CNC金属件加工-内螺纹冷挤压丝锥失效的影响因素分析。内螺纹冷挤压是一种利用挤压丝锥加工内螺纹的金属塑性加工方法，具有材料利用率高、加工精度高、表面粗糙度低、机械强度高和抗疲劳性强等特点。徐九华等对300M高强度钢内螺纹挤压强化开展了试验研究，结果表明冷挤压内螺纹的疲劳性能与切削螺纹相比有显著提高，同等条件下，冷挤压螺纹的寿命是切削螺纹的4-30倍；
赵庆荣等研究了工件底孔直径、挤压速度、冷却润滑液等工艺参数对35CrMo钢内螺纹冷挤压成形的影响，为冷挤压内螺纹工艺参数的选择提供参考；马平等对300M高强度钢内螺纹冷挤压成形过程中工艺参数进行了研究，结果表明理论底孔直径和丝锥的计算是实现冷挤压加工的关键，挤压速度和冷却润滑液的选择是保证螺纹加工质量的重要因素；缪宏等通过实验研究了工件底孔直径对Q460高强度钢冷挤压内螺纹的影响规律以及冷挤压成形金属流动规律，找到了最佳的加工底孔直径参数，从微观角度分析了冷挤压过程中金属组织的变化规律。目前，内螺纹冷挤压研究主要集中在不同材料、尺寸、工艺参数等条件下的冷挤压内螺纹成形理论及实验研究，对于丝锥失效的相关研究较少。

本文采用在线监测的实验方法，研究了挤压扭矩和挤压温度对内螺纹冷挤压丝锥失效的影响，测试了不同加工状况下挤压丝锥振动和机床噪音的总能量比和低高频能量比。

1试验方法

在C6250机床上进行M22×1.5mm内螺纹的冷挤压加工试验。丝锥采用六棱锥挤压丝锥，材料M35，工件选用Q460，机床转速25r/min，螺纹加工长度为20mm，工件底孔直径Φ21.25mm，润滑液选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

①扭矩和温度测试方法

如图1所示，在丝锥夹具轴上设置圆轴式扭矩传感器，在丝锥夹具轴外圆表面均布4个应变片，各应变片与轴线成45°角，以消除拉伸和弯曲的影响，对冷挤压过程中的扭矩进行测试。在工件外表面钻孔，将K型热电偶插入孔内，然后将工件固定在卡盘上，热电偶两级通过机床集电装置与XMT-3000工业控制/调节器相连，可测得挤压区域的平均温度。

②振动和噪音测试方法

振动测试时，将TS15200压电加速度传感器设置在扭矩夹持装置前部顶端，振动信号经适调器、数据采集卡至计算机输出振动加速度值。噪音测量时，将AWA5661型精密脉冲声级计安装在机床托板上，噪音信号通过数据采集卡和计算机输出噪音声级。

2试验结果

(1)内螺纹冷挤压丝锥失效形式

试验结束后，通过显微镜对挤压丝锥的磨损状况进行测量，获得加工后所有棱齿工作区宽度总和，与试验前进行对比得到丝锥磨损量，判定丝锥磨损情况。根据丝锥磨损及破坏程度，将丝锥加工状况分为五个阶段：正常磨损、轻微磨损、严重磨损、工件打滑和丝锥断裂。前两个加工状态表示丝锥磨损量小，不影响内螺纹的加工质量，为正常工作状态；后三个阶段表示丝锥磨损量很大，甚至已发生破坏，严重影响内螺纹的加工，三个阶段对应的丝锥失效状态见图2。丝锥严重磨损阶段主要表现为丝锥牙的磨损和破损；工件打滑阶段主要表现为丝锥与工件相对卡盘出现打滑；丝锥断裂阶段主要表现为丝锥轴断裂。

在加工过程中，冷挤压内螺纹的加工条件如润滑剂、主轴转速、工件底孔直径、挤压扭矩、挤压温度和挤压次数等对丝锥的加工状态和内螺纹的加工质量有很大影响。为减小挤压丝锥的磨损，避免丝锥破损与断裂，同时提高内螺纹的加工质量，选择挤压扭矩、挤压温度、丝锥振动和机床噪音等加工信号的测量值作为反应丝锥正常加工和失效的重要特征参数。

(2)挤压扭矩对丝锥失效的影响

由图3可知，当丝锥挤压扭矩为210N·m时，丝锥正常工作。随着挤压扭矩的增加，丝锥与工件的接触面积和接触强度不断增大，丝锥磨损增加；当挤压扭矩达到248N·m时，丝锥进入轻微磨损阶段，随着挤压扭矩的进一步增加，丝锥磨损加剧；当挤压扭矩达到509N·m时，丝锥进入严重磨损阶段；当挤压扭矩达到703N·m时，丝锥与工件压合，并带动工件一起转动，出现工件在卡盘上打滑的现象；当挤压扭矩增至993N·m时，丝锥轴断裂。

(3)挤压温度对丝锥失效的影响

由图4可知，当挤压温度为84℃时，丝锥正常工作。随着挤压扭矩的增加，丝锥与工件的接触面积和接触强度增大，丝锥表面摩擦加剧，接触表面产生的热量增多，挤压温度升高，当挤压温度为94℃时，丝锥进入轻微磨损阶段；随着挤压温度的进一步升高，当挤压温度为105℃时，丝锥进入严重磨损阶段；当挤压温度达到131℃时，丝锥带动工件一起转动，工件在卡盘上打滑；当挤压温度增至145℃时，丝锥轴断裂。

(4)挤压丝锥振动信号特征

由图5可知，丝锥在五个阶段的振动总能量比依次为100%、112%、123%、117%、129%。丝锥振动总能量比总体趋势增大，工件打滑时振动能量比减小。当丝锥振动总能量比在112%以下时，丝锥能正常工作。当丝锥振动总能量比在117%及以上时，丝锥不能正常工作，应停止加工。其中，总能量比为各加工状况与正常磨损总能量的比值。

由图6可知，丝锥在五个阶段的振动能量比依次为21.6%、22%、27.4%、25.5%、25.5%。丝锥振动能量比呈先增大后减小的趋势，前两个阶段能量比基本一致。丝锥严重磨损阶段的振动能量比最大，加工最不稳定；后两个阶段能量较大，加工无法进行，其中能量比为信号低高频能量比。

(5)机床噪音信号特征

由图7可知，当机床噪音总能量比在100%以下时，丝锥能正常工作。当机床噪音总能量比在828%及以上时，丝锥不能正常工作，应停止加工。工件打滑时，机床噪音总能量达到最大值。其中，总能量比为各加工状况与正常磨损总能量的比值。

由图8可知，当机床噪音能量比在7.6%以上时，丝锥正常工作。当机床噪音能量比在3%以下时，丝锥不能正常工作，应停止加工。工件打滑时，机床噪音总能量达到最低值。其中，能量比为信号低高频能量比。

小结

(1)内螺纹冷挤压丝锥的失效形式主要有丝锥牙严重磨损和丝锥轴断裂两种。丝锥加工状态分为五个阶段：正常磨损、轻微磨损、严重磨损、工件打滑和丝锥断裂。

(2)挤压扭矩和挤压温度是影响内螺纹冷挤压加工的重要因素，采用正确的挤压扭矩(210-248N·m)和挤压温度(84℃-94℃)能够有效减小丝锥磨损，避免丝锥破损和断裂，同时保证螺纹加工质量。

(3)挤压丝锥振动信号和机床噪音信号是检测内螺纹冷挤压加工的重要依据，当挤压丝锥振动总能量比为100%-112%、挤压丝锥振动能量比为21.6%-22%、机床噪音总能量比为85%-100%、机床噪音能量比为7.6%-14.3%时，丝锥能够正常工作，内螺纹加工稳定可靠。