挤压和车削成型方式对螺纹连接松动行为影响研究.pdf

第51 卷 第01 期 机械 Vol.51 No.01 2024 年 1 月 MACHINERY January 2024 收稿日期：2022-08-11 基金项目：国家自然科学基金“叶企孙”科学基金（UU2141212）；国家自然科学基金面上项目（52075460）作者简介：冯中立（1992），男，山东临沂人，硕士，主要研究方向为高速列车车轴加工工艺，E-mail：fengzhongli_。*通讯作者：刘建华（1987），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向为机械连接设计，E-mail：jianhua-。挤压和车削成型方式对螺纹连接 松动行为影响研究 冯中立1，邓秋深2，张云樵3，刘涛3，刘建华*,3，朱旻昊3（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100；3.西南交通大学 材料先进技术教育部重点试验室，四川 成都 610031）摘要：针对 7050 铝合金车削成型和挤压成型的内螺纹开展损伤形貌分析和机械性能分析，基于自主研制的螺纹连接结构松动试验夹具和随机振动试验夹具，系统开展了在轴向激励下车削和挤压内螺纹/螺栓连接结构的松动行为研究。结果表明：内螺纹在挤压成型时材料发生塑性流动，螺纹表层组织呈流线分布，由于发生塑性变形时的冷作硬化，使得螺纹表面硬度高，质量好；挤压成型的内螺纹相较于车削成型的内螺纹更难以拉脱；挤压成型内螺纹的松动速率大于车削内螺纹；车削螺纹损伤程度比挤压螺纹严重，内螺纹的损伤主要集中在螺纹牙中部和牙底，螺纹表面损伤特征主要呈现为剥层、塑性变形以及犁沟。螺纹表面的磨损机制主要为疲劳磨损、磨粒磨损、粘着磨损。关键词：车削成型；挤压成型；螺纹连接；微动磨损；损伤形貌 中图分类号：TH131.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.01.008 文章编号：10060316(2024)01005308 Effect of Extrusion and Turning Forming Method on the Loosening Behaviour of Threaded Joints FENG Zhongli1，DENG Qiushen2，ZHANG Yunqiao3，LIU Tao3，LIU Jianhua3，ZHU Minhao3(1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China;2.CNPC Jichai Power Company Limited Chengdu Compressor Branch,Chengdu 610100,China;3.Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract：This paper analyzes the damage morphology and mechanical properties of the 7050 aluminum alloy turning and extrusion forming.Based on the self-developed thread connection structure loosening test clamp and random vibration test clamp,the system conducts the loose behavior of the turning and extrusion connection structure under axial excitation.The results show that the plastic flow of the material occurs in the internal thread during extrusion forming,and the surface layer of the thread has a streamlined distribution.The cold work hardening when plastic deformation occurs results in the high hardness and good quality of the thread surface.The extruded internal thread is more difficult to pull off than the turning internal thread.The loosening rate of 54 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 the extrusion forming internal thread is greater than the turning internal thread.The damage degree of the turning thread is more serious than that of the extrusion thread.The damage of the internal thread is mainly concentrated in the middle part and bottom of the thread tooth,and the thread surface damage is mainly characterized by peeling,plastic deformation and furrow.The main wear mechanisms of thread surface are fatigue wear,adhesion wear and adhesive wear.Key words：extrusion forming；turning forming；threaded joints；micro wear；damage morphology 螺纹连接结构具有结构简单、装卸方便、可靠性高等优点，广泛应用于机械、航空、医疗等行业1-4。螺纹连接的性能直接关系到机械设备的使用寿命，这要求设计加工的内螺纹能同时满足性能可靠、使用寿命长、经济实惠等要求。目前，高精度、难车削加工材料的螺纹加工，普遍存在精度较低、周期较长、成本较高等问题，严重影响了其性能和使用寿命5-7。内螺纹大多使用切削工艺制造，然而，传统车削工艺存在切屑难以排出的问题，使得内螺纹表面质量较差，导致加工螺纹不合格。如果加工过程中对切屑进行人为清理，则影响装备加工的自动化程度，降低了加工效率。挤压成型内螺纹时无切屑产生，可有效提高螺纹加工质量及效率。铝合金的强度比钢低，塑性比钢好，使得铝合金内螺纹连接结构在相同轴向力下比钢制内螺纹更易拉脱。挤压成型可以提高螺纹表层强硬度，还能降低螺纹粗糙度，挤压加工后的螺纹表面存在残余压应力，使得螺纹具有更佳的抗松动性能。所以，挤压成型更适合铝合金内螺纹的加工，可以充分发挥铝合金高比强度的优势8-13。本文开展了挤压和车削两种成型方式对7050 铝合金内螺纹/钢螺栓连接结构的松动影响的研究，综合分析螺纹微观损伤机理、螺栓轴向力衰减曲线和螺栓连接结构响应曲线，探讨了不同预紧力、不同成型方式、不同轴向激励对螺纹连接结构松动影响。1 试验材料及试验方法 1.1 螺纹连接结构松动试验夹具与试验方法 7050铝合金内螺纹在轴向激励下螺纹连接结构松动试验夹具装配图如图 1 所示。1.上夹具夹持端；2.上夹具；3.M8 螺栓；4.轴力传感器；5.7050铝合金内螺纹试样；6.M8 止动螺栓；7.下夹具；8.下夹具夹持端。图 1 7050 铝合金内螺纹试验夹具装配体示意图 将下夹具夹持端固定，通过旋转 M8 螺栓固定 7050 铝合金内螺纹试样，M8 螺栓依次穿过轴力传感器、上夹具、下夹具，然后用扭矩扳手将试验内螺纹按照试验要求的预紧力拧紧，最后夹紧上夹具与疲劳机上夹头。轴力传感器数据输出线与 DADHS 动态信号采集分析系统相连，实现对螺栓轴向力变化的数据采集。其中，上、下夹具均为 45 钢；M8 螺栓均为 8.8 级高强度标准螺栓，旋入深度为 16 mm；M8 内螺纹试样为 7050 铝合金，尺寸为 60 mm 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 55 60 mm30 mm，螺纹孔深度为 18 mm。挤压成型 M8 内螺纹底孔直径为 7.4 mm。试验结束后，用电火花线切割法截取前三圈工作内螺纹，用超声波清洗仪对其进行清洗，然后用Bruker Contour GT白光干涉三维形貌仪（White Light Interference，WLI）、JSM-6610LV扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对其表面进行分析。1.2 试验材料与试验参数 本文试验内螺纹所用材料为 7050 铝合金，7050 铝合金螺纹基体材料化学元素成分如表 1所示，查询 GB/T 3190200814，其含量符合试验要求。7050 铝合金的力学性能为：延伸率16%，抗拉强度 516 MPa，屈服强度 455 MPa。7050铝合金内螺纹分为车削成型和挤压成型两种，无特殊符号。7050 铝合金内螺纹的参数为：公称直径 8 mm，螺距 1.25 mm，牙型角 60，螺距和牙型角实测值如表 2 所示。螺纹连接结构松动试验为 7050 铝合金内螺纹松动试验，分为相同预紧力不同成型方式试验、相同交变载荷不同预紧力试验、相同预紧力不同交变载荷试验三种。试验中选取的 M8螺栓为普通标准8.8级螺栓，查机械设计手册15可知公称应力截面积为 34.7 mm2、预紧力 P014 kN。考虑实际工程中，采用数显扭矩扳手进行螺栓预紧有 20%的误差，故试验选用 12 kN、14 kN、16 kN。轴向交变载荷采取正弦加载的方式控制，加载路径为：FAFAFsin(2ft)式中：F 为加载载荷；AF为轴向激励；f 为试验频率；t 为时间。取 f25 Hz，AF15 kN、17 kN、20 kN。试验循环次数 N1106次，每组参数重复 3次试验。表 1 7050 铝合金的化学成分 化学成分质量分数/%化学成分 质量分数/%Zr 0.093 Cr 0.025 Si 0.085 Mg 2.097 Mn 0.095 Ti 0.035 Zn 6.887 Cu 2.432 Fe 0.085 Al 余量 表 2 7050 铝合金内螺纹螺距和牙型角实测值 成型方式 螺距/m 牙型角/（）车削成型1254.07.4 60.50.9 挤压成型1251.23.1 60.40.4 2 结果与讨论 2.1 内螺纹表面分析 车削和挤压成型的 7050 铝合金内螺纹初始试样表面形貌SEM图如图2所示。可以看出，挤压成型的内螺纹表面因加工产生的损伤和剥层少于车削成型的内螺纹。车削成型内螺纹表面有许多加工痕迹集中在牙顶附近。挤压成型内螺纹表面损伤小，几乎没有类似于车削成型内螺纹表面的加工痕迹。（a）车削成型 （b）挤压成型 图 2 7050 铝合金内螺纹初始试样 SEM 图 200 m50 m50 m剥层 200 m50 m50 m56 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 2.2 内螺纹前三圈拉脱力测试 7050 铝合金内螺纹试样螺距为 1.25 mm，将 7050 铝合金内螺纹试样通过两颗紧固螺栓固定在下夹具上，螺栓依次穿过传感器、上夹具、下夹具，螺栓旋入深度为 3.75 mm，疲劳试验机按照 0.5 kN/s 的速度施加轴向拉力，直至拉脱。测得车削和挤压成型的 7050 铝合金内螺纹试样前三圈螺纹拉脱力如表 3 所示。可以看出，挤压成型的内螺纹试样前三圈螺纹拉脱力平均值大于车削成型的内螺纹试样，即挤压成型内螺纹比车削成型内螺纹承载能力更强，挤压螺纹拉脱力的标准差比车削内螺纹标准差低，即挤压成型内螺纹的拉脱力波动性更小。内螺纹在挤压成型时，金属通过挤压丝锥边齿的作用在预制件的孔底产生塑性流动，挤压成形后，内螺纹表面出现加工硬化，其组织纤维变得细化，沿螺纹形态流线分布，表层一定深度存在残余应力场，使挤压内螺纹的抗拉强度高于车削加工的内螺纹。表 3 7050 铝合金前三圈拉脱力测试 试样 拉脱力/kN 样品 1 样品 2 样品 3 样品 4 样品 5 样品 6 样品 7 样品 8 样品 9 样品 10 均值 标准差 车削试样 8.53 8.08 9.64 7.98 8.027.869.377.498.379.09 8.44 0.71 挤压试样 10.9510.47 10.6 12.26 10.8510.8611.4811.2810.8712.1311.75 0.61 2.3 松动试验后内螺纹表面损伤分析 M8 内螺纹螺距为 1.25 mm，螺纹小径为6.917 mm，选取相同轴向载荷、不同预紧力进行试验。试验选取预紧力 12 kN、14 kN、16 kN。2.3.1 内螺纹宏观损伤分析 挤压和车削成型的内螺纹在预紧力 14 kN、轴向激励 22 kN 时第一圈工作螺纹的宏观损伤形貌如图 3 所示。可以看出，车削成型的螺纹损伤较为严重，其损伤以犁沟为主，并伴有少量的剥落坑。挤压成型的内螺纹由于冷作硬化表层硬度提高，故在试验后损伤较轻。整体来看，第一圈工作螺纹损伤最严重，损伤程度随着螺纹圈次的增加而降低。2.3.2 内螺纹表面三维形貌分析 车削和挤压成型的内螺纹在预紧力 12 kN、轴向激励 22 kN 时第一圈工作螺纹的二维轮廓如图 4 所示。车削和挤压成型的螺纹损伤区域宽度分别为 453 m 和 346 m，损伤最深处分别为8 m和6 m，最高处分别为10 m和7 m。螺纹表面既有剥落形貌，也有反向隆起的挤压形貌，车削和挤压成型的螺纹磨损体积分别为0.014 mm3和 0.006 mm3，反向隆起体积分别为0.014 mm3和 0.009 mm3。第三圈第二圈第一圈1 mm1 mm （a）车削成型 （b）挤压成型 图 3 车削成型和挤压成型内螺纹宏观表面 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 57 图 4 车削和挤压螺纹试验后承载面二维轮廓 2.3.3 内螺纹表面 SEM 分析 车削和挤压成型的 7050 铝合金内螺纹在预紧力 14 kN、轴向激励 22 kN 时第一圈工作螺纹的 SEM 损伤形貌如图 5 所示，其中区域 I 为牙底，II 为牙顶。可以看出，车削成型内螺纹牙底的损伤主要是材料剥落和塑性变形，螺纹牙中部主要是犁沟和少量剥落坑，牙顶损伤较严重、主要是犁沟和塑性变形、并存在材料剥落后形成的磨屑，所以损伤机制为磨粒磨损和黏着磨损；挤压成型内螺纹损伤主要集中在牙底和螺纹牙中部，损伤主要为犁沟和塑性变形，磨损机制为磨粒磨损。从整体来看，挤压成型的内螺纹损伤程度比车削成型的内螺纹轻。车削和挤压成型的内螺纹在预紧力 12 kN、轴向激励22 kN时第一圈工作螺纹的SEM形貌如图 6 所示。可以看出，损伤集中在螺纹中部和牙底。车削成型的内螺纹牙底与螺纹牙中部损伤有犁沟、塑性变形和剥层，磨损机制主要是磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损。挤压成型的内螺纹主要损伤区域是螺纹牙中部和牙底，损伤主要为犁沟、材料的剥落和塑性变形，磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损。车削和挤压成型的内螺纹在预紧力 16 kN、轴向激励22 kN时第一圈工作螺纹的SEM形貌如图 7 所示。可以看出，车削成型的内螺纹牙底存在严重损伤，以犁沟为主，而牙顶几乎没有损伤，螺纹牙中部的损伤情况明显比牙底轻。挤压成型的内螺纹表面损伤情况明显比车削成型的内螺纹轻，损伤主要分布在螺纹牙中下部和牙底，以犁沟为主，磨损机制为磨粒磨损。（a）车削成型 （b）挤压成型 图 5 车削和挤压内螺纹工作螺纹表面 SEM 形貌 （a）车削成型 （b）挤压成型 图 6 不同方式成型的内螺纹在预紧力为 12 kN 时 SEM 形貌 200 m50 m50 m犁沟磨屑 200 m50 m50 m犁沟剥层 200 m50 m50 m犁沟200 m50 m50 m犁沟 磨屑58 机械 第 51 卷 第 01 期 2024 年 （a）车削成型 （b）挤压成型 图 7 不同方式成型的内螺纹在预紧力为 16 kN 时 SEM 形貌 综上所述，不同预紧力预紧的螺纹连接结构在相同轴向载荷下螺纹表面损伤情况不同，车削和挤压成型的内螺纹表面的损伤程度均随着预紧力的增加而减轻。随着预紧力的增大，螺纹接触界面的摩擦应力略微増大，但相对滑移量明显减小，表面单位面积的摩擦耗散能减小；同时，螺纹接触面积増大，螺纹根部由交变载荷引起的累积塑性应变减小，螺栓残余轴向力与预紧力之比增大，螺纹表面的磨损程度逐渐降低，主要的磨损机制由疲劳磨损、粘着磨损向磨粒磨损转变。2.4 轴向载荷下不同方式成型的内螺纹的松动行为 车削和挤压成型的螺纹在不同预紧力下、轴向激励 22 kN 时的松动曲线如图 8 所示。其中 RF为每次循环加载后螺栓残余轴向力与初始预紧力的百分比。可以看出，松动主要分为两个阶段，第一阶段，轴向力迅速下降，通常循环次数 N0104次，松动程度占整体松动程度的 70%，此阶段去除螺纹表面粗糙峰和螺纹结构产生塑性变形，螺栓轴向力迅速下降；第二阶段为缓慢下降阶段，随着循环次数的增加，由于材料的棘轮效应，接触界面之间的微动磨损是螺栓轴向力下降的主要原因16-17。（1）当预紧力为 12 kN 时，车削和挤压成型的螺纹松动程度分别为 3.2%和 2%，车削成型的内螺纹松动程度大于挤压成型的内螺纹。在第一阶段，车削螺纹的松动曲线斜率大于挤压螺纹，即车削螺纹在同等条件下松动速率大于挤压螺纹。这是因为车削成型的内螺纹表面粗糙度较高，第一阶段去除的粗糙峰更多，故车削螺纹松动程度更大，松动速率更大；挤压成型的螺纹由于冷作硬化表层硬度更高，更不容易发生塑性变形，所以挤压螺纹在第一阶段松动程度更小，松动速率更小。（a）预紧力 12 kN （b）预紧力 14 kN （c）预紧力 16 kN 图 8 不同预紧力下车削和挤压螺纹松动曲线 200 m50 m50 m犁沟200 m50 m50 m犁沟 第 51 卷 第 01 期 2024 年 机械 59 （2）当预紧力为 14 kN 时，车削和挤压成型的螺纹的松动程度和松动速率相差较小。（3）当预紧力为 16 kN 时，经过 20 万次循环后，车削和挤压成型的螺纹松动程度分别为 3.7%和 1.8%。随着预紧力的增加，螺纹连接结构的循环次数也在增加，经过 5 万次循环加载后，预紧力 16 kN 的车削螺纹松动程度为2.9%，小于 3.2%，挤压螺纹松动程度为 1.1%，小于 2%，即在前 5 万个循环周次内，预紧力12 kN 的螺纹连接结构松动程度更大。综上，在推荐范围内，随着预紧力的增加，螺纹连接结构的松动程度减小。车削和挤压成型的螺纹在不同轴向激励、预紧力 12 kN 时的松动曲线如图 9 所示。车削成型的内螺纹用相同的预紧力预紧时，松动程度随着轴向激励的增加而增大18。且前 1 万次循环松动程度占整体松动的 70%。其中轴向激励 20 kN 时松动程度最大，为 3.1%。螺纹连接结构的松动曲线可以分为两个阶段，在第二阶段，即缓慢下降阶段，局部循环周次 RF先升高然后降低，说明轴向力先升高然后降低，这是微动磨损过程中产生的磨屑堆积在螺纹接触界面造成的。（a）车削成型 （b）挤压成型 图 9 不同轴向激励下车削和挤压螺纹松动曲线 3 结论（1）由于挤压成型时冷作硬化的作用，使得挤压螺纹表面质量更佳，表面鲜有加工痕迹，挤压成型的内螺纹相较于车削成型的内螺纹更难以拉脱。（2）内螺纹的损伤主要集中在螺纹牙中部和牙底，以犁沟为主，伴有少量塑性变形，磨损机制主要是磨粒磨损和黏着磨损。车削螺纹损伤程度比挤压螺纹严重，不同预紧力预紧的螺纹连接结构在相同轴向载荷下损伤程度随着预紧力的增加而减轻。（3）在相同试验条件下，挤压成型的内螺纹松动程度小于车削成型的内螺纹。在前 1 万次循环，螺纹连接结构的松动占整体松动的70%，车削螺纹的松动速率大于挤压螺纹。（4）螺纹连接结构的松动程度和损伤程度，随着预紧力的增加而减小。随着预紧力的增大，螺纹接触界面的摩擦应力略微増大，但相对滑移量明显减小；同时，螺纹接触面积増大，螺纹根部由交变载荷引起的累积塑性应变减小，螺栓残余轴向力与预紧力之比增大，螺纹表面的磨损程度逐渐降低。（5）随着轴向激励的增加，螺纹连接结构的松动程度逐渐增加，在缓慢下降阶段，局部循环周次内出现轴向力先升高然后降低。参考文献：1REITZ W.A review of:an introduction to the design and behavior of bolted jointsJ.Materials and Manufacturing Processes，1999，14（3）：457-458.2TOWSYFYAN H，GU F，BALL A D，et al.Tribological behaviour diagnostic and fault detection of mechanical seals based on acoustic emission measurementsJ.Friction，2019，7（6）：572-586.3ZHENG Q，GUO Y，WEI Y，et al.Loosening of steel threaded connection subjected to axial compressive impact loadingJ.International Journal of Impact Engineering，2020（144）：103662.4HUANG J，LIU J，GONG H，et al.A comprehensive review of 60 机械 第 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