CNC 加工中心最常用的螺纹处理方法

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  要点速览
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  螺纹处理实际改变了什么
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  滚压成形与螺纹切削
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  喷丸与去应力
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  电镀与钝化
• 6
  如何在工件上安排螺纹处理顺序
• 7
  选用哪种螺纹处理

螺纹处理是指刀具离开切削后，对已加工螺纹的表面或应力状态进行改变的任何受控工序。它不同于制螺纹。切削或滚压产生几何形状；处理决定该几何形状在载荷、热量和湿气下如何表现。

对设计工程师而言有三项性能重要。螺纹牙根处的疲劳寿命，此处应力集中约为名义值的 3 到 4 倍。牙侧和牙顶的耐腐蚀性。以及摩擦，它决定有多少扭矩转化为夹紧力而不是热量。

我们见到的大多数现场失效都回到牙根。用锋利单点刀具切出的螺纹留下带小圆角的 V 形缺口。在循环拉伸下，即使零件通过静态拉力测试，该缺口也会成为裂纹源。

所以有用的问题不是哪种处理最好，而是哪种处理能补足零件欠缺的性能，以及涂层或喷丸后几何形状是否仍能接受。

• 1
  牙根圆角更大、更光滑的牙根圆角在任何表面工序之前就降低应力集中系数。
• 2
  残余应力表面压应力在循环载荷下延缓裂纹萌生。
• 3
  表面摩擦摩擦更低可在相同扭矩下提高夹紧力，但摩擦过小有松动风险。

滚压成形是使材料位移而非去除。毛坯直径介于中径和大径之间，滚轮在成形时对牙侧和牙根进行冷作。晶粒流线沿螺纹轮廓走向，而不是被横切，牙根自然形成圆角。

在 1018、1045、4130 和 300 系列不锈钢上，滚压螺纹通常比同尺寸切削螺纹表现出更好的疲劳性能。问题在于材料韧性。对 35 HRC 以上的 4140 或任何淬硬工具钢进行滚压，容易使牙顶剥落并快速磨损滚轮。

单点切削在三种情况下仍然占优。螺纹大于滚压头可达范围、带浅退刀槽的盲孔，以及约 35 HRC 以上的任何零件。当螺纹是定位特征且需要在机床上调整中径时，它也占优。

在我们 127 台高精度 CNC 机床上，滚压前检查毛坯直径，滚压后用螺纹规验证中径。毛坯大 0.05 mm 会导致大径无法成形；小则留下看似撕裂的牙顶。

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  何时滚压韧性钢、铝和 35 HRC 以下的不锈钢，通孔或深盲孔。
• 2
  何时切削淬硬材料、超大螺纹，或中径必须在加工过程中修整时。
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  检查毛坯毛坯直径决定牙顶填充。要测量，不要假设。

喷丸以受控速度用细小介质冲击螺纹表面。每次冲击留下浅凹坑和下方压应力层，钢上通常深 0.1 到 0.3 mm。该层抵抗裂纹萌生，因此喷丸螺纹在拉-拉测试中表现出更长疲劳寿命。

覆盖率和强度是两个关键设置。强度用 Almen 试片测量，钢螺纹通常为 6 到 10 A。覆盖率以百分比表示；200% 意味着表面暴露时间足够长，平均每点至少被冲击两次。

对牙根圆角小于 0.1 mm 的螺纹喷丸作用不大。应力集中仍在，而成本增加了。先修正牙根几何，再喷丸。

去应力是热处理的对应手段。加热到受控温度并缓慢冷却，降低加工和校直产生的残余应力。这在长螺纹轴和后续要涂层的零件上是标准做法。粗加工与精加工之间的工序间去应力还能在薄壁零件上保持中径稳定，我们在此可控制到 ±0.005 mm。

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  强度Almen 6–10 A 是钢螺纹的常用范围；用试片验证，不要目测。
• 2
  覆盖率通常为 100–200%。只增加覆盖率而不增加强度，收益很小。
• 3
  不要过度喷丸强度过大会压塌牙顶，改变配合。

电镀在螺纹上增加金属层。10 至 25 μm 的化学镀镍在牙侧和牙底厚度均匀，电镀铬则做不到，因为铬会堆积在高电流边缘。镉和锌用于电化学防护比耐磨更重要的场合。

镀层厚度是配合问题，不是外观问题。25 μm 的镀层使中径增加 50 μm。对 6H 螺母来说，这可能吃掉全部间隙。如果带镀层螺纹必须装配，就把中径切小留出余量，或在图纸上标注镀后螺纹等级。

钝化是化学工序，通常用柠檬酸或硝酸，溶解加工和搬运留在表面的游离铁。在 303、304、316 和 17-4PH 上，它恢复赋予不锈钢耐蚀性的氧化铬层。它不能去除污染刷子或喷砂介质嵌入的铁，那些必须先清除。

这两步都修不好牙底缺陷。给牙顶有撕裂的螺纹电镀，只是把撕裂封在镍层下面，它仍会在原本失效的载荷下失效。

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  化学镀镍10–25 μm，牙侧均匀。把厚度计入中径。
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  钝化柠檬酸或硝酸。去除游离铁，不去油污或嵌入介质。
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  顺序喷丸、去应力、必要时加工最终螺纹，然后镀层或钝化。