5XXX系鋁合金冷擠壓成形內螺紋性能研究

寧榮 褚仁利 劉小山

摘要：本文選擇5052-O、5083-O鋁合金作基材，采用冷擠壓成形、切削成形兩種方式加工鋁合金內螺紋樣件，對兩種加工方式得到的樣件進行拉伸、極限緊固力矩試驗，結果表明冷擠壓成形內螺紋性能明顯優(yōu)于切削成形內螺紋，是一種提升鋁合金內螺紋性能的有效方法。

關鍵詞：5XXX鋁合金;內螺紋;冷擠壓成形

中圖分類號：TG166.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0033-03

0? 引言

5XXX系鋁鎂合金屬于中高強度鋁合金，具有較高的塑性、優(yōu)良的耐蝕性、良好的焊接特性和疲勞性能，其在列車牽引變流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等核心電氣設備上大量應用[1]。5XXX系鋁合金中，5052、5083在軌道交通裝備應用較為廣泛。然而，鋁合金有其不足之處，5XXX系鋁合金也不例外，比如螺紋連接作為機械緊固、電連接緊固的主要方式，在鋼鐵材料結構中應用非常廣泛，但在鋁合金結構中應用受到一定限制，傳統(tǒng)切削方法加工而成的鋁合金內螺紋，強度較低、抗扭能力偏低、耐久性較差、多次拆裝后易滑絲失效。冷擠壓成形（擠壓攻絲）是近年來涌現的內螺紋加工新方法，其通過在工件相應位置上預制加工底孔，然后利用擠壓絲錐旋進底孔，錐部棱脊部分擠壓工件材料，使得材料沿絲錐牙側流動，產生塑性變形，層層擠壓形成螺紋，適用于塑性較好的金屬材料，如銅合金、鋁合金、低碳鋼、含鉛鋼及奧氏體不誘鋼等[2-3]。有研究表明，與傳統(tǒng)切削內螺紋相比，（冷）擠壓形成內螺紋強度和硬度更高、光潔度更好、抗疲勞性能更好，不產生切屑，且加工參數選擇合理的情況下成本更低。但以往文獻資料主要針對2024鋁合金、Q460高強度鋼、300M超高強度鋼等材料的擠壓成形內螺紋性能進行評估[4-6]，關于常用5XXX系鋁合金擠壓成形內螺紋性能的研究仍是缺失的，且軌道交通裝備應用場景特殊，基于以往的研究難以判斷5XXX系鋁合金擠壓成形內螺紋性能是否能滿足軌道交通應用要求，因而對5XXX系鋁合金擠壓成形內螺紋的性能進行研究是有必要的。

本文針對軌道交通常用5052-O、5083-O鋁合金切削和（冷）擠壓成形內螺紋的拉伸性能、極限緊固力矩進行了對比分析，可為5XXX系鋁合金螺紋緊固連接相關研究提供參考。

1? 實驗及方法

本文主要通過拉伸、極限緊固力矩來評估不同加工方式得到的鋁合金內螺紋的性能差異，具體試驗內容及方法如下：

①拉伸性能。選擇5052-O、5083-O鋁合金內螺紋進行拉伸性能測試，每種牌號鋁合金分別制備M3、M4、M5、M6、M8（冷）擠壓成形內螺紋和切削成形內螺紋試樣各5件，不同規(guī)格內螺紋試樣外形尺寸如表1、圖1（左）所示。在萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗，如圖1（右）所示，試驗參照《GJB 715.23A緊固件試驗方法 拉伸強度》標準進行。

②極限緊固力矩。選擇5052-O、5083-O鋁合金內螺紋進行極限緊固力矩測試，每種牌號鋁合金分別加工M3、M4、M5、M6、M8（冷）擠壓成形內螺紋和切削成形內螺紋試樣各1件，每個試樣上加工內螺紋孔25處，不同規(guī)格內螺紋試樣外形尺寸如表2、圖2（左）所示。使用ET2SKA25數顯力矩扳手進行極限緊固力矩測試，測試過程如圖2（右）所示。

2? 結果與討論

2.1 拉伸試驗結果分析

采用（冷）擠壓成形和切削成形兩種方法制備5052-O、5083-O鋁合金試樣進行拉伸試驗，結果如表3、圖3所示，每個數據點由5件試樣測試數據取平均值后得到。

由表3、圖3可知，5052-O、5083-O鋁合金不同規(guī)格擠壓成形內外螺紋都表現出比切削成形內螺紋更高的拉脫力，其中5052-0鋁合金擠壓成形方式內螺紋優(yōu)勢更為明顯，性能提升幅度波動較小，其M5、M6、M8規(guī)格螺紋性提升幅度分別為14.5%、6.7%、9.0%，而5083-O鋁合金不同公稱直徑擠壓成形內螺紋性能提升幅度存在一定波動，以上2種鋁合金均在螺紋公稱直徑為M5時，擠壓成形內螺紋性能提升幅度達到最大，分別為14.5%、16.1%。以上結果表明，擠壓成形能有效提升鋁合金內螺紋的拉伸性能。

2.2 極限緊固力矩試驗結果分析

采用（冷）擠壓成形和切削成形兩種方法制備5052-O、5083-O鋁合金試樣進行極限緊固力矩試驗，結果如表4、圖4所示，每個數據點由5件試樣測試數據取平均值后得到。

由表4、圖4可知，5052-O、5083-O不同規(guī)格擠壓成形內外螺紋均表現出比切削成形內螺紋明顯更高的極限緊固力矩，且隨著螺紋公稱直徑的增大，擠壓成形內螺紋的極限緊固力矩顯著增加，當螺紋公稱直徑增大至M8時，5052-O、5083-O鋁合金擠壓成形內螺紋極限緊固力矩提升幅度分別達到41.5%、32.4%。相比之下，5052-O鋁合金性能提升依然更為穩(wěn)定，M5、M6、M8規(guī)格擠壓成形內螺紋極限緊固力矩提升率分別為17.5%、24.6%、41.5%，提升率隨著螺紋公稱直徑的增大呈比例增長。5083-O鋁合金擠壓成形內螺紋極限緊固力矩提升幅度仍存在一定波動，尤其是M5及M5以下內螺紋，波動較大，但綜合來看，擠壓成形可使鋁合金內螺紋的極限緊固力矩得到顯著提升。

以上結果表明，擠壓成形內螺紋拉伸性能、極限緊固力矩均明顯優(yōu)于切削成形內螺紋。這是由于：一方面，擠壓成形使材料在三向壓應力作用下產生塑性變形，晶粒內部出現滑移帶，同時各晶粒均沿變形方向延伸和扭曲，使螺紋成形后材料組織呈流線纖維狀，且擠壓成形不會切削基材，材料晶相纖維呈連續(xù)狀態(tài)未被破壞，材料的微觀組織缺陷相比切削成形內螺紋更少;另一方面，擠壓過程中的冷作硬化作用，形成強化層，使內螺紋獲得更高的強度和硬度[7]，因而表現出比切削成形內螺紋更優(yōu)越的性能。當然，不同規(guī)格內螺紋性能提升的幅度出現了一定的波動，這是由于冷擠壓成形工藝參數選擇不合理所致，工藝參數的優(yōu)選是擠壓成形的難點，需要反復試驗優(yōu)化，以達到性能最佳狀態(tài)，尤其對于M5及M5以下的小螺紋擠壓成形加工，鉆底孔后小螺紋孔內更容易產生積屑且加工時冷卻潤滑條件相對較差，對底孔直徑、轉速、冷卻液等工藝參數的選擇更敏感，參數選擇不合理，螺紋容易出現爛牙、局部過熱燒傷、牙高不足等缺陷，影響螺紋精度、表面質量及螺紋性能，使擠壓成形加工方式的優(yōu)勢明顯下降，此外5083-O鋁合金相比5052-O鋁合金，強度更高、塑性相對較差，冷擠壓成形難度更大，導致5083-O鋁合金擠壓成形內螺紋性能波動更為明顯。

3? 結論

本文對比分析了（冷）擠壓成形、切削成形鋁合金內螺紋之間的性能差異，結論如下：

①與切削成形內螺紋相比，擠壓成形內螺紋拉伸性能相對更好，5052-O、5083-O鋁合金性能提升幅度存在一定差異，其中5052-O合金性能提升更為明顯;

②5052-O、5083-O擠壓成形內外螺紋均表現出比切削成形內螺紋更高的極限緊固力矩，性能提升效果顯著。

綜上所述，擠壓成形鋁合金內螺紋可靠性明顯優(yōu)于切削成形鋁合金內螺紋，可替代切削成形鋁合金內螺紋，且擠壓成形方式在加工參數選擇合理的情況下相對切削成形成本更低，可廣泛推廣應用于軌道交通裝備產品。

參考文獻：

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[6]馬平，王珉.300M超高強度鋼內螺紋冷擠壓成形[J].機械工藝師，1998（11）：2-3.

[7]徐九華，王珉.高強度鋼內螺紋冷擠壓成形與強化試驗研究[J].南京航空航天大學學報，1996（6）：838-843.