式扭矩传感器测量 内螺纹挤压过程中所产生的扭矩，温度采用热电偶 测温法来测量。在测量时，将K型热电偶插入工件 孔内，并直接固定在三爪卡盘上，热电偶的两极通 过车床主轴尾部集电装置引出接入XMT3000工业 控制/调节器，可以直接得到热电偶所测温度。扭矩 传感器安装在扭矩夹持装置中部，加工过程中的传 感器信号经恒流适调器输出后直接输入数据采集卡 的数据采集通道，在测量计算时须确定校正因子，将校正因子输入到随机信号与扭矩分析系统软件 中，通过计算机即可输出测点的扭矩值 6-8。图 2 测试系统示意图1.机床 2.工件 3.挤压丝锥 4.K型热电偶 5.空心圆轴式扭矩传感器6.尾座 7.专用扭矩夹持装置 测试系统中扭矩传感器采用电阻应变式传感元 件，该传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。电桥应变片选用BF350HA(23)应变 片，其标称电阻值为350，灵敏度系数为2.0，在 弹性轴上间隔90 处粘贴四个与轴线成45 的电阻 应变片，测点布置如图3a所示，图3b为它的展开图，轴上应变片组成如图3c所示电桥 9-10。(a)测点布置图(b)扭矩夹持装置上应变片展开图(c)扭矩传感器电桥 图 3 扭矩测量装置 图中M 扭矩R1、R2、R3、R4扭矩传感器电桥的电阻ui、u0扭矩传感器电桥的电压2 试验结果与分析讨论2.1 工件底孔直径的影响工件底孔直径的影响 据冷挤压成形机理 4，在高强度钢内螺纹冷挤 压加工过程中，塑性变形量的大小主要由工件的底 孔尺寸确定，底孔尺寸的选择不仅直接影响到内螺 纹挤压表面的质量,而且关系到挤压过程是否能顺 利进行，合理选择底孔尺寸能避免工件的报废和延 长丝锥使用寿命。由塑性成形理论可知,在冷塑性加工高强度钢 材料的情况下,金属的密度和体积是不变的,所以 挤压螺纹的底孔尺寸可以由式(1)确定00.067 7(145)0.004 5ddhPh=+(1)式中 d 内螺纹大径d0工件底孔直径P为螺距 为螺纹牙高率可由下式确定at100%hhh=(2)式中 ht 为标准牙高h实际牙高 图4为根据不同底孔直径冷挤压加工后内螺纹 牙高与牙高率的测量结果，图中牙高是将挤压加工 后的试样沿螺纹法向切取一小块试样，采用工具显 微镜测量其牙高。图5 为工件底孔直径对挤压扭矩 的影响曲线图，图6为工件底孔直径对挤压温度的 影响曲线图。图 4 工件底孔直径对冷挤压内螺纹牙高与牙高率的影响 图 5 工件底孔直径对挤压扭矩的影响21.1521.2021.2521.3021.3521.408090100110120130140150挤压温度T/C工件底孔直径d0/mm图 6 工件底孔直径对挤压温度的影响 由图所示，当工件底孔直径为 d21.40mm 时，冷挤压后内螺纹的牙形高度明显不足，牙高只有1.103mm，牙高率不到67.53%，此时，工件选择 的底孔直径明显偏大，这样就不能保证挤压螺纹的 最小高度，使工件成为无可挽救的废品,达不到螺 纹强化增寿的效果。随着工件底孔直径的减小，挤 压扭矩与挤压温度呈明显上升趋势，冷挤压内螺纹 牙高的增加趋势放缓，从而导致其牙高率的增加趋 势也放缓。当工件底孔直径为d21.30mm时，冷挤 压后内螺纹的牙形高度达到1.232 mm，牙高率率 达到82.13%，完全符合螺纹质量要求。而当工件 底孔直径为d21.20mm 时，冷挤压后内螺纹的牙形 高度增加到1.427mm，牙高率率增加到95.13%，牙高与牙高率增加幅度不是太大，而挤压扭矩与挤 压温度急剧增大，挤压扭矩达到 203 Nm，挤压温 度达到121。当工件底孔直径为d21.15mm 时，冷挤压后内螺纹的牙形高度达到极限，牙形高度为1.495mm，牙高率为99.67%，挤压扭矩与挤压温 度也达到最大值，而牙顶部出现的缺肉现象基本消 失，此时，工件选择的底孔直径偏小，挤压丝锥的 螺纹牙形间没有空间来容纳挤压变形的多余金属。因此，在确定冷挤压内螺纹的底孔直径最佳值 时，要考虑到挤压后所得的内径，以及螺纹牙形高 度能在有关标准所规定的公差范围内。在正确保证 螺纹质量和丝锥寿命的前提下应尽可能取最大值。一般情况下没有必要过分求最高的牙高与牙高率，即选择太小的底孔直径，否则将给高强度钢内螺纹 成形带来许多困难。试验结果表明高强度钢冷挤压 内螺纹的工件底孔直径最佳取值范围在d21.20mmd21.30mm之间。2.2 挤压速度的影响挤压速度的影响 图7为挤压速度对挤压扭矩的影响，由图可知，挤压速度在1530mmmin1时，挤压扭矩出现一个 波动趋势，这是由于挤压速度过低，工件和丝锥的 接触时间较长，温度下降较多，金属屈服强度增大，所需挤压扭矩就会增大；当挤压速度在 3060mmmin1时，挤压扭矩的变化不大，当挤压速度超 过75 mmmin1后，挤压扭矩呈显著增加趋势，这 是由于挤压速度过高，会加剧挤压丝锥的磨损，引 起挤压扭矩的升高。图8为挤压速度对挤压温度的 影响，由图可知，随着挤压速度的增加，挤压温度 迅速升高，过高的挤压速度会影响螺纹的表面质量。图 7 挤压速度对挤压扭矩的影响6080100120140160180200220240挤压温度T/C挤压速度v/(mmmin1)0306090120150图 8 挤压速度对挤压温度的影响 图9为不同挤压速度下螺纹的牙面形貌。如图9a与图9b所示，挤压速度过高时，螺纹牙面上就 会出现了许多缺陷以及连续或不连续直线状的沟 槽，表面质量较差，这是由于过高的挤压速度使螺 纹表面局部过热，引起表面烧伤，在高温条件下，丝锥与工件表面会产生粘结作用，使表面形成缺陷，脱落的碎屑在挤压作用下在表面上形成许多连续或 不连续直线状的沟槽。随着挤压速度的降低，减少 了螺纹牙面上的缺陷与直线状沟槽，变得较为平坦，如图9c 所示，这说明螺纹牙面平整性与挤压速度有 关。(a)挤压速度为150mmmin1(b)挤压速度为60mmmin1(c)挤压速度为37.5mmmin1(d)挤压速度为15mmmin1图 9 不同转速下螺纹的表面形貌（SEM）因此，挤压速度只能在低速范围内取值，但挤 压速度过慢，工件和丝锥的接触时间较长，挤压变 形区温度下降较多，金属屈服强度增大，所需挤压 力增大，扭矩就会增大，螺纹成型效果也会变差（如 图9d 所示），故挤压速度也不能太小。一般选取的 挤压速度为3560mmmin1，能获得比较好的内 螺纹。3.3 冷却润滑液的选择冷却润滑液的选择 在用塑性变形方法加工高强度钢内螺纹的过程 中，所加的外力消耗在工件材料塑性与弹性变形做 功上，以及克服挤压丝锥与工件材料变形表面之间 的摩擦力等上面。采用合适的冷却润滑液不仅能够 减小工件与丝锥之间的摩擦，使挤压力显著下降，而且还能提高丝锥的工作寿命。图 10 显示不同冷却润滑液的挤压扭矩与挤压 温度，表2为不同冷却润滑液的黏度值。由图所示，随着冷却润滑液黏度的增大，挤压扭矩与挤压温度 呈增加的趋势。可以看出，流体薄油膜润滑有利于 降低摩擦阻力，减少热生成。厚油膜在压力作用下，不利于丝锥对工件的充分挤压，使工件表面容易咬 焊、粘着，影响螺纹的加工质量。(a)挤压扭矩10#20#30#PDMS020406080100120140160180200挤压温度T/C不同冷却润滑液 n(b)挤压温度 图 10 不同润滑条件下的挤压扭矩与挤压温度 表 2 不同冷却润滑液的黏度值 类型40 时黏度/(mm2s)10#机油1220#机油2330#机油32PDMS聚二甲基硅氧烷冷却润滑液103.4 挤压次数的影响挤压次数的影响 图11为挤压对挤压扭矩的影响，图中显示随着 挤压次数的增加，挤压扭矩呈明显下降趋势。图12为挤压次数对挤压温度的影响，挤压温度的变化趋 势与挤压扭矩的变化趋势类似，随着挤压次数的增 加，挤压温度同样呈明显下降的趋势。这表明，在 此基础上进行的二次与三次挤压，表面层金属的塑 性变形已经基本慢慢趋向稳定，所产生的金属变形 抗力就会减小，导致变形功的降低，从而引起挤压 扭矩与挤压温度的降低。图 11 挤压次数对挤压扭矩的影响123020406080100120140160挤压温度T/C挤压次数c图 12 工件底孔直径对挤压温度的影响 当挤压次数增加时，螺纹表层金属会不断产生 塑性变形和形变硬化，但试验材料有一定的冷加工 性能，超过极限后螺纹表层金属就会产生裂纹，如 图13所示。因此，对于 Q460高强度钢而言，无论 从效率还是从螺纹表面质量考虑，一般都以一次挤 压为宜，但对于应变硬化效应小的其他材料，可以 适当增加挤压次数。图 13 超过极限后内螺纹的表层组织结构(SEM)3.5 对挤压丝锥的影响对挤压丝锥的影响 在试验过程中，工件底孔直径过小，挤压速度 过快，冷却润滑液黏度过大，均会引起丝锥与工件 直接咬合而断裂的现象，如图14所示。图15为由 此断裂丝锥的断口形貌的 SEM 照片，图中显示断 口垂直于轴线方向，心部低，周围高，断口呈杯锥 状。图 14 断裂丝锥（30#）图 15 断裂丝锥的断口形貌的 SEM 图4 结论(1)正确确定内螺纹底孔直径时，要考虑到挤压 后所得的内径，以及螺纹牙形高度能在有关标准所 规定的公差范围内。一般情况下没有必要过分求最 高的牙高与牙高率，选择太小的底孔直径，将大大增加挤压过程中的扭矩与温度，给内螺纹成形带来 许多困难。(2)挤压速度过高会使螺纹表面局部过热，引 起表面烧伤，丝锥与工件表面会产生的粘结作用，会使表面形成缺陷。挤压速度只能在低速范围内取 值，但挤压速度过慢，工件和丝锥的接触时间较长，温度下降较多，金属屈服强度增大，所需挤压力增 大，扭矩就会增大，螺纹成型效果也会变差，故挤 压速度也不能太小。(3)采用流体薄油膜润滑能够减小工件与丝锥 之间的摩擦，使挤压扭矩与挤压温度显著下降，从 而能够提高丝锥的工作寿命与螺纹的加工质量。(4)随着挤压次数的增加，挤压扭矩与挤压温 度呈明显下降趋势，而超过极限后螺纹表层金属就 会产生裂纹。参 考 文 献1 缪宏，左敦稳，汪洪峰，等.冲击载荷对飞机起落架螺 纹连接的影响J.冲击与振动，2010,2(29)：208212.MIAO Hong，ZUO Dunwen，WANG Hongfeng，et al.Effectonthethreadconnectionofaircraftlandinggearbythe impact loadJ.JournalofVibrationandShock，2010，2(29)：208212.2 许晓静，张雪峰，刘桂玲，等.等通道转角挤压下变形体 长度对应力的影响及开裂判据分析J.机械工程学报，2008，1(44)：223226.XU Xiaojing，ZHANG Xuefeng，LIU Guilin，et al.Workpiece lengthofthe effectonstressandanalysis ofcrackingcriterionunderequalchannelangularpressingJ.JournalofMechanicalEngineering，2008，1(44)：223226.3 徐九华，王珉，金问林，等.300M钢制内螺纹冷挤压研 究J.航空学报，1993，10(14)：557559.XUJiuhua，WANGMin，JINWenlin，etal.Study oncoldform tapping of internal threads of superhigh strengthsteelsJ.ActaAeronauticaEtAstronauticaSinica，1993，10(14)：557559.4 王珉.抗疲劳制造原理与技术M.江苏：江苏科学技术出 版社，1998.WANG Min.Principle and technology of antifatiguemanufactureM.Jiangsu：JiangsuScienceandTechnologyPublishingHouse,1998.5 蒋联民，胡湘红.Q460高性能钢表面裂纹的分析J.宽厚 板，2007,1(13):1923.JIANGLianmin，HUXianghong.Analysisonthesurfacecracks ofhighperformance Q460/Z35plateJ.Wide andHeavyPlate，2007，1(13)：1923.6 徐春广，王信义，肖定国.切削状态在线监测的新方法J.北京理工大学学报，1994(2)：4820.XU Chunguang，WANG Xinyi，XIAO Dingguo.Anewmethodforthe online monitoringof toolstateJ.JournalofBeijingInstituteofTechnology，1994(2)：4820.7 郑建明，李言.一种新的小波分维数及其在钻头磨损监测 中的应用J.西安理工大学学报，2006，22(2)：128131.ZHENGJianming，LIYan.Anewwavelet fractal dimensionanditsapplicationindrillwearmonitoringJ.JournalofXianUniversityofTechnology，2006，22(2)：128131.8 YANG Zhaojun，TAN Qingchang，E Shiju.OnlinemonitoringofdrillingtorquesofmicrodrillsJ.JournalofEngineeringmanufactureproceedingspartB，2004，3(218)：17351740.9LEE L Y，TARNG YS.Drill fracture detection by thediscretewavelettransformJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology，2000，1(99)：250254.10HIEBERTSF，CHINNAMRB.RoleofartificialneuralnetworksandwaveletsinonlinereliabilitymonitoringofphysicalsystemsJ.ProceedingsoftheInternationalJointConferenceonNeuralNetworks，2000，6：369374.作者简介：缪宏(通信作者)，男，1981年出生，博士研究生，主要研究 方向为抗疲劳制造技术的研究。Email：左敦稳，男，1962年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机 械制造及其自动化的研究。Email：张瑞宏，男，1960年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为农 业机械及其自动化的研究。Email：王珉，男，1950年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机械 制造及其自动化的研究。Email：