螺纹旋合长度和自攻螺套对铝合金螺纹连接的影响

2022-11-02齐芃芃周金旭

铝加工 2022年5期

齐芃芃，王利，康铭，金鑫，周金旭

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳 111003）

0 前言

铝合金具有密度低、比强度高、回收利用率高等优点，在汽车轻量化、轨道车辆、全铝家居、航空工业等领域应用广泛[1-2]。根据相关设计准则要求，当铝合金内螺纹采用钢制螺栓拧紧时旋合长度至少为螺栓公称直径的两倍，但是受产品体积和结构等因素限制通常难以达到上述要求，所以可以采用自攻螺套提升铝合金螺纹强度[3]。自攻螺套又称自攻牙套，是一种增强软质基体螺纹强度、修补脱扣螺纹、实现不同螺纹规格转换的紧固件，具备自行攻制螺纹、直接旋入基体的安装孔内、与基体紧密旋合、无间隙等特点[4]，但相关技术研究较少。因此，本文选取不同内螺纹长度的铝合金产品，通过验证推出力和破坏扭矩的差异，分析铝合金内螺纹与钢制螺栓旋合长度对连接强度的影响；同时开展自攻螺套对铝合金内螺纹连接强度影响的研究，为铝合金螺纹紧固连接设计提供参考数据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及制备方法

将用于开展铝合金内螺纹与钢制螺栓旋合长度研究的5083材料加工成阶梯孔，其中大孔孔径为φ20 mm，小孔直径为φ10.4 mm。小孔攻丝后螺纹规格M12，螺纹深度分别为12 mm、18 mm及24 mm，从而保证铝合金内螺纹与钢制螺栓拧紧时旋合长度分别为1 d、1.5 d和2 d，其中d为螺栓公称直径。

试验选用307型M8×1.25自攻螺套，利用专用工具将自攻螺套攻入基材内，其中自攻螺套长度为9 mm，即螺套所能提供M8×1.25内螺纹的长度为9 mm。选用与基材相同材质的铝合金攻丝制备内螺纹，为保证自攻螺套提供的内螺纹与铝基材料攻丝加工的内螺纹一致性，铝基材料内螺纹长度同样为9 mm。

图1为试样制备的示意图。

图1 试样制备示意图

1.2 检验方法

开展推出力和破坏扭矩分析（见图2），其中推出力检验是利用电子万能试验机对与内螺纹旋合的螺栓施加轴向载荷，检验时内螺纹与螺栓充分旋合，轴向载荷加载速度为3 mm/min，记录载荷最大值及试样破坏形式。检验破坏扭矩时将试样固定，检验螺栓与试样旋合时螺栓头下采用与螺栓规格匹配的垫片，利用数显力矩扳手对螺栓施加载荷直至试验件破坏，记录最大扭矩值及破坏形式。

图2 检验方法示意图

2 结果与讨论

2.1 螺纹旋合长度对连接影响

表1为内螺纹与螺栓不同旋合长度时的破坏扭矩值及破坏形式。当旋合长度为12 mm时，扭矩值低于120 N·m，且检测后内螺纹破坏；旋合长度为18 mm和24 mm时，扭矩值增加至130 N·m，内螺纹无破坏现象。由于此螺栓安装扭矩为120 N·m，因此当旋合长度为18 mm时，内螺纹强度能够满足螺栓装配而不发生破坏，即旋合长度为1.5倍螺纹公称直径时扭矩值满足12.9级M12螺栓装配扭矩要求。对螺纹旋合长度分别为1倍和1.5倍公称直径的试样推出力进行检测，结果如表2所示。可以看出，螺纹旋合长度为1.5倍公称直径的试样推出力值明显高于旋合长度为1倍公称直径试样，破坏形式均为螺纹破坏，无法拆卸。扭矩检测后的螺纹形貌如图3所示。

表2 推出力值检测数据

图3 扭矩检测后的螺纹形貌

表1 破坏扭矩及破坏形式

有研究认为在螺纹最小拉力载荷值以内，螺纹有效旋合长度与承载能力成正比关系，当螺栓与内螺纹有效旋合长度不足时，承载能力会因为螺纹脱扣而降低[5]。因此，随螺纹旋合长度增加，试样所承受的破坏扭矩和推出力提高。当螺纹旋合长度达到公称直径1.5倍时，在130 N·m扭矩条件下不发生破坏，推出力均值可达82592.8 N。

2.2 自攻螺套对铝合金内螺纹连接强度的影响

表3为破坏扭矩测试值。增加自攻螺套的铝合金内螺纹比单纯攻丝加工的铝合金内螺纹的破坏扭矩提升42.74%，且用于检验的螺栓发生破坏而螺套螺纹未发生破坏；从表4结果可知，在提供相同长度内螺纹的条件下，两种螺纹提供的推出力值接近。

表3 破坏扭矩数据

表4 推出力试验数据

通过攻丝加工的铝合金内螺纹存在角度误差和牙距误差，导致螺栓和内螺纹之间的接触面很小，甚至发生点接触，因此施加载荷时受载不均，降低了破坏扭矩和推出力。对于增加自攻螺套的内螺栓，不但自攻螺套材料强度高而且尺寸精度高，使得铝合金基体和自攻螺套的接触面积增加，受载不易损坏。但是在本试验中，通过对自攻螺套尺寸研究发现，307型自攻螺套受自身结构限制，其与铝基体的有效旋合长度仅为6 mm，而螺栓与单纯攻丝加工的内螺纹旋合长度为9 mm，因此增加自攻螺套的试样在推出力方面并未有所提升[6]。