5XXX系铝合金冷挤压成形内螺纹性能研究

宁荣 褚仁利 刘小山

摘要：本文选择5052-O、5083-O铝合金作基材，采用冷挤压成形、切削成形两种方式加工铝合金内螺纹样件，对两种加工方式得到的样件进行拉伸、极限紧固力矩试验，结果表明冷挤压成形内螺纹性能明显优于切削成形内螺纹，是一种提升铝合金内螺纹性能的有效方法。

关键词：5XXX铝合金;内螺纹;冷挤压成形

中图分类号：TG166.3                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0033-03

0  引言

5XXX系铝镁合金属于中高强度铝合金，具有较高的塑性、优良的耐蚀性、良好的焊接特性和疲劳性能，其在列车牵引变流系统、通信系统、控制系统等核心电气设备上大量应用[1]。5XXX系铝合金中，5052、5083在轨道交通装备应用较为广泛。然而，铝合金有其不足之处，5XXX系铝合金也不例外，比如螺纹连接作为机械紧固、电连接紧固的主要方式，在钢铁材料结构中应用非常广泛，但在铝合金结构中应用受到一定限制，传统切削方法加工而成的铝合金内螺纹，强度较低、抗扭能力偏低、耐久性较差、多次拆装后易滑丝失效。冷挤压成形（挤压攻丝）是近年来涌现的内螺纹加工新方法，其通过在工件相应位置上预制加工底孔，然后利用挤压丝锥旋进底孔，锥部棱脊部分挤压工件材料，使得材料沿丝锥牙侧流动，产生塑性变形，层层挤压形成螺纹，适用于塑性较好的金属材料，如铜合金、铝合金、低碳钢、含铅钢及奥氏体不诱钢等[2-3]。有研究表明，与传统切削内螺纹相比，（冷）挤压形成内螺纹强度和硬度更高、光洁度更好、抗疲劳性能更好，不产生切屑，且加工参数选择合理的情况下成本更低。但以往文献资料主要针对2024铝合金、Q460高强度钢、300M超高强度钢等材料的挤压成形内螺纹性能进行评估[4-6]，关于常用5XXX系铝合金挤压成形内螺纹性能的研究仍是缺失的，且轨道交通装备应用场景特殊，基于以往的研究难以判断5XXX系铝合金挤压成形内螺纹性能是否能满足轨道交通应用要求，因而对5XXX系铝合金挤压成形内螺纹的性能进行研究是有必要的。

本文针对轨道交通常用5052-O、5083-O铝合金切削和（冷）挤压成形内螺纹的拉伸性能、极限紧固力矩进行了对比分析，可为5XXX系铝合金螺纹紧固连接相关研究提供参考。

1  实验及方法

本文主要通过拉伸、极限紧固力矩来评估不同加工方式得到的铝合金内螺纹的性能差异，具体试验内容及方法如下：

①拉伸性能。选择5052-O、5083-O铝合金内螺纹进行拉伸性能测试，每种牌号铝合金分别制备M3、M4、M5、M6、M8（冷）挤压成形内螺纹和切削成形内螺纹试样各5件，不同规格内螺纹试样外形尺寸如表1、图1（左）所示。在万能拉伸试验机上进行拉伸试验，如图1（右）所示，试验参照《GJB 715.23A紧固件试验方法 拉伸强度》标准进行。

②极限紧固力矩。选择5052-O、5083-O铝合金内螺纹进行极限紧固力矩測试，每种牌号铝合金分别加工M3、M4、M5、M6、M8（冷）挤压成形内螺纹和切削成形内螺纹试样各1件，每个试样上加工内螺纹孔25处，不同规格内螺纹试样外形尺寸如表2、图2（左）所示。使用ET2SKA25数显力矩扳手进行极限紧固力矩测试，测试过程如图2（右）所示。

2  结果与讨论

2.1 拉伸试验结果分析

采用（冷）挤压成形和切削成形两种方法制备5052-O、5083-O铝合金试样进行拉伸试验，结果如表3、图3所示，每个数据点由5件试样测试数据取平均值后得到。

由表3、图3可知，5052-O、5083-O铝合金不同规格挤压成形内外螺纹都表现出比切削成形内螺纹更高的拉脱力，其中5052-0铝合金挤压成形方式内螺纹优势更为明显，性能提升幅度波动较小，其M5、M6、M8规格螺纹性提升幅度分别为14.5%、6.7%、9.0%，而5083-O铝合金不同公称直径挤压成形内螺纹性能提升幅度存在一定波动，以上2种铝合金均在螺纹公称直径为M5时，挤压成形内螺纹性能提升幅度达到最大，分别为14.5%、16.1%。以上结果表明，挤压成形能有效提升铝合金内螺纹的拉伸性能。

2.2 极限紧固力矩试验结果分析

采用（冷）挤压成形和切削成形两种方法制备5052-O、5083-O铝合金试样进行极限紧固力矩试验，结果如表4、图4所示，每个数据点由5件试样测试数据取平均值后得到。

由表4、图4可知，5052-O、5083-O不同规格挤压成形内外螺纹均表现出比切削成形内螺纹明显更高的极限紧固力矩，且随着螺纹公称直径的增大，挤压成形内螺纹的极限紧固力矩显著增加，当螺纹公称直径增大至M8时，5052-O、5083-O铝合金挤压成形内螺纹极限紧固力矩提升幅度分别达到41.5%、32.4%。相比之下，5052-O铝合金性能提升依然更为稳定，M5、M6、M8规格挤压成形内螺纹极限紧固力矩提升率分别为17.5%、24.6%、41.5%，提升率随着螺纹公称直径的增大呈比例增长。5083-O铝合金挤压成形内螺纹极限紧固力矩提升幅度仍存在一定波动，尤其是M5及M5以下内螺纹，波动较大，但综合来看，挤压成形可使铝合金内螺纹的极限紧固力矩得到显著提升。

以上结果表明，挤压成形内螺纹拉伸性能、极限紧固力矩均明显优于切削成形内螺纹。这是由于：一方面，挤压成形使材料在三向压应力作用下产生塑性变形，晶粒内部出现滑移带，同时各晶粒均沿变形方向延伸和扭曲，使螺纹成形后材料组织呈流线纤维状，且挤压成形不会切削基材，材料晶相纤维呈连续状态未被破坏，材料的微观组织缺陷相比切削成形内螺纹更少;另一方面，挤压过程中的冷作硬化作用，形成强化层，使内螺纹获得更高的强度和硬度[7]，因而表现出比切削成形内螺纹更优越的性能。当然，不同规格内螺纹性能提升的幅度出现了一定的波动，这是由于冷挤压成形工艺参数选择不合理所致，工艺参数的优选是挤压成形的难点，需要反复试验优化，以达到性能最佳状态，尤其对于M5及M5以下的小螺纹挤压成形加工，钻底孔后小螺纹孔内更容易产生积屑且加工时冷却润滑条件相对较差，对底孔直径、转速、冷却液等工艺参数的选择更敏感，参数选择不合理，螺纹容易出现烂牙、局部过热烧伤、牙高不足等缺陷，影响螺纹精度、表面质量及螺纹性能，使挤压成形加工方式的优势明显下降，此外5083-O铝合金相比5052-O铝合金，强度更高、塑性相对较差，冷挤压成形难度更大，导致5083-O铝合金挤压成形内螺纹性能波动更为明显。

3  结论

本文对比分析了（冷）挤压成形、切削成形铝合金内螺纹之间的性能差异，结论如下：

①与切削成形内螺纹相比，挤压成形内螺纹拉伸性能相对更好，5052-O、5083-O铝合金性能提升幅度存在一定差异，其中5052-O合金性能提升更为明显;

②5052-O、5083-O挤压成形内外螺纹均表现出比切削成形内螺纹更高的极限紧固力矩，性能提升效果显著。

综上所述，挤压成形铝合金内螺纹可靠性明显优于切削成形铝合金内螺纹，可替代切削成形铝合金内螺纹，且挤壓成形方式在加工参数选择合理的情况下相对切削成形成本更低，可广泛推广应用于轨道交通装备产品。

参考文献：

[1]丛福官，林森，刘世雷，等.我国轨道交通的发展及其对铝材的需求[J].轻合金加工技术，2017（7）.

[2]张鹏升，杜宇波，李亚东，等.内螺纹冷挤压成形过程中金属流动行为研究[J].铸造技术，2016（6）：1216-1217.

[3]唐宜，高林干，邓才智，等.浅谈提高铝合金螺纹孔性能的三种方法[J].铝加工，2018，245（06）：24-27.

[4]郑昂.2024铝合金紧固孔的疲劳性能研究[D].郑州大学， 2017.

[5]缪宏，左敦稳，张瑞宏，等.Q460高强度钢内螺纹冷挤压试验研究[J].机械工程学报，2011（13）：164-170.

[6]马平，王珉.300M超高强度钢内螺纹冷挤压成形[J].机械工艺师，1998（11）：2-3.

[7]徐九华，王珉.高强度钢内螺纹冷挤压成形与强化试验研究[J].南京航空航天大学学报，1996（6）：838-843.