塑料用自攻螺釘芯部開裂工藝改進(jìn)方案

基于30°牙型塑料用自攻螺釘螺紋成形后的芯部開裂缺陷，從牙板設(shè)計(jì)、調(diào)機(jī)尺寸、材料狀態(tài)和毛坯線徑4個(gè)方面，分別驗(yàn)證導(dǎo)致缺陷的關(guān)鍵因素，制定工藝改進(jìn)方案。通過(guò)更換材料和更改線材直徑，解決了自攻螺釘芯部開裂問題，為后續(xù)同類產(chǎn)品的開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。1

序言30°牙型塑料用自攻螺釘因?yàn)榫哂休^陡的螺紋斷面和嵌入式的螺紋根部，能夠提供比60°標(biāo)準(zhǔn)牙型更大的螺紋接合度，且對(duì)基座的應(yīng)力更小，因此被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域[1]。現(xiàn)有一款塑料用自攻螺釘（見圖1），規(guī)格為TP6×17mm，材料為ML20MnTiB冷鐓鋼。產(chǎn)品制造工藝路線為：備料→冷鐓→搓絲→熱處理→表面處理→全檢→包裝。在產(chǎn)品開發(fā)階段，用金相法檢測(cè)螺紋成形后的半成品，發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的螺紋芯部開裂（見圖2）現(xiàn)象。檢測(cè)搓絲前的毛坯未發(fā)現(xiàn)該缺陷，初步分析為螺紋成形時(shí)桿部擠壓力過(guò)大導(dǎo)致[2]。為解決該質(zhì)量問題，開展了4個(gè)方面的改進(jìn)驗(yàn)證。圖1塑料用自攻螺釘圖2螺紋芯部開裂2

分析及驗(yàn)證2.1加大牙板板型螺紋牙板由定板和動(dòng)板組成，自攻螺紋牙板的定板分為入料區(qū)、成形區(qū)、整形區(qū)和出料區(qū)。為了減輕螺紋成形時(shí)單位行程內(nèi)所受的擠壓力，采用加大板型的方式進(jìn)行驗(yàn)證，即延長(zhǎng)螺紋成形區(qū)，使螺紋多滾動(dòng)數(shù)圈成形。該產(chǎn)品桿部線徑為4.30mm，滾動(dòng)一圈的周長(zhǎng)A＝πd＝13.5mm。改進(jìn)前牙板板型為105mm/90mm×25mm×25mm，螺紋成形滾動(dòng)圈數(shù)n＝90/13.5＝6.7；改進(jìn)后牙板板型為127mm/108mm×25mm×25mm，螺紋成形滾動(dòng)圈數(shù)n＝108/13.5＝8。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證后，芯部仍出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。2.2調(diào)機(jī)尺寸調(diào)整在保證各成形尺寸均滿足圖樣要求的基礎(chǔ)上，調(diào)機(jī)時(shí)盡可能控制螺紋外徑在中下限，可減小螺紋成形的變形量。螺紋外徑要求6.22mm，改進(jìn)前實(shí)測(cè)外徑6.15～6.20mm，螺紋成形變形率為（1－4.32/6.182）×100%＝51.6%。改進(jìn)后實(shí)測(cè)外徑6.03～6.08mm，螺紋成形變形率為（1－4.32/6.062）×100%＝49.7%。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證后，芯部仍然出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。2.3材料狀態(tài)改善（1）降低毛坯硬度按GB/T4340.1—2009中的硬度檢測(cè)方法，原材料實(shí)測(cè)平均硬度為154HV，冷作硬化后，桿部平均硬度為242HV。為減小應(yīng)力集中，對(duì)冷鐓后毛坯進(jìn)行退火處理，具體退火工藝和退火后硬度見表1。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證后，芯部均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。表1退火工藝和退火后硬度

（2）更換材料該產(chǎn)品指定需要用B級(jí)鋼ML20MnTiB冷鐓鋼材料來(lái)制造，按GB/T4336—2016規(guī)定的化學(xué)成分分析法檢測(cè)，成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。ML20MnTiB成分要求及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。按GB/T13298—2015金屬顯微組織檢驗(yàn)方法中的金相法檢測(cè)，組織為鐵素體+珠光體（見圖3），晶粒度8級(jí)，表面未見明顯脫碳（見圖4），表明其組織無(wú)異常[3]。選用汽車塑料用自攻螺釘領(lǐng)域常用的低碳鋼SWRCH22A同狀態(tài)材料做驗(yàn)證[4]，因SWRCH22A比ML20MnTiB的合金元素少，材料的韌性更好，冷作硬化速度慢，故有利于變形較大的螺紋成形。ML20MnTiB與SWRCH22A的化學(xué)成分對(duì)比見表3。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證后，芯部未開裂。表2ML20MnTiB成分要求及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）圖3鐵素體+珠光體圖4表面未見明顯脫碳

表3ML20MnTiB與SWRCH22A化學(xué)成分對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）2.4更改線材直徑該產(chǎn)品毛坯采用強(qiáng)束桿部的方式成形，頭部外徑15mm，改進(jìn)前線徑為7mm，頭部變形率為（1－72/152）×100%＝78%，桿部束到絲坯尺寸為φ4.3mm，束比為（1－4.32/72）×100%＝62%。產(chǎn)品成形過(guò)程如圖5所示。改進(jìn)后線徑為5.8mm，頭部變形率為（1－5.82/152）×100%＝85%，桿部束比為（1－4.32/5.82）×100%＝45%，試搓后芯部無(wú)開裂。此方案理論上頭部變形率已經(jīng)超過(guò)80%的設(shè)計(jì)極限，頭部變形過(guò)大會(huì)增加開裂風(fēng)險(xiǎn)[5]，通過(guò)加嚴(yán)管控原材料狀態(tài)、增加頭部100%全檢裂紋的工序來(lái)控制風(fēng)險(xiǎn)。3

結(jié)束語(yǔ)本文中的塑料用自攻螺釘芯部開裂缺陷，經(jīng)工藝分析為螺紋成形時(shí)桿部擠壓力過(guò)大導(dǎo)致，為此從4個(gè)方面制定