兩種新型金屬自攻釘?shù)木o固性能研究

錢海挺，秦歌

(蔚來汽車有限公司電動力集成與測試部門，上海 201800)

0 引言

隨著新能源電動汽車的飛速發(fā)展，輕量化、安全、低成本、節(jié)能和環(huán)保成為汽車現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，汽車零件的鋁合金化取得了突破性的進(jìn)展。從鋼材到鋁材的轉(zhuǎn)變、從鑄造到鍛造轉(zhuǎn)變、從多零件到一體化設(shè)計的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變對緊固件的技術(shù)發(fā)展帶來了極大的挑戰(zhàn)，需要花更多的精力設(shè)計連接結(jié)構(gòu)和優(yōu)化緊固方案[1]。近年來，金屬自攻釘連接在鋁合金材料中顯示出來優(yōu)秀的緊固性能，它不僅強(qiáng)度高、能實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的連接，同時具有攻絲和緊固的功能。這種連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：良好的連接配合能夠降低松動的風(fēng)險，同時還可以拆卸反復(fù)使用。

隨著應(yīng)用需求和技術(shù)的發(fā)展，多種類型的自攻釘占據(jù)了市場。在實際應(yīng)用當(dāng)中，自攻釘?shù)囊?guī)格、螺紋類型、頭部類型、尾部類型、表面處理和扭矩規(guī)范的開發(fā)等，都對整個連接結(jié)構(gòu)的緊固性能有非常重要的影響[2]。本文作者主要研究兩種不同螺紋結(jié)構(gòu)的金屬自攻釘，并對這兩種螺紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的緊固性能進(jìn)行分析對比，為實際應(yīng)用中金屬自攻釘?shù)倪x擇提供指導(dǎo)價值。第一種類型的金屬自攻釘是“I型”，其優(yōu)勢是：(1)具有低的攻入扭矩；(2)具有高的失效-攻絲扭矩比率；(3)具有優(yōu)秀的軸向定位；(4)有更強(qiáng)的攻入-滑牙比；(5)能夠防止內(nèi)螺紋的滑牙；(6)能防止震動造成的松弛；(7)形成的螺紋與公制緊固件兼容。第二種類型的金屬自攻釘是“II型”，其優(yōu)勢是：(1)圓錐形的螺紋成型帶便于攻絲和防止滑牙；(2)33°的傾角能降低攻入扭矩；(3)具有高的防松扭矩；(4)具有大的螺紋嚙合面積，產(chǎn)生高的連接強(qiáng)度；(5)具有更高的拉脫扭矩；(6)形成的螺紋與公制緊固件兼容。作者在相同的測試環(huán)境下，分析驗證了兩種金屬自攻釘螺紋結(jié)構(gòu)的緊固性能，對工程應(yīng)用當(dāng)中金屬自攻釘?shù)倪x型及扭矩開發(fā)起到了一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗樣品及設(shè)備

試驗過程中的主要樣品及性能參數(shù)如表1所示。

表1 兩種金屬自攻釘性能測試所用的樣品及性能參數(shù)

試驗過程中的主要設(shè)備如表2所示。

表2 兩種金屬自攻釘性能測試所用的設(shè)備

1.2 試驗裝置

試驗過程中的裝置示意圖如圖1(a)所示；試驗過程中的裝置如圖1(b)所示；振動試驗過程中的裝置示意圖如圖1(c)所示。

1.3 試驗方案

1.3.1 擰緊至接頭失效

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設(shè)備擰緊螺釘直至接頭失效，用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄螺釘?shù)呐ぞ亍⑥D(zhuǎn)角和拉伸力。測試條件：轉(zhuǎn)速30 r/min。

1.3.2 擰緊至安裝扭矩

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設(shè)備擰緊螺釘至安裝扭矩，用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄螺釘?shù)呐ぞ?、轉(zhuǎn)角和拉伸力。測試條件：轉(zhuǎn)速30 r/min，安裝扭矩選擇由第1.3.1節(jié)統(tǒng)計得到[3]。

圖1 試驗過程中的裝置示意

1.3.3 靜態(tài)衰減測試

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設(shè)備擰緊螺釘至安裝扭矩，記錄最大夾緊力，靜置30 min后，記錄剩余夾緊力。測試條件：轉(zhuǎn)速30 r/min。

1.3.4 振動衰減測試

如圖1(c)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用擰緊裝置擰緊螺釘至相同夾緊力，記錄振動過程中夾緊力、振動循環(huán)次數(shù)[4]。測試條件：振幅0.8 mm，振動載荷1 kN，循環(huán)次數(shù)500次。此實驗以夾緊力下降50%后的力作為剪切破壞力。

2 結(jié)果與討論

2.1 安裝扭矩選擇分析

圖2(a)為不同規(guī)格的兩種金屬自攻釘?shù)墓ト肱ぞ睾颓ぞ貙Ρ葓D?？梢钥闯觯翰煌?guī)格的同一種螺紋結(jié)構(gòu)的攻入扭矩差別不大，“I型”M5和M6的螺釘攻入扭矩分別為3.631、3.618 N·m，“II型”M5和M6的螺釘攻入扭矩分別為4.957和5.266 N·m；對比這兩種螺紋結(jié)構(gòu)的攻絲性能，“I型”自攻釘?shù)墓ソz扭矩明顯低于“II型”，攻絲扭矩降低了1.3 N·m左右。研究表明，“I型”自攻釘攻絲性能的優(yōu)勢主要來源于三角形葉形螺紋結(jié)構(gòu)，這種截面為三角形的螺紋結(jié)構(gòu)能夠降低攻入扭矩，從而滿足更低的攻絲扭矩的需求，同時這種螺紋結(jié)構(gòu)具有更好的軸向定位性能，減少了安裝扭矩在其他方面的消耗。從兩種螺紋結(jié)構(gòu)的屈服扭矩數(shù)值來看，M5規(guī)格的兩種自攻釘屈服扭矩差別不大，分別是13.111和13.186 N·m，M6規(guī)格的“I型”自攻釘屈服扭矩為17.87 N·m，“II型”自攻釘屈服扭矩為21.039 N·m。作者分析，這種屈服扭矩差異主要是由兩種自攻釘本身的材料性能不同造成的，從硬度測試結(jié)果來看，“I型”自攻釘?shù)挠捕让黠@低于“II型”自攻釘，導(dǎo)致“I型”屈服所需要的夾緊力小于“II型”[5]，所以“I型”自攻釘屈服扭矩小于“II型”自攻釘。

圖2(b)為不同規(guī)格的兩種金屬自攻釘?shù)墓ト肱ぞ?屈服扭矩比值對比圖。對于M5規(guī)格的螺釘，“I型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比為0.277，“II型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比為0.378。對于M6規(guī)格的螺釘，“I型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比為0.202，“II型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比為0.250。對比發(fā)現(xiàn)，“I型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比明顯小于“II型”自攻釘，這種攻絲性能的優(yōu)勢是由螺紋結(jié)構(gòu)的新穎性導(dǎo)致的。

圖2 不同規(guī)格的兩種金屬自攻釘?shù)呐ぞ卦囼灲Y(jié)果

“I型”的螺紋結(jié)構(gòu)特點是：(1)三角形葉形螺紋結(jié)構(gòu)；(2)半徑牙形螺紋；(3)攻牙時形成自有的及硬化的配合螺紋，如圖2(c)所示。而這種優(yōu)勢帶來的結(jié)果是“I型”自攻釘?shù)陌惭b扭矩范圍明顯大于“II型”自攻釘，保證了安裝扭矩選擇的安全性，提高了安裝安全因子，避免發(fā)生微量的扭矩變化帶來的失效風(fēng)險。

綜上所述：同一規(guī)格的“I型”自攻釘攻入扭矩比“II型”自攻釘?shù)墓ト肱ぞ氐停弧癐型”自攻釘?shù)墓ト?屈服扭矩比值更低，安裝扭矩的選擇范圍更大，安裝的安全因子更大。

2.2 扭矩效率分析

圖3(a)為不同規(guī)格的兩種金屬自攻釘?shù)呐ぞ?夾緊力比值對比圖?？梢钥闯觯簩τ贛5規(guī)格的螺釘，“I型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.818 N·m/kN，即增加1 kN的夾緊力需要的扭矩為0.818 N·m，“II型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.549 N·m/kN；對于M6規(guī)格的螺釘，“I型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為1.02 N·m/kN，“II型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.816 N·m/kN，說明每增加1 kN，“I型”自攻釘比“II型”自攻釘多消耗0.204 N·m的扭矩。從圖(b)所示的不同規(guī)格的3種螺釘安裝到相同夾緊力所需的扭矩對比圖可以看出：對于M5規(guī)格的螺釘，安裝到夾緊力為5 kN時， “I型”、“II型”和公制螺釘需要的扭矩分別為7.698、7.704和7.559 N·m，三者之間有細(xì)微的差異，但是差別不大，公制螺釘相對較低。對于M6規(guī)格的螺釘，安裝到夾緊力為7 kN時，“I型”“II型”自攻釘和公制螺釘需要的扭矩分別為11.047、10.828和9.422 N·m，“I型”自攻釘需要的扭矩明顯高于“II型”和公制螺釘，這種現(xiàn)象直接說明了螺紋結(jié)構(gòu)的扭矩效率，產(chǎn)生單位夾緊力所需要的扭矩越大，扭矩效率越低。公制螺釘?shù)呐ぞ匦『芎美斫猓驗榘惭b扭矩不需要用來攻絲形成內(nèi)螺紋，所以產(chǎn)生相同夾緊力所需的扭矩要小。產(chǎn)生相同的夾緊力，“I型”需要的扭矩比“II型”高的原因是，“I型”自攻釘螺紋部分的摩擦接觸面積大于“II型”自攻釘，摩擦接觸面積越大，消耗的扭矩越多，而此時用來產(chǎn)生夾緊力的扭矩就會大大降低，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可以由扭矩和夾緊力的關(guān)系分析得到。在一個連接系統(tǒng)中，扭矩的消耗主要包括3個部分：一部分扭矩用來產(chǎn)生夾緊力，一部分扭矩被螺紋接觸摩擦消耗，剩余部分扭矩被擠壓面接觸摩擦消耗，三部分的扭矩消耗比值大約為1∶4∶5，如式(1)所示?！癐I型” 自攻釘螺紋結(jié)構(gòu)為33°的牙型，這種結(jié)構(gòu)使得連接體系具有更小的螺紋摩擦面積，所以每增加單位夾緊力所需要的扭矩越小，如圖3(c)所示[7]。

(1)

從圖3(c)和(d)M5、M6兩種金屬自攻釘?shù)呐ぞ睾蛫A緊力曲線可以得到，“I型”自攻釘在夾緊力要求較低的安裝系統(tǒng)中更占優(yōu)勢。對于M5規(guī)格的自攻釘，夾緊力要求在4.87 kN以下，“I型”比“II型”更占優(yōu)勢，如夾緊力要求高于4.87 kN，“II型”比“I型”消耗的扭矩更小；對于M6規(guī)格的自攻釘，夾緊力低于5.37 kN，“I型”比“II型”消耗更低的扭矩，反之，“II型”比“I型”更占優(yōu)勢。在低的夾緊力要求下，“I型”比“II型”更占優(yōu)勢的原因：“I型”具有低的攻入扭矩，小夾緊力需求下，會有更多的扭矩用來提供夾緊力。而隨著夾緊力的要求增加，這種優(yōu)勢不再明顯，“II型”比“I型”需要更低的夾緊力的原因是：“II型”具有更高的扭矩效率，導(dǎo)致增加相同的夾緊力需要的扭矩值更小。

圖3 扭矩效率試驗結(jié)果

綜上所述，同一規(guī)格的“II型”自攻釘扭矩效率比“I型”自攻釘高；在低的夾緊力要求下，“I型”比“II型”更占優(yōu)勢，安裝到同樣的夾緊力,“I型”消耗的扭矩更低；在高的夾緊力要求下,“II型”比“I型”更占優(yōu)勢。

2.3 防松性能分析

2.3.1 靜態(tài)衰減率分析

圖4為不同規(guī)格的3種螺釘安裝到相同扭矩并靜置30 min后的夾緊力衰減率對比，其中M5的“I型”“II型”和公制螺釘安裝扭矩均為9 N·m，M6的“I型”“II型”和公制螺釘安裝扭矩分別為12、15和15 N·m。當(dāng)安裝扭矩為9 N·m時，M5規(guī)格的“I型”“II型”和公制螺釘?shù)膴A緊力分別是5.943、5.833、6.249 kN，靜置30 min后，夾緊力分別為5.176、5.081、5.751 kN，3種螺釘夾緊力的靜態(tài)衰減率分別為12.91%、12.88%、7.97%。當(dāng)安裝到要求扭矩時，M6規(guī)格的“I型”，“II型”和公制螺釘?shù)膴A緊力分別是8.104、11.215、12.482 kN，靜置30 min后，夾緊力分別為7.337、10.222、11.833 kN，3種螺釘夾緊力的靜態(tài)衰減率分別為9.46%、8.85%、5.20%。對比3種螺釘?shù)乃p率可以看出兩種金屬自攻釘?shù)乃p明顯大于公制螺釘。造成這種現(xiàn)象的原因是自攻螺紋在形成過程中，會造成較多的應(yīng)力集中點，在靜置過程中緩慢的應(yīng)力釋放過程導(dǎo)致夾緊力有一定程度的降低，應(yīng)力集中點主要存在螺紋根部和螺紋齒尖?！癐型”比“II型”靜態(tài)衰減大的原因是：(1)從2種自攻釘本身的強(qiáng)度、硬度考慮，“I型”的硬度比“II型”的強(qiáng)度低、硬度低、韌性大，會產(chǎn)生一定程度的蠕變松弛，所以夾緊力的靜態(tài)衰減多。(2)“II型”自攻釘33°的螺牙結(jié)構(gòu)有較好的自鎖防松性能，一定程度上降低了夾緊力的靜態(tài)衰減。如圖2(c)所示，“II型”的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是：(1)33°的螺牙結(jié)構(gòu)；(2)與公制匹配的螺紋結(jié)構(gòu);(3)圓形截面。

圖4 不同規(guī)格的3種螺釘安裝到相同扭矩并靜置30 min后的夾緊力衰減率對比

2.3.2 振動衰減率分析

圖5為M6規(guī)格的3種螺釘安裝到夾緊力為4 kN時，在500次橫向振動作用后的剩余夾緊力對比?！癐型”自攻釘、“II型”自攻釘、公制螺釘3種螺釘經(jīng)過振動試驗后的剩余夾緊力分別為2.137、2.933和2.00 kN，夾緊力的衰減值分別為1.863、1.067、1.997 kN。值得注意的是，公制螺釘經(jīng)過100個振動周期，夾緊力就能下降到設(shè)定的目標(biāo)夾緊力(50%的初始夾緊力)。對比“I型”、“II型”兩種金屬自攻釘和公制螺釘?shù)膴A緊力衰減情況，可以看出兩種金屬自攻釘?shù)姆浪尚阅苊黠@優(yōu)于公制螺釘，這是由于兩種金屬自攻釘在螺紋結(jié)構(gòu)的設(shè)計部分都有一定的防松考量：(1)“I型”三角葉形螺紋結(jié)構(gòu)，攻牙時與螺母之間的結(jié)構(gòu)配合具有一定的自鎖效果。(2)“I型”半徑牙型螺紋結(jié)構(gòu)，使得螺紋之間具有大的摩擦接觸面積，提高防松性能。(3)“II型”自攻釘33°的螺牙結(jié)構(gòu)，使螺紋之間有效嚙合面積增加，從而使得內(nèi)螺紋材料吸收更多的振動能量，達(dá)到很好的防松效果。對比“I型”和“II型”金屬自攻釘，可以看出：“II型”自攻釘?shù)姆浪尚阅軆?yōu)于“I型”，在相同的振動條件下，“II型”自攻釘?shù)氖Ｓ鄪A緊力明顯高于“I型”。從數(shù)據(jù)對比來看：雖然“I型”的半徑牙型螺紋結(jié)構(gòu)能夠一定程度增加螺紋嚙合面積，但是“II型”的有效嚙合面積還是優(yōu)于“I型”，從摩擦接觸角度分析[8]，“II型”更不容易松弛。另外，夾緊力的衰減與螺釘?shù)娜渥兒蛻?yīng)力松弛相關(guān)，從硬度測試結(jié)果來看，“I型”的材料強(qiáng)度低于“II型”，所以在相同的測試條件下，“I型”自攻釘比“II型”發(fā)生更大程度的蠕變和應(yīng)力松弛，作者認(rèn)為這也是兩種自攻釘夾緊力衰減差異的原因之一。

圖5 初始夾緊力為4 kN的3種螺釘在500次橫向振動作用后的剩余夾緊力對比

綜上所述，同一規(guī)格的自攻釘與公制螺釘相比，具有很好的防松性能；同一規(guī)格的“II型”自攻釘和“I型”自攻釘相比，經(jīng)過相同次數(shù)的橫向振動作用后，“II型”自攻釘?shù)氖Ｓ囝A(yù)緊力大于“I型”自攻釘，“II型”自攻釘有更好的防松性能。

3 結(jié)論

本文作者主要通過設(shè)計不同的試驗方案，從兩種不同螺紋結(jié)構(gòu)的金屬自攻釘?shù)木o固性能進(jìn)行分析對比，得到以下結(jié)論：

(1)同一規(guī)格的“I型”自攻釘攻入扭矩比“II型”自攻釘?shù)牡?，由攻?屈服扭矩比值對比可見，“I型”自攻釘?shù)陌惭b扭矩選擇范圍更大，安裝的安全因子更大。這種優(yōu)勢主要來源于“I型”自攻釘三角形的螺紋端面，這種螺紋結(jié)構(gòu)能夠很大程度上降低自攻釘?shù)墓ト肱ぞ亍?/p>

(2)同一規(guī)格的“II型”自攻釘扭矩效率比“I型”自攻釘高，即增加單位夾緊力所需要的扭矩“II型”自攻釘比“I型”的低。這種優(yōu)勢主要來源于“II型”自攻釘33°的螺紋傾角，能夠有效降低螺紋部分的摩擦消耗，從而使得扭矩的利用率增加。

(3)與鋁合金材料的螺母配合時，“I型”和“II型”兩種自攻釘與公制螺釘相比，都具有很好的防松性能；同一規(guī)格的“II型”自攻釘和“I型”自攻釘相比，“II型”自攻釘擁有更好的防松性能。自攻釘?shù)姆浪蓛?yōu)勢主要來源于各自防松的螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計，“I型”自攻釘?shù)姆浪蓛?yōu)勢主要來源于三角形螺紋結(jié)構(gòu)的自鎖特征和大的螺紋摩擦接觸面積，“II型”自攻釘?shù)姆浪蓛?yōu)勢主要來源于33°的螺牙結(jié)構(gòu)和大的螺紋有效嚙合面積。