螺紋旋合長(zhǎng)度和自攻螺套對(duì)鋁合金螺紋連接的影響

齊芃芃，王 利，康 銘，金 鑫，周金旭

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車輕量化、軌道車輛、全鋁家居、航空工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，當(dāng)鋁合金內(nèi)螺紋采用鋼制螺栓擰緊時(shí)旋合長(zhǎng)度至少為螺栓公稱直徑的兩倍，但是受產(chǎn)品體積和結(jié)構(gòu)等因素限制通常難以達(dá)到上述要求，所以可以采用自攻螺套提升鋁合金螺紋強(qiáng)度[3]。自攻螺套又稱自攻牙套，是一種增強(qiáng)軟質(zhì)基體螺紋強(qiáng)度、修補(bǔ)脫扣螺紋、實(shí)現(xiàn)不同螺紋規(guī)格轉(zhuǎn)換的緊固件，具備自行攻制螺紋、直接旋入基體的安裝孔內(nèi)、與基體緊密旋合、無(wú)間隙等特點(diǎn)[4]，但相關(guān)技術(shù)研究較少。因此，本文選取不同內(nèi)螺紋長(zhǎng)度的鋁合金產(chǎn)品，通過(guò)驗(yàn)證推出力和破壞扭矩的差異，分析鋁合金內(nèi)螺紋與鋼制螺栓旋合長(zhǎng)度對(duì)連接強(qiáng)度的影響；同時(shí)開(kāi)展自攻螺套對(duì)鋁合金內(nèi)螺紋連接強(qiáng)度影響的研究，為鋁合金螺紋緊固連接設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備方法

將用于開(kāi)展鋁合金內(nèi)螺紋與鋼制螺栓旋合長(zhǎng)度研究的5083材料加工成階梯孔，其中大孔孔徑為φ20 mm，小孔直徑為φ10.4 mm。小孔攻絲后螺紋規(guī)格M12，螺紋深度分別為12 mm、18 mm及24 mm，從而保證鋁合金內(nèi)螺紋與鋼制螺栓擰緊時(shí)旋合長(zhǎng)度分別為1 d、1.5 d和2 d，其中d為螺栓公稱直徑。

試驗(yàn)選用307型M8×1.25自攻螺套，利用專用工具將自攻螺套攻入基材內(nèi)，其中自攻螺套長(zhǎng)度為9 mm，即螺套所能提供M8×1.25內(nèi)螺紋的長(zhǎng)度為9 mm。選用與基材相同材質(zhì)的鋁合金攻絲制備內(nèi)螺紋，為保證自攻螺套提供的內(nèi)螺紋與鋁基材料攻絲加工的內(nèi)螺紋一致性，鋁基材料內(nèi)螺紋長(zhǎng)度同樣為9 mm。

圖1為試樣制備的示意圖。

圖1 試樣制備示意圖

1.2 檢驗(yàn)方法

開(kāi)展推出力和破壞扭矩分析（見(jiàn)圖2），其中推出力檢驗(yàn)是利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)與內(nèi)螺紋旋合的螺栓施加軸向載荷，檢驗(yàn)時(shí)內(nèi)螺紋與螺栓充分旋合，軸向載荷加載速度為3 mm/min，記錄載荷最大值及試樣破壞形式。檢驗(yàn)破壞扭矩時(shí)將試樣固定，檢驗(yàn)螺栓與試樣旋合時(shí)螺栓頭下采用與螺栓規(guī)格匹配的墊片，利用數(shù)顯力矩扳手對(duì)螺栓施加載荷直至試驗(yàn)件破壞，記錄最大扭矩值及破壞形式。

圖2 檢驗(yàn)方法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 螺紋旋合長(zhǎng)度對(duì)連接影響

表1為內(nèi)螺紋與螺栓不同旋合長(zhǎng)度時(shí)的破壞扭矩值及破壞形式。當(dāng)旋合長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，扭矩值低于120 N·m，且檢測(cè)后內(nèi)螺紋破壞；旋合長(zhǎng)度為18 mm和24 mm時(shí)，扭矩值增加至130 N·m，內(nèi)螺紋無(wú)破壞現(xiàn)象。由于此螺栓安裝扭矩為120 N·m，因此當(dāng)旋合長(zhǎng)度為18 mm時(shí)，內(nèi)螺紋強(qiáng)度能夠滿足螺栓裝配而不發(fā)生破壞，即旋合長(zhǎng)度為1.5倍螺紋公稱直徑時(shí)扭矩值滿足12.9級(jí)M12螺栓裝配扭矩要求。對(duì)螺紋旋合長(zhǎng)度分別為1倍和1.5倍公稱直徑的試樣推出力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。可以看出，螺紋旋合長(zhǎng)度為1.5倍公稱直徑的試樣推出力值明顯高于旋合長(zhǎng)度為1倍公稱直徑試樣，破壞形式均為螺紋破壞，無(wú)法拆卸。扭矩檢測(cè)后的螺紋形貌如圖3所示。

表2 推出力值檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 扭矩檢測(cè)后的螺紋形貌

表1 破壞扭矩及破壞形式

有研究認(rèn)為在螺紋最小拉力載荷值以內(nèi)，螺紋有效旋合長(zhǎng)度與承載能力成正比關(guān)系，當(dāng)螺栓與內(nèi)螺紋有效旋合長(zhǎng)度不足時(shí)，承載能力會(huì)因?yàn)槁菁y脫扣而降低[5]。因此，隨螺紋旋合長(zhǎng)度增加，試樣所承受的破壞扭矩和推出力提高。當(dāng)螺紋旋合長(zhǎng)度達(dá)到公稱直徑1.5倍時(shí)，在130 N·m扭矩條件下不發(fā)生破壞，推出力均值可達(dá)82592.8 N。

2.2 自攻螺套對(duì)鋁合金內(nèi)螺紋連接強(qiáng)度的影響

表3為破壞扭矩測(cè)試值。增加自攻螺套的鋁合金內(nèi)螺紋比單純攻絲加工的鋁合金內(nèi)螺紋的破壞扭矩提升42.74%，且用于檢驗(yàn)的螺栓發(fā)生破壞而螺套螺紋未發(fā)生破壞；從表4結(jié)果可知，在提供相同長(zhǎng)度內(nèi)螺紋的條件下，兩種螺紋提供的推出力值接近。

表3 破壞扭矩?cái)?shù)據(jù)

表4 推出力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)攻絲加工的鋁合金內(nèi)螺紋存在角度誤差和牙距誤差，導(dǎo)致螺栓和內(nèi)螺紋之間的接觸面很小，甚至發(fā)生點(diǎn)接觸，因此施加載荷時(shí)受載不均，降低了破壞扭矩和推出力。對(duì)于增加自攻螺套的內(nèi)螺栓，不但自攻螺套材料強(qiáng)度高而且尺寸精度高，使得鋁合金基體和自攻螺套的接觸面積增加，受載不易損壞。但是在本試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)自攻螺套尺寸研究發(fā)現(xiàn)，307型自攻螺套受自身結(jié)構(gòu)限制，其與鋁基體的有效旋合長(zhǎng)度僅為6 mm，而螺栓與單純攻絲加工的內(nèi)螺紋旋合長(zhǎng)度為9 mm，因此增加自攻螺套的試樣在推出力方面并未有所提升[6]。

3 結(jié)論

（1）M12鋁合金內(nèi)螺紋與鋼制螺栓旋合長(zhǎng)度為1.5倍公稱直徑時(shí)滿足12.9級(jí)螺栓裝配扭矩要求，且較旋合長(zhǎng)度為1倍公稱直徑時(shí)的推出力明顯提高。

（2）增加自攻螺套的M8鋁合金內(nèi)螺紋比單純攻絲加工的鋁合金內(nèi)螺紋的破壞扭矩提升約42.74%，但不能提高推出力。