齊芃芃，王 利，康 銘，金 鑫，周金旭

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

鋁合金具有密度低、比強度高、回收利用率高等優(yōu)點，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)計準(zhǔn)則要求，當(dāng)鋁合金內(nèi)螺紋采用鋼制螺栓擰緊時旋合長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到上述要求，所以可以采用自攻螺套提升鋁合金螺紋強度[3]。自攻螺套又稱自攻牙套，是一種增強軟質(zhì)基體螺紋強度、修補脫扣螺紋、實現(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、無間隙等特點[4]，但相關(guān)技術(shù)研究較少。因此，本文選取不同內(nèi)螺紋長度的鋁合金產(chǎn)品，通過驗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度對連接強度的影響；同時開展自攻螺套對鋁合金內(nèi)螺紋連接強度影響的研究，為鋁合金螺紋緊固連接設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及制備方法

將用于開展鋁合金內(nèi)螺紋與鋼制螺栓旋合長度研究的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旋合長度分別為1 d、1.5 d和2 d，其中d為螺栓公稱直徑。

試驗選用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)，其中自攻螺套長度為9 mm，即螺套所能提供M8×1.25內(nèi)螺紋的長度為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 檢驗方法

開展推出力和破壞扭矩分析（見圖2），其中推出力檢驗是利用電子萬能試驗機對與內(nèi)螺紋旋合的螺栓施加軸向載荷，檢驗時內(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。檢驗破壞扭矩時將試樣固定，檢驗螺栓與試樣旋合時螺栓頭下采用與螺栓規(guī)格匹配的墊片，利用數(shù)顯力矩扳手對螺栓施加載荷直至試驗件破壞，記錄最大扭矩值及破壞形式。

圖2 檢驗方法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 螺紋旋合長度對連接影響

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

表2 推出力值檢測數(shù)據(jù)

圖3 扭矩檢測后的螺紋形貌

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)螺紋有效旋合長度不足時，承載能力會因為螺紋脫扣而降低[5]。因此，隨螺紋旋合長度增加，試樣所承受的破壞扭矩和推出力提高。當(dāng)螺紋旋合長度達到公稱直徑1.5倍時，在130 N·m扭矩條件下不發(fā)生破壞，推出力均值可達82592.8 N。

2.2 自攻螺套對鋁合金內(nèi)螺紋連接強度的影響

表3為破壞扭矩測試值。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 破壞扭矩數(shù)據(jù)

表4 推出力試驗數(shù)據(jù)

通過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)生點接觸，因此施加載荷時受載不均，降低了破壞扭矩和推出力。對于增加自攻螺套的內(nèi)螺栓，不但自攻螺套材料強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。但是在本試驗中，通過對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度僅為6 mm，而螺栓與單純攻絲加工的內(nèi)螺紋旋合長度為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度為1.5倍公稱直徑時滿足12.9級螺栓裝配扭矩要求，且較旋合長度為1倍公稱直徑時的推出力明顯提高。

（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。