基于30°牙型塑料用自攻螺钉螺纹成形后的芯部开裂缺陷，从牙板设计、调机尺寸、材料状态和毛坯线径4个方面，分别验证导致缺陷的关键因素，制定工艺改进方案。通过更换材料和更改线材直径，解决了自攻螺钉芯部开裂问题，为后续同类产品的开发提供设计依据和理论基础。

1 序言

30°牙型塑料用自攻螺钉因为具有较陡的螺纹断面和嵌入式的螺纹根部，能够提供比60°标准牙型更大的螺纹接合度，且对基座的应力更小，因此被广泛应用于汽车工业领域[1]。现有一款塑料用自攻螺钉（见图1），规格为TP6×17mm，材料为ML20MnTiB冷镦钢。产品制造工艺路线为：备料→冷镦→搓丝→热处理→表面处理→全检→包装。在产品开发阶段，用金相法检测螺纹成形后的半成品，发现存在严重的螺纹芯部开裂（见图2）现象。检测搓丝前的毛坯未发现该缺陷，初步分析为螺纹成形时杆部挤压力过大导致[2]。为解决该质量问题，开展了4个方面的改进验证。

图1　塑料用自攻螺钉

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图2　螺纹芯部开裂

2 分析及验证

2.1 加大牙板板型

螺纹牙板由定板和动板组成，自攻螺纹牙板的定板分为入料区、成形区、整形区和出料区。为了减轻螺纹成形时单位行程内所受的挤压力，采用加大板型的方式进行验证，即延长螺纹成形区，使螺纹多滚动数圈成形。该产品杆部线径为4.30mm，滚动一圈的周长A＝πd＝13.5mm。改进前牙板板型为105mm/90mm×25mm×25mm，螺纹成形滚动圈数n＝90/13.5＝6.7；改进后牙板板型为127mm/108mm×25mm×25mm，螺纹成形滚动圈数n＝108/13.5＝8。经调试验证后，芯部仍出现开裂现象。

2.2 调机尺寸调整

在保证各成形尺寸均满足图样要求的基础上，调机时尽可能控制螺纹外径在中下限，可减小螺纹成形的变形量。螺纹外径要求6.22图片mm，改进前实测外径6.15～6.20mm，螺纹成形变形率为（1－4.32/6.182）×100%＝51.6%。改进后实测外径6.03～6.08mm，螺纹成形变形率为（1－4.32/6.062）×100%＝49.7%。经调试验证后，芯部仍然出现开裂现象。

2.3 材料状态改善

（1）降低毛坯硬度　按GB/T 4340.1—2009中的硬度检测方法，原材料实测平均硬度为154HV，冷作硬化后，杆部平均硬度为242HV。为减小应力集中，对冷镦后毛坯进行退火处理，具体退火工艺和退火后硬度见表1。经调试验证后，芯部均出现开裂现象。

表1　退火工艺和退火后硬度

（2）更换材料 该产品指定需要用B级钢ML20MnTiB冷镦钢材料来制造，按GB/T 4336—2016规定的化学成分分析法检测，成分符合标准要求。ML20MnTiB成分要求及实测数据见表2。按GB/T 13298—2015金属显微组织检验方法中的金相法检测，组织为铁素体+珠光体（见图3），晶粒度8级，表面未见明显脱碳（见图4），表明其组织无异常[3]。选用汽车塑料用自攻螺钉领域常用的低碳钢SWRCH22A同状态材料做验证[4]，因SWRCH22A比ML20MnTiB的合金元素少，材料的韧性更好，冷作硬化速度慢，故有利于变形较大的螺纹成形。ML20MnTiB与SWRCH22A的化学成分对比见表3。经调试验证后，芯部未开裂。

表2 ML20 MnTiB成分要求及实测数据（质量分数）（%）

图3　铁素体+珠光体

图4　表面未见明显脱碳

表3 ML20MnTiB与SWRCH22A化学成分对比（质量分数）（%）

2.4 更改线材直径

该产品毛坯采用强束杆部的方式成形，头部外径15mm，改进前线径为7mm，头部变形率为（1－72/152）×100%＝78%，杆部束到丝坯尺寸为φ4.3mm，束比为（1－4.32/72）×100%＝62%。产品成形过程如图5所示。改进后线径为5.8mm，头部变形率为（1－5.82/152）×100%＝85%，杆部束比为（1－4.32/5.82）×100%＝45%，试搓后芯部无开裂。此方案理论上头部变形率已经超过80%的设计极限，头部变形过大会增加开裂风险[5]，通过加严管控原材料状态、增加头部100%全检裂纹的工序来控制风险。

3 结束语

本文中的塑料用自攻螺钉芯部开裂缺陷，经工艺分析为螺纹成形时杆部挤压力过大导致，为此从4个方面制定工艺改进方案并进行逐项验证。试验结果表明，针对大变形头部及杆部的塑料用自攻螺钉开发，在原材料牌号的选用、冷镦毛坯线径的选择方面要做好充分的设计与验证，避免产生螺纹成形后的芯部开裂缺陷。

参考文献：

[1] 周增昌. 自攻螺钉的应用[J]．汽车科技，2002（3）：51.

[2] 黄春成，朱文凯，王小忠. Q195自攻螺钉搓丝内裂原因分析[J]. 现代冶金，2020（6）：12-15.

[3] 胡世炎．破断故障金相分析[M]. 北京：国防工业出版社，1979.

[4] 温国栋，利强，薛伟. SWRCH22A自攻螺钉生产质量问题改善[J]. 天津冶金，2018（2）：19-21.

[5] 王文静，张寿禄，张梁. 干壁钉用ML15钢冷拔断裂及搓丝尖裂原因分析[J]. 山西冶金，1998（3）：36-38.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第3期46~48页，作者：舟山市7412工厂 蒋杨英，林志峰，原标题：《塑料用自攻螺钉芯部开裂工艺改进方案》。