擠壓和車削成型方式對螺紋連接松動行為影響研究

馮中立，鄧秋深，張云樵，劉濤，劉建華*,，朱旻昊

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610100；3.西南交通大學材料先進技術教育部重點試驗室，四川 成都 610031）

螺紋連接結構具有結構簡單、裝卸方便、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于機械、航空、醫(yī)療等行業(yè)[1-4]。螺紋連接的性能直接關系到機械設備的使用壽命，這要求設計加工的內螺紋能同時滿足性能可靠、使用壽命長、經濟實惠等要求。目前，高精度、難車削加工材料的螺紋加工，普遍存在精度較低、周期較長、成本較高等問題，嚴重影響了其性能和使用壽命[5-7]。內螺紋大多使用切削工藝制造，然而，傳統(tǒng)車削工藝存在切屑難以排出的問題，使得內螺紋表面質量較差，導致加工螺紋不合格。如果加工過程中對切屑進行人為清理，則影響裝備加工的自動化程度，降低了加工效率。擠壓成型內螺紋時無切屑產生，可有效提高螺紋加工質量及效率。

鋁合金的強度比鋼低，塑性比鋼好，使得鋁合金內螺紋連接結構在相同軸向力下比鋼制內螺紋更易拉脫。擠壓成型可以提高螺紋表層強硬度，還能降低螺紋粗糙度，擠壓加工后的螺紋表面存在殘余壓應力，使得螺紋具有更佳的抗松動性能。所以，擠壓成型更適合鋁合金內螺紋的加工，可以充分發(fā)揮鋁合金高比強度的優(yōu)勢[8-13]。

本文開展了擠壓和車削兩種成型方式對7050 鋁合金內螺紋/鋼螺栓連接結構的松動影響的研究，綜合分析螺紋微觀損傷機理、螺栓軸向力衰減曲線和螺栓連接結構響應曲線，探討了不同預緊力、不同成型方式、不同軸向激勵對螺紋連接結構松動影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 螺紋連接結構松動試驗夾具與試驗方法

7050 鋁合金內螺紋在軸向激勵下螺紋連接結構松動試驗夾具裝配圖如圖1 所示。

圖1 7050 鋁合金內螺紋試驗夾具裝配體示意圖

將下夾具夾持端固定，通過旋轉M8 螺栓固定7050 鋁合金內螺紋試樣，M8 螺栓依次穿過軸力傳感器、上夾具、下夾具，然后用扭矩扳手將試驗內螺紋按照試驗要求的預緊力擰緊，最后夾緊上夾具與疲勞機上夾頭。軸力傳感器數(shù)據輸出線與DADHS 動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對螺栓軸向力變化的數(shù)據采集。

其中，上、下夾具均為45 鋼；M8 螺栓均為8.8 級高強度標準螺栓，旋入深度為16 mm；M8 內螺紋試樣為7050 鋁合金，尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，螺紋孔深度為18 mm。擠壓成型M8 內螺紋底孔直徑為7.4 mm。

試驗結束后，用電火花線切割法截取前三圈工作內螺紋，用超聲波清洗儀對其進行清洗，然后用Bruker Contour GT 白光干涉三維形貌儀（White Light Interference，WLI）、JSM-6610LV掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對其表面進行分析。

1.2 試驗材料與試驗參數(shù)

本文試驗內螺紋所用材料為7050 鋁合金，7050 鋁合金螺紋基體材料化學元素成分如表1所示，查詢GB/T 3190－2008[14]，其含量符合試驗要求。7050 鋁合金的力學性能為：延伸率16%，抗拉強度516 MPa，屈服強度455 MPa。7050 鋁合金內螺紋分為車削成型和擠壓成型兩種，無特殊符號。7050 鋁合金內螺紋的參數(shù)為：公稱直徑8 mm，螺距1.25 mm，牙型角60°，螺距和牙型角實測值如表2 所示。

表1 7050 鋁合金的化學成分

表2 7050 鋁合金內螺紋螺距和牙型角實測值

螺紋連接結構松動試驗為7050 鋁合金內螺紋松動試驗，分為相同預緊力不同成型方式試驗、相同交變載荷不同預緊力試驗、相同預緊力不同交變載荷試驗三種。試驗中選取的M8螺栓為普通標準8.8 級螺栓，查機械設計手冊[15]可知公稱應力截面積為34.7 mm2、預緊力P0＝14 kN?？紤]實際工程中，采用數(shù)顯扭矩扳手進行螺栓預緊有20%的誤差，故試驗選用12 kN、14 kN、16 kN。軸向交變載荷采取正弦加載的方式控制，加載路徑為：

式中：F為加載載荷；AF為軸向激勵；f為試驗頻率；t為時間。

取f＝25 Hz，AF＝15 kN、17 kN、20 kN。試驗循環(huán)次數(shù)N＝1×106次，每組參數(shù)重復3次試驗。

2 結果與討論

2.1 內螺紋表面分析

車削和擠壓成型的7050 鋁合金內螺紋初始試樣表面形貌SEM 圖如圖2 所示?？梢钥闯?，擠壓成型的內螺紋表面因加工產生的損傷和剝層少于車削成型的內螺紋。車削成型內螺紋表面有許多加工痕跡集中在牙頂附近。擠壓成型內螺紋表面損傷小，幾乎沒有類似于車削成型內螺紋表面的加工痕跡。

圖2 7050 鋁合金內螺紋初始試樣SEM 圖

2.2 內螺紋前三圈拉脫力測試

7050 鋁合金內螺紋試樣螺距為1.25 mm，將7050 鋁合金內螺紋試樣通過兩顆緊固螺栓固定在下夾具上，螺栓依次穿過傳感器、上夾具、下夾具，螺栓旋入深度為3.75 mm，疲勞試驗機按照0.5 kN/s 的速度施加軸向拉力，直至拉脫。

測得車削和擠壓成型的7050 鋁合金內螺紋試樣前三圈螺紋拉脫力如表3 所示?？梢钥闯觯瑪D壓成型的內螺紋試樣前三圈螺紋拉脫力平均值大于車削成型的內螺紋試樣，即擠壓成型內螺紋比車削成型內螺紋承載能力更強，擠壓螺紋拉脫力的標準差比車削內螺紋標準差低，即擠壓成型內螺紋的拉脫力波動性更小。內螺紋在擠壓成型時，金屬通過擠壓絲錐邊齒的作用在預制件的孔底產生塑性流動，擠壓成形后，內螺紋表面出現(xiàn)加工硬化，其組織纖維變得細化，沿螺紋形態(tài)流線分布，表層一定深度存在殘余應力場，使擠壓內螺紋的抗拉強度高于車削加工的內螺紋。

表3 7050 鋁合金前三圈拉脫力測試

2.3 松動試驗后內螺紋表面損傷分析

M8 內螺紋螺距為1.25 mm，螺紋小徑為6.917 mm，選取相同軸向載荷、不同預緊力進行試驗。試驗選取預緊力12 kN、14 kN、16 kN。

2.3.1 內螺紋宏觀損傷分析

擠壓和車削成型的內螺紋在預緊力14 kN、軸向激勵22 kN 時第一圈工作螺紋的宏觀損傷形貌如圖3 所示?？梢钥闯觯囅鞒尚偷穆菁y損傷較為嚴重，其損傷以犁溝為主，并伴有少量的剝落坑。擠壓成型的內螺紋由于冷作硬化表層硬度提高，故在試驗后損傷較輕。整體來看，第一圈工作螺紋損傷最嚴重，損傷程度隨著螺紋圈次的增加而降低。

圖3 車削成型和擠壓成型內螺紋宏觀表面

2.3.2 內螺紋表面三維形貌分析

車削和擠壓成型的內螺紋在預緊力12 kN、軸向激勵22 kN 時第一圈工作螺紋的二維輪廓如圖4 所示。車削和擠壓成型的螺紋損傷區(qū)域寬度分別為453 μm 和346 μm，損傷最深處分別為8 μm和6 μm，最高處分別為10 μm和7 μm。螺紋表面既有剝落形貌，也有反向隆起的擠壓形貌，車削和擠壓成型的螺紋磨損體積分別為0.014 mm3和0.006 mm3，反向隆起體積分別為0.014 mm3和0.009 mm3。

圖4 車削和擠壓螺紋試驗后承載面二維輪廓

2.3.3 內螺紋表面SEM 分析

車削和擠壓成型的7050 鋁合金內螺紋在預緊力14 kN、軸向激勵22 kN 時第一圈工作螺紋的SEM 損傷形貌如圖5 所示，其中區(qū)域I 為牙底，II 為牙頂?？梢钥闯觯囅鞒尚蛢嚷菁y牙底的損傷主要是材料剝落和塑性變形，螺紋牙中部主要是犁溝和少量剝落坑，牙頂損傷較嚴重、主要是犁溝和塑性變形、并存在材料剝落后形成的磨屑，所以損傷機制為磨粒磨損和黏著磨損；擠壓成型內螺紋損傷主要集中在牙底和螺紋牙中部，損傷主要為犁溝和塑性變形，磨損機制為磨粒磨損。從整體來看，擠壓成型的內螺紋損傷程度比車削成型的內螺紋輕。

圖5 車削和擠壓內螺紋工作螺紋表面SEM 形貌

車削和擠壓成型的內螺紋在預緊力12 kN、軸向激勵22 kN 時第一圈工作螺紋的SEM 形貌如圖6 所示?？梢钥闯觯瑩p傷集中在螺紋中部和牙底。車削成型的內螺紋牙底與螺紋牙中部損傷有犁溝、塑性變形和剝層，磨損機制主要是磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損。擠壓成型的內螺紋主要損傷區(qū)域是螺紋牙中部和牙底，損傷主要為犁溝、材料的剝落和塑性變形，磨損機制主要為黏著磨損和磨粒磨損。

圖6 不同方式成型的內螺紋在預緊力為12 kN 時SEM 形貌

車削和擠壓成型的內螺紋在預緊力16 kN、軸向激勵22 kN 時第一圈工作螺紋的SEM 形貌如圖7 所示?？梢钥闯?，車削成型的內螺紋牙底存在嚴重損傷，以犁溝為主，而牙頂幾乎沒有損傷，螺紋牙中部的損傷情況明顯比牙底輕。擠壓成型的內螺紋表面損傷情況明顯比車削成型的內螺紋輕，損傷主要分布在螺紋牙中下部和牙底，以犁溝為主，磨損機制為磨粒磨損。

圖7 不同方式成型的內螺紋在預緊力為16 kN 時SEM 形貌

綜上所述，不同預緊力預緊的螺紋連接結構在相同軸向載荷下螺紋表面損傷情況不同，車削和擠壓成型的內螺紋表面的損傷程度均隨著預緊力的增加而減輕。隨著預緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應力略微増大，但相對滑移量明顯減小，表面單位面積的摩擦耗散能減??；同時，螺紋接觸面積増大，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應變減小，螺栓殘余軸向力與預緊力之比增大，螺紋表面的磨損程度逐漸降低，主要的磨損機制由疲勞磨損、粘著磨損向磨粒磨損轉變。

2.4 軸向載荷下不同方式成型的內螺紋的松動行為

車削和擠壓成型的螺紋在不同預緊力下、軸向激勵22 kN 時的松動曲線如圖8 所示。其中RF為每次循環(huán)加載后螺栓殘余軸向力與初始預緊力的百分比。

圖8 不同預緊力下車削和擠壓螺紋松動曲線

可以看出，松動主要分為兩個階段，第一階段，軸向力迅速下降，通常循環(huán)次數(shù)N＝0～104次，松動程度占整體松動程度的70%，此階段去除螺紋表面粗糙峰和螺紋結構產生塑性變形，螺栓軸向力迅速下降；第二階段為緩慢下降階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由于材料的棘輪效應，接觸界面之間的微動磨損是螺栓軸向力下降的主要原因[16-17]。

（1）當預緊力為12 kN 時，車削和擠壓成型的螺紋松動程度分別為3.2%和2%，車削成型的內螺紋松動程度大于擠壓成型的內螺紋。在第一階段，車削螺紋的松動曲線斜率大于擠壓螺紋，即車削螺紋在同等條件下松動速率大于擠壓螺紋。這是因為車削成型的內螺紋表面粗糙度較高，第一階段去除的粗糙峰更多，故車削螺紋松動程度更大，松動速率更大；擠壓成型的螺紋由于冷作硬化表層硬度更高，更不容易發(fā)生塑性變形，所以擠壓螺紋在第一階段松動程度更小，松動速率更小。

（2）當預緊力為14 kN 時，車削和擠壓成型的螺紋的松動程度和松動速率相差較小。

（3）當預緊力為16 kN 時，經過20 萬次循環(huán)后，車削和擠壓成型的螺紋松動程度分別為3.7%和1.8%。隨著預緊力的增加，螺紋連接結構的循環(huán)次數(shù)也在增加，經過5 萬次循環(huán)加載后，預緊力16 kN 的車削螺紋松動程度為2.9%，小于3.2%，擠壓螺紋松動程度為1.1%，小于2%，即在前5 萬個循環(huán)周次內，預緊力12 kN 的螺紋連接結構松動程度更大。綜上，在推薦范圍內，隨著預緊力的增加，螺紋連接結構的松動程度減小。

車削和擠壓成型的螺紋在不同軸向激勵、預緊力12 kN 時的松動曲線如圖9 所示。車削成型的內螺紋用相同的預緊力預緊時，松動程度隨著軸向激勵的增加而增大[18]。且前1 萬次循環(huán)松動程度占整體松動的70%。其中軸向激勵20 kN 時松動程度最大，為3.1%。螺紋連接結構的松動曲線可以分為兩個階段，在第二階段，即緩慢下降階段，局部循環(huán)周次RF先升高然后降低，說明軸向力先升高然后降低，這是微動磨損過程中產生的磨屑堆積在螺紋接觸界面造成的。

圖9 不同軸向激勵下車削和擠壓螺紋松動曲線

3 結論

（1）由于擠壓成型時冷作硬化的作用，使得擠壓螺紋表面質量更佳，表面鮮有加工痕跡，擠壓成型的內螺紋相較于車削成型的內螺紋更難以拉脫。

（2）內螺紋的損傷主要集中在螺紋牙中部和牙底，以犁溝為主，伴有少量塑性變形，磨損機制主要是磨粒磨損和黏著磨損。車削螺紋損傷程度比擠壓螺紋嚴重，不同預緊力預緊的螺紋連接結構在相同軸向載荷下?lián)p傷程度隨著預緊力的增加而減輕。

（3）在相同試驗條件下，擠壓成型的內螺紋松動程度小于車削成型的內螺紋。在前1 萬次循環(huán)，螺紋連接結構的松動占整體松動的70%，車削螺紋的松動速率大于擠壓螺紋。

（4）螺紋連接結構的松動程度和損傷程度，隨著預緊力的增加而減小。隨著預緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應力略微増大，但相對滑移量明顯減??；同時，螺紋接觸面積増大，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應變減小，螺栓殘余軸向力與預緊力之比增大，螺紋表面的磨損程度逐漸降低。

（5）隨著軸向激勵的增加，螺紋連接結構的松動程度逐漸增加，在緩慢下降階段，局部循環(huán)周次內出現(xiàn)軸向力先升高然后降低。