5XXX系鋁合金冷擠壓成形內(nèi)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(nèi)螺紋樣件，對兩種加工方式得到的樣件進(jìn)行拉伸、極限緊固力矩試驗(yàn)，結(jié)果表明冷擠壓成形內(nèi)螺紋性能明顯優(yōu)于切削成形內(nèi)螺紋，是一種提升鋁合金內(nèi)螺紋性能的有效方法。

關(guān)鍵詞：5XXX鋁合金;內(nèi)螺紋;冷擠壓成形

中圖分類號：TG166.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(qiáng)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(shè)備上大量應(yīng)用[1]。5XXX系鋁合金中，5052、5083在軌道交通裝備應(yīng)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(jī)械緊固、電連接緊固的主要方式，在鋼鐵材料結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛，但在鋁合金結(jié)構(gòu)中應(yīng)用受到一定限制，傳統(tǒng)切削方法加工而成的鋁合金內(nèi)螺紋，強(qiáng)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(xiàn)的內(nèi)螺紋加工新方法，其通過在工件相應(yīng)位置上預(yù)制加工底孔，然后利用擠壓絲錐旋進(jìn)底孔，錐部棱脊部分?jǐn)D壓工件材料，使得材料沿絲錐牙側(cè)流動，產(chǎn)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(nèi)螺紋相比，（冷）擠壓形成內(nèi)螺紋強(qiáng)度和硬度更高、光潔度更好、抗疲勞性能更好，不產(chǎn)生切屑，且加工參數(shù)選擇合理的情況下成本更低。但以往文獻(xiàn)資料主要針對2024鋁合金、Q460高強(qiáng)度鋼、300M超高強(qiáng)度鋼等材料的擠壓成形內(nèi)螺紋性能進(jìn)行評估[4-6]，關(guān)于常用5XXX系鋁合金擠壓成形內(nèi)螺紋性能的研究仍是缺失的，且軌道交通裝備應(yīng)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(nèi)螺紋性能是否能滿足軌道交通應(yīng)用要求，因而對5XXX系鋁合金擠壓成形內(nèi)螺紋的性能進(jìn)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(nèi)螺紋的拉伸性能、極限緊固力矩進(jìn)行了對比分析，可為5XXX系鋁合金螺紋緊固連接相關(guān)研究提供參考。

1? 實(shí)驗(yàn)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(nèi)螺紋的性能差異，具體試驗(yàn)內(nèi)容及方法如下：

①拉伸性能。選擇5052-O、5083-O鋁合金內(nèi)螺紋進(jìn)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(nèi)螺紋和切削成形內(nèi)螺紋試樣各5件，不同規(guī)格內(nèi)螺紋試樣外形尺寸如表1、圖1（左）所示。在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖1（右）所示，試驗(yàn)參照《GJB 715.23A緊固件試驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

②極限緊固力矩。選擇5052-O、5083-O鋁合金內(nèi)螺紋進(jìn)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(nèi)螺紋和切削成形內(nèi)螺紋試樣各1件，每個(gè)試樣上加工內(nèi)螺紋孔25處，不同規(guī)格內(nèi)螺紋試樣外形尺寸如表2、圖2（左）所示。使用ET2SKA25數(shù)顯力矩扳手進(jìn)行極限緊固力矩測試，測試過程如圖2（右）所示。

2? 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3、圖3所示，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由5件試樣測試數(shù)據(jù)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(nèi)外螺紋都表現(xiàn)出比切削成形內(nèi)螺紋更高的拉脫力，其中5052-0鋁合金擠壓成形方式內(nèi)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(nèi)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(shí)，擠壓成形內(nèi)螺紋性能提升幅度達(dá)到最大，分別為14.5%、16.1%。以上結(jié)果表明，擠壓成形能有效提升鋁合金內(nèi)螺紋的拉伸性能。

2.2 極限緊固力矩試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行極限緊固力矩試驗(yàn)，結(jié)果如表4、圖4所示，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由5件試樣測試數(shù)據(jù)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(nèi)外螺紋均表現(xiàn)出比切削成形內(nèi)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(nèi)螺紋的極限緊固力矩顯著增加，當(dāng)螺紋公稱直徑增大至M8時(shí)，5052-O、5083-O鋁合金擠壓成形內(nèi)螺紋極限緊固力矩提升幅度分別達(dá)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(nèi)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(nèi)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(nèi)螺紋，波動較大，但綜合來看，擠壓成形可使鋁合金內(nèi)螺紋的極限緊固力矩得到顯著提升。

以上結(jié)果表明，擠壓成形內(nèi)螺紋拉伸性能、極限緊固力矩均明顯優(yōu)于切削成形內(nèi)螺紋。這是由于：一方面，擠壓成形使材料在三向壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶，同時(shí)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(nèi)螺紋更少;另一方面，擠壓過程中的冷作硬化作用，形成強(qiáng)化層，使內(nèi)螺紋獲得更高的強(qiáng)度和硬度[7]，因而表現(xiàn)出比切削成形內(nèi)螺紋更優(yōu)越的性能。當(dāng)然，不同規(guī)格內(nèi)螺紋性能提升的幅度出現(xiàn)了一定的波動，這是由于冷擠壓成形工藝參數(shù)選擇不合理所致，工藝參數(shù)的優(yōu)選是擠壓成形的難點(diǎn)，需要反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化，以達(dá)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(nèi)更容易產(chǎn)生積屑且加工時(shí)冷卻潤滑條件相對較差，對底孔直徑、轉(zhuǎn)速、冷卻液等工藝參數(shù)的選擇更敏感，參數(shù)選擇不合理，螺紋容易出現(xiàn)爛牙、局部過熱燒傷、牙高不足等缺陷，影響螺紋精度、表面質(zhì)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(qiáng)度更高、塑性相對較差，冷擠壓成形難度更大，導(dǎo)致5083-O鋁合金擠壓成形內(nèi)螺紋性能波動更為明顯。

3? 結(jié)論

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

①與切削成形內(nèi)螺紋相比，擠壓成形內(nèi)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(nèi)外螺紋均表現(xiàn)出比切削成形內(nèi)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(nèi)螺紋可靠性明顯優(yōu)于切削成形鋁合金內(nèi)螺紋，可替代切削成形鋁合金內(nèi)螺紋，且擠壓成形方式在加工參數(shù)選擇合理的情況下相對切削成形成本更低，可廣泛推廣應(yīng)用于軌道交通裝備產(chǎn)品。

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