基于30°牙型塑料用自攻螺釘螺紋成形后的芯部開裂缺陷，從牙板設計、調機尺寸、材料狀態和毛坯線徑4個方面，分別驗證導致缺陷的關鍵因素，制定工藝改進方案。通過更換材料和更改線材直徑，解決了自攻螺釘芯部開裂問題，為后續同類產品的開發提供設計依據和理論基礎。
1 序言
30°牙型塑料用自攻螺釘因為具有較陡的螺紋斷面和嵌入式的螺紋根部，能夠提供比60°標準牙型更大的螺紋接合度，且對基座的應力更小，因此被廣泛應用于汽車工業領域[1]?，F有一款塑料用自攻螺釘（見圖1），規格為TP6×17mm，材料為ML20MnTiB冷鐓鋼。產品制造工藝路線為：備料→冷鐓→搓絲→熱處理→表面處理→全檢→包裝。在產品開發階段，用金相法檢測螺紋成形后的半成品，發現存在嚴重的螺紋芯部開裂（見圖2）現象。檢測搓絲前的毛坯未發現該缺陷，初步分析為螺紋成形時桿部擠壓力過大導致[2]。為解決該質量問題，開展了4個方面的改進驗證。
圖1 塑料用自攻螺釘
圖片
圖2 螺紋芯部開裂
2 分析及驗證
2.1 加大牙板板型
螺紋牙板由定板和動板組成，自攻螺紋牙板的定板分為入料區、成形區、整形區和出料區。為了減輕螺紋成形時單位行程內所受的擠壓力，采用加大板型的方式進行驗證，即延長螺紋成形區，使螺紋多滾動數圈成形。該產品桿部線徑為4.30mm，滾動一圈的周長A＝πd＝13.5mm。改進前牙板板型為105mm/90mm×25mm×25mm，螺紋成形滾動圈數n＝90/13.5＝6.7；改進后牙板板型為127mm/108mm×25mm×25mm，螺紋成形滾動圈數n＝108/13.5＝8。經調試驗證后，芯部仍出現開裂現象。
2.2 調機尺寸調整
在保證各成形尺寸均滿足圖樣要求的基礎上，調機時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6.22圖片mm，改進前實測外徑6.15～6.20mm，螺紋成形變形率為（1－4.32/6.182）×100%＝51.6%。改進后實測外徑6.03～6.08mm，螺紋成形變形率為（1－4.32/6.062）×100%＝49.7%。經調試驗證后，芯部仍然出現開裂現象。
2.3 材料狀態改善
（1）降低毛坯硬度 按GB/T 4340.1—2009中的硬度檢測方法，原材料實測平均硬度為154HV，冷作硬化后，桿部平均硬度為242HV。為減小應力集中，對冷鐓后毛坯進行退火處理，具體退火工藝和退火后硬度見表1。經調試驗證后，芯部均出現開裂現象。
表1 退火工藝和退火后硬度
（2）更換材料 該產品指定需要用B級鋼ML20MnTiB冷鐓鋼材料來制造，按GB/T 4336—2016規定的化學成分分析法檢測，成分符合標準要求。ML20MnTiB成分要求及實測數據見表2。按GB/T 13298—2015金屬顯微組織檢驗方法中的金相法檢測，組織為鐵素體+珠光體（見圖3），晶粒度8級，表面未見明顯脫碳（見圖4），表明其組織無異常[3]。選用汽車塑料用自攻螺釘領域常用的低碳鋼SWRCH22A同狀態材料做驗證[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的化學成分對比見表3。經調試驗證后，芯部未開裂。
表2 ML20 MnTiB成分要求及實測數據（質量分數）（%）
圖3 鐵素體+珠光體
圖4 表面未見明顯脫碳
表3 ML20MnTiB與SWRCH22A化學成分對比（質量分數）（%）
2.4 更改線材直徑
該產品毛坯采用強束桿部的方式成形，頭部外徑15mm，改進前線徑為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%。產品成形過程如圖5所示。改進后線徑為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%，試搓后芯部無開裂。此方案理論上頭部變形率已經超過80%的設計極限，頭部變形過大會增加開裂風險[5]，通過加嚴管控原材料狀態、增加頭部100%全檢裂紋的工序來控制風險。
3 結束語
本文中的塑料用自攻螺釘芯部開裂缺陷，經工藝分析為螺紋成形時桿部擠壓力過大導致，為此從4個方面制定工藝改進方案并進行逐項驗證。試驗結果表明，針對大變形頭部及桿部的塑料用自攻螺釘開發，在原材料牌號的選用、冷鐓毛坯線徑的選擇方面要做好充分的設計與驗證，避免產生螺紋成形后的芯部開裂缺陷。
參考文獻：
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[3] 胡世炎．破斷故障金相分析[M]. 北京：國防工業出版社，1979.
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[5] 王文靜，張壽祿，張梁. 干壁釘用ML15鋼冷拔斷裂及搓絲尖裂原因分析[J]. 山西冶金，1998（3）：36-38.
本文發表于《金屬加工（冷加工）》2023年第3期46~48頁，作者：舟山市7412工廠 蔣楊英，林志峰，原標題：《塑料用自攻螺釘芯部開裂工藝改進方案》。
