擠壓和車削成型方式對(duì)螺紋連接松動(dòng)行為影響研究

馮中立，鄧秋深，張?jiān)崎?，劉濤，劉建華*,，朱旻昊

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100；3.西南交通大學(xué)材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610031）

螺紋連接結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、醫(yī)療等行業(yè)[1-4]。螺紋連接的性能直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的使用壽命，這要求設(shè)計(jì)加工的內(nèi)螺紋能同時(shí)滿足性能可靠、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(zhǎng)、成本較高等問題，嚴(yán)重影響了其性能和使用壽命[5-7]。內(nèi)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(nèi)螺紋表面質(zhì)量較差，導(dǎo)致加工螺紋不合格。如果加工過程中對(duì)切屑進(jìn)行人為清理，則影響裝備加工的自動(dòng)化程度，降低了加工效率。擠壓成型內(nèi)螺紋時(shí)無切屑產(chǎn)生，可有效提高螺紋加工質(zhì)量及效率。

鋁合金的強(qiáng)度比鋼低，塑性比鋼好，使得鋁合金內(nèi)螺紋連接結(jié)構(gòu)在相同軸向力下比鋼制內(nèi)螺紋更易拉脫。擠壓成型可以提高螺紋表層強(qiáng)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(yīng)力，使得螺紋具有更佳的抗松動(dòng)性能。所以，擠壓成型更適合鋁合金內(nèi)螺紋的加工，可以充分發(fā)揮鋁合金高比強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)[8-13]。

本文開展了擠壓和車削兩種成型方式對(duì)7050 鋁合金內(nèi)螺紋/鋼螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)影響的研究，綜合分析螺紋微觀損傷機(jī)理、螺栓軸向力衰減曲線和螺栓連接結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，探討了不同預(yù)緊力、不同成型方式、不同軸向激勵(lì)對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 螺紋連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)方法

7050 鋁合金內(nèi)螺紋在軸向激勵(lì)下螺紋連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)試驗(yàn)夾具裝配圖如圖1 所示。

圖1 7050 鋁合金內(nèi)螺紋試驗(yàn)夾具裝配體示意圖

將下夾具夾持端固定，通過旋轉(zhuǎn)M8 螺栓固定7050 鋁合金內(nèi)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(yàn)內(nèi)螺紋按照試驗(yàn)要求的預(yù)緊力擰緊，最后夾緊上夾具與疲勞機(jī)上夾頭。軸力傳感器數(shù)據(jù)輸出線與DADHS 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓軸向力變化的數(shù)據(jù)采集。

其中，上、下夾具均為45 鋼；M8 螺栓均為8.8 級(jí)高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)螺栓，旋入深度為16 mm；M8 內(nèi)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(nèi)螺紋底孔直徑為7.4 mm。

試驗(yàn)結(jié)束后，用電火花線切割法截取前三圈工作內(nèi)螺紋，用超聲波清洗儀對(duì)其進(jìn)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(duì)其表面進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)參數(shù)

本文試驗(yàn)內(nèi)螺紋所用材料為7050 鋁合金，7050 鋁合金螺紋基體材料化學(xué)元素成分如表1所示，查詢GB/T 3190－2008[14]，其含量符合試驗(yàn)要求。7050 鋁合金的力學(xué)性能為：延伸率16%，抗拉強(qiáng)度516 MPa，屈服強(qiáng)度455 MPa。7050 鋁合金內(nèi)螺紋分為車削成型和擠壓成型兩種，無特殊符號(hào)。7050 鋁合金內(nèi)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(shí)測(cè)值如表2 所示。

表1 7050 鋁合金的化學(xué)成分

表2 7050 鋁合金內(nèi)螺紋螺距和牙型角實(shí)測(cè)值

螺紋連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)試驗(yàn)為7050 鋁合金內(nèi)螺紋松動(dòng)試驗(yàn)，分為相同預(yù)緊力不同成型方式試驗(yàn)、相同交變載荷不同預(yù)緊力試驗(yàn)、相同預(yù)緊力不同交變載荷試驗(yàn)三種。試驗(yàn)中選取的M8螺栓為普通標(biāo)準(zhǔn)8.8 級(jí)螺栓，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]可知公稱應(yīng)力截面積為34.7 mm2、預(yù)緊力P0＝14 kN?？紤]實(shí)際工程中，采用數(shù)顯扭矩扳手進(jìn)行螺栓預(yù)緊有20%的誤差，故試驗(yàn)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(lì)；f為試驗(yàn)頻率；t為時(shí)間。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)螺紋表面分析

車削和擠壓成型的7050 鋁合金內(nèi)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(nèi)螺紋表面因加工產(chǎn)生的損傷和剝層少于車削成型的內(nèi)螺紋。車削成型內(nèi)螺紋表面有許多加工痕跡集中在牙頂附近。擠壓成型內(nèi)螺紋表面損傷小，幾乎沒有類似于車削成型內(nèi)螺紋表面的加工痕跡。

圖2 7050 鋁合金內(nèi)螺紋初始試樣SEM 圖

2.2 內(nèi)螺紋前三圈拉脫力測(cè)試

7050 鋁合金內(nèi)螺紋試樣螺距為1.25 mm，將7050 鋁合金內(nèi)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(yàn)機(jī)按照0.5 kN/s 的速度施加軸向拉力，直至拉脫。

測(cè)得車削和擠壓成型的7050 鋁合金內(nèi)螺紋試樣前三圈螺紋拉脫力如表3 所示。可以看出，擠壓成型的內(nèi)螺紋試樣前三圈螺紋拉脫力平均值大于車削成型的內(nèi)螺紋試樣，即擠壓成型內(nèi)螺紋比車削成型內(nèi)螺紋承載能力更強(qiáng)，擠壓螺紋拉脫力的標(biāo)準(zhǔn)差比車削內(nèi)螺紋標(biāo)準(zhǔn)差低，即擠壓成型內(nèi)螺紋的拉脫力波動(dòng)性更小。內(nèi)螺紋在擠壓成型時(shí)，金屬通過擠壓絲錐邊齒的作用在預(yù)制件的孔底產(chǎn)生塑性流動(dòng)，擠壓成形后，內(nèi)螺紋表面出現(xiàn)加工硬化，其組織纖維變得細(xì)化，沿螺紋形態(tài)流線分布，表層一定深度存在殘余應(yīng)力場(chǎng)，使擠壓內(nèi)螺紋的抗拉強(qiáng)度高于車削加工的內(nèi)螺紋。

表3 7050 鋁合金前三圈拉脫力測(cè)試

2.3 松動(dòng)試驗(yàn)后內(nèi)螺紋表面損傷分析

M8 內(nèi)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(yù)緊力進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選取預(yù)緊力12 kN、14 kN、16 kN。

2.3.1 內(nèi)螺紋宏觀損傷分析

擠壓和車削成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力14 kN、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)第一圈工作螺紋的宏觀損傷形貌如圖3 所示?？梢钥闯?，車削成型的螺紋損傷較為嚴(yán)重，其損傷以犁溝為主，并伴有少量的剝落坑。擠壓成型的內(nèi)螺紋由于冷作硬化表層硬度提高，故在試驗(yàn)后損傷較輕。整體來看，第一圈工作螺紋損傷最嚴(yán)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(nèi)螺紋宏觀表面

2.3.2 內(nèi)螺紋表面三維形貌分析

車削和擠壓成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力12 kN、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)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?qū)挾确謩e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(yàn)后承載面二維輪廓

2.3.3 內(nèi)螺紋表面SEM 分析

車削和擠壓成型的7050 鋁合金內(nèi)螺紋在預(yù)緊力14 kN、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)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。可以看出，車削成型內(nèi)螺紋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(yán)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(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損；擠壓成型內(nèi)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(jī)制為磨粒磨損。從整體來看，擠壓成型的內(nèi)螺紋損傷程度比車削成型的內(nèi)螺紋輕。

圖5 車削和擠壓內(nèi)螺紋工作螺紋表面SEM 形貌

車削和擠壓成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力12 kN、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)第一圈工作螺紋的SEM 形貌如圖6 所示?？梢钥闯?，損傷集中在螺紋中部和牙底。車削成型的內(nèi)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(jī)制主要是磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損。擠壓成型的內(nèi)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(jī)制主要為黏著磨損和磨粒磨損。

圖6 不同方式成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力為12 kN 時(shí)SEM 形貌

車削和擠壓成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力16 kN、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)第一圈工作螺紋的SEM 形貌如圖7 所示。可以看出，車削成型的內(nèi)螺紋牙底存在嚴(yán)重?fù)p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(nèi)螺紋表面損傷情況明顯比車削成型的內(nèi)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(jī)制為磨粒磨損。

圖7 不同方式成型的內(nèi)螺紋在預(yù)緊力為16 kN 時(shí)SEM 形貌

綜上所述，不同預(yù)緊力預(yù)緊的螺紋連接結(jié)構(gòu)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(nèi)螺紋表面的損傷程度均隨著預(yù)緊力的增加而減輕。隨著預(yù)緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應(yīng)力略微増大，但相對(duì)滑移量明顯減小，表面單位面積的摩擦耗散能減?。煌瑫r(shí)，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(yīng)變減小，螺栓殘余軸向力與預(yù)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(jī)制由疲勞磨損、粘著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變。

2.4 軸向載荷下不同方式成型的內(nèi)螺紋的松動(dòng)行為

車削和擠壓成型的螺紋在不同預(yù)緊力下、軸向激勵(lì)22 kN 時(shí)的松動(dòng)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(yù)緊力的百分比。

圖8 不同預(yù)緊力下車削和擠壓螺紋松動(dòng)曲線

可以看出，松動(dòng)主要分為兩個(gè)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(dòng)程度占整體松動(dòng)程度的70%，此階段去除螺紋表面粗糙峰和螺紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(yīng)，接觸界面之間的微動(dòng)磨損是螺栓軸向力下降的主要原因[16-17]。

（1）當(dāng)預(yù)緊力為12 kN 時(shí)，車削和擠壓成型的螺紋松動(dòng)程度分別為3.2%和2%，車削成型的內(nèi)螺紋松動(dòng)程度大于擠壓成型的內(nèi)螺紋。在第一階段，車削螺紋的松動(dòng)曲線斜率大于擠壓螺紋，即車削螺紋在同等條件下松動(dòng)速率大于擠壓螺紋。這是因?yàn)檐囅鞒尚偷膬?nèi)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(dòng)程度更大，松動(dòng)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(dòng)程度更小，松動(dòng)速率更小。

（2）當(dāng)預(yù)緊力為14 kN 時(shí)，車削和擠壓成型的螺紋的松動(dòng)程度和松動(dòng)速率相差較小。

（3）當(dāng)預(yù)緊力為16 kN 時(shí)，經(jīng)過20 萬次循環(huán)后，車削和擠壓成型的螺紋松動(dòng)程度分別為3.7%和1.8%。隨著預(yù)緊力的增加，螺紋連接結(jié)構(gòu)的循環(huán)次數(shù)也在增加，經(jīng)過5 萬次循環(huán)加載后，預(yù)緊力16 kN 的車削螺紋松動(dòng)程度為2.9%，小于3.2%，擠壓螺紋松動(dòng)程度為1.1%，小于2%，即在前5 萬個(gè)循環(huán)周次內(nèi)，預(yù)緊力12 kN 的螺紋連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)程度更大。綜上，在推薦范圍內(nèi)，隨著預(yù)緊力的增加，螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)程度減小。

車削和擠壓成型的螺紋在不同軸向激勵(lì)、預(yù)緊力12 kN 時(shí)的松動(dòng)曲線如圖9 所示。車削成型的內(nèi)螺紋用相同的預(yù)緊力預(yù)緊時(shí)，松動(dòng)程度隨著軸向激勵(lì)的增加而增大[18]。且前1 萬次循環(huán)松動(dòng)程度占整體松動(dòng)的70%。其中軸向激勵(lì)20 kN 時(shí)松動(dòng)程度最大，為3.1%。螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)曲線可以分為兩個(gè)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(dòng)磨損過程中產(chǎn)生的磨屑堆積在螺紋接觸界面造成的。

圖9 不同軸向激勵(lì)下車削和擠壓螺紋松動(dòng)曲線

3 結(jié)論

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

（2）內(nèi)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(jī)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(yán)重，不同預(yù)緊力預(yù)緊的螺紋連接結(jié)構(gòu)在相同軸向載荷下?lián)p傷程度隨著預(yù)緊力的增加而減輕。

（3）在相同試驗(yàn)條件下，擠壓成型的內(nèi)螺紋松動(dòng)程度小于車削成型的內(nèi)螺紋。在前1 萬次循環(huán)，螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)占整體松動(dòng)的70%，車削螺紋的松動(dòng)速率大于擠壓螺紋。

（4）螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)程度和損傷程度，隨著預(yù)緊力的增加而減小。隨著預(yù)緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應(yīng)力略微増大，但相對(duì)滑移量明顯減小；同時(shí)，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(yīng)變減小，螺栓殘余軸向力與預(yù)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(lì)的增加，螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)程度逐漸增加，在緩慢下降階段，局部循環(huán)周次內(nèi)出現(xiàn)軸向力先升高然后降低。