兩種新型金屬自攻釘的緊固性能研究

錢海挺，秦歌

(蔚來汽車有限公司電動力集成與測試部門，上海 201800)

0 引言

隨著新能源電動汽車的飛速發展，輕量化、安全、低成本、節能和環保成為汽車現代化發展的趨勢。為了適應這一發展趨勢，汽車零件的鋁合金化取得了突破性的進展。從鋼材到鋁材的轉變、從鑄造到鍛造轉變、從多零件到一體化設計的轉變，這些轉變對緊固件的技術發展帶來了極大的挑戰，需要花更多的精力設計連接結構和優化緊固方案[1]。近年來，金屬自攻釘連接在鋁合金材料中顯示出來優秀的緊固性能，它不僅強度高、能實現多種結構的連接，同時具有攻絲和緊固的功能。這種連接結構的優勢在于：良好的連接配合能夠降低松動的風險，同時還可以拆卸反復使用。

隨著應用需求和技術的發展，多種類型的自攻釘占據了市場。在實際應用當中，自攻釘的規格、螺紋類型、頭部類型、尾部類型、表面處理和扭矩規范的開發等，都對整個連接結構的緊固性能有非常重要的影響[2]。本文作者主要研究兩種不同螺紋結構的金屬自攻釘，并對這兩種螺紋結構產生的緊固性能進行分析對比，為實際應用中金屬自攻釘的選擇提供指導價值。第一種類型的金屬自攻釘是“I型”，其優勢是：(1)具有低的攻入扭矩；(2)具有高的失效-攻絲扭矩比率；(3)具有優秀的軸向定位；(4)有更強的攻入-滑牙比；(5)能夠防止內螺紋的滑牙；(6)能防止震動造成的松弛；(7)形成的螺紋與公制緊固件兼容。第二種類型的金屬自攻釘是“II型”，其優勢是：(1)圓錐形的螺紋成型帶便于攻絲和防止滑牙；(2)33°的傾角能降低攻入扭矩；(3)具有高的防松扭矩；(4)具有大的螺紋嚙合面積，產生高的連接強度；(5)具有更高的拉脫扭矩；(6)形成的螺紋與公制緊固件兼容。作者在相同的測試環境下，分析驗證了兩種金屬自攻釘螺紋結構的緊固性能，對工程應用當中金屬自攻釘的選型及扭矩開發起到了一定的指導作用。

1 試驗內容

1.1 試驗樣品及設備

試驗過程中的主要樣品及性能參數如表1所示。

表1 兩種金屬自攻釘性能測試所用的樣品及性能參數

試驗過程中的主要設備如表2所示。

表2 兩種金屬自攻釘性能測試所用的設備

1.2 試驗裝置

試驗過程中的裝置示意圖如圖1(a)所示；試驗過程中的裝置如圖1(b)所示；振動試驗過程中的裝置示意圖如圖1(c)所示。

1.3 試驗方案

1.3.1 擰緊至接頭失效

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設備擰緊螺釘直至接頭失效，用數據采集設備記錄螺釘的扭矩、轉角和拉伸力。測試條件：轉速30 r/min。

1.3.2 擰緊至安裝扭矩

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設備擰緊螺釘至安裝扭矩，用數據采集設備記錄螺釘的扭矩、轉角和拉伸力。測試條件：轉速30 r/min，安裝扭矩選擇由第1.3.1節統計得到[3]。

圖1 試驗過程中的裝置示意

1.3.3 靜態衰減測試

如圖1(a)(b)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用扭矩測試設備擰緊螺釘至安裝扭矩，記錄最大夾緊力，靜置30 min后，記錄剩余夾緊力。測試條件：轉速30 r/min。

1.3.4 振動衰減測試

如圖1(c)所示，分別固定公制螺釘、“I型”自攻釘、“II型”自攻釘，用擰緊裝置擰緊螺釘至相同夾緊力，記錄振動過程中夾緊力、振動循環次數[4]。測試條件：振幅0.8 mm，振動載荷1 kN，循環次數500次。此實驗以夾緊力下降50%后的力作為剪切破壞力。

2 結果與討論

2.1 安裝扭矩選擇分析

圖2(a)為不同規格的兩種金屬自攻釘的攻入扭矩和屈服扭矩對比圖。可以看出：不同規格的同一種螺紋結構的攻入扭矩差別不大，“I型”M5和M6的螺釘攻入扭矩分別為3.631、3.618 N·m，“II型”M5和M6的螺釘攻入扭矩分別為4.957和5.266 N·m；對比這兩種螺紋結構的攻絲性能，“I型”自攻釘的攻絲扭矩明顯低于“II型”，攻絲扭矩降低了1.3 N·m左右。研究表明，“I型”自攻釘攻絲性能的優勢主要來源于三角形葉形螺紋結構，這種截面為三角形的螺紋結構能夠降低攻入扭矩，從而滿足更低的攻絲扭矩的需求，同時這種螺紋結構具有更好的軸向定位性能，減少了安裝扭矩在其他方面的消耗。從兩種螺紋結構的屈服扭矩數值來看，M5規格的兩種自攻釘屈服扭矩差別不大，分別是13.111和13.186 N·m，M6規格的“I型”自攻釘屈服扭矩為17.87 N·m，“II型”自攻釘屈服扭矩為21.039 N·m。作者分析，這種屈服扭矩差異主要是由兩種自攻釘本身的材料性能不同造成的，從硬度測試結果來看，“I型”自攻釘的硬度明顯低于“II型”自攻釘，導致“I型”屈服所需要的夾緊力小于“II型”[5]，所以“I型”自攻釘屈服扭矩小于“II型”自攻釘。

圖2(b)為不同規格的兩種金屬自攻釘的攻入扭矩/屈服扭矩比值對比圖。對于M5規格的螺釘，“I型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比為0.277，“II型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比為0.378。對于M6規格的螺釘，“I型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比為0.202，“II型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比為0.250。對比發現，“I型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比明顯小于“II型”自攻釘，這種攻絲性能的優勢是由螺紋結構的新穎性導致的。

圖2 不同規格的兩種金屬自攻釘的扭矩試驗結果

“I型”的螺紋結構特點是：(1)三角形葉形螺紋結構；(2)半徑牙形螺紋；(3)攻牙時形成自有的及硬化的配合螺紋，如圖2(c)所示。而這種優勢帶來的結果是“I型”自攻釘的安裝扭矩范圍明顯大于“II型”自攻釘，保證了安裝扭矩選擇的安全性，提高了安裝安全因子，避免發生微量的扭矩變化帶來的失效風險。

綜上所述：同一規格的“I型”自攻釘攻入扭矩比“II型”自攻釘的攻入扭矩低；“I型”自攻釘的攻入/屈服扭矩比值更低，安裝扭矩的選擇范圍更大，安裝的安全因子更大。

2.2 扭矩效率分析

圖3(a)為不同規格的兩種金屬自攻釘的扭矩/夾緊力比值對比圖。可以看出：對于M5規格的螺釘，“I型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.818 N·m/kN，即增加1 kN的夾緊力需要的扭矩為0.818 N·m，“II型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.549 N·m/kN；對于M6規格的螺釘，“I型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為1.02 N·m/kN，“II型”自攻釘扭矩和夾緊力的比值為0.816 N·m/kN，說明每增加1 kN，“I型”自攻釘比“II型”自攻釘多消耗0.204 N·m的扭矩。從圖(b)所示的不同規格的3種螺釘安裝到相同夾緊力所需的扭矩對比圖可以看出：對于M5規格的螺釘，安裝到夾緊力為5 kN時， “I型”、“II型”和公制螺釘需要的扭矩分別為7.698、7.704和7.559 N·m，三者之間有細微的差異，但是差別不大，公制螺釘相對較低。對于M6規格的螺釘，安裝到夾緊力為7 kN時，“I型”“II型”自攻釘和公制螺釘需要的扭矩分別為11.047、10.828和9.422 N·m，“I型”自攻釘需要的扭矩明顯高于“II型”和公制螺釘，這種現象直接說明了螺紋結構的扭矩效率，產生單位夾緊力所需要的扭矩越大，扭矩效率越低。公制螺釘的扭矩小很好理解，因為安裝扭矩不需要用來攻絲形成內螺紋，所以產生相同夾緊力所需的扭矩要小。產生相同的夾緊力，“I型”需要的扭矩比“II型”高的原因是，“I型”自攻釘螺紋部分的摩擦接觸面積大于“II型”自攻釘，摩擦接觸面積越大，消耗的扭矩越多，而此時用來產生夾緊力的扭矩就會大大降低，這種現象的產生可以由扭矩和夾緊力的關系分析得到。在一個連接系統中，扭矩的消耗主要包括3個部分：一部分扭矩用來產生夾緊力，一部分扭矩被螺紋接觸摩擦消耗，剩余部分扭矩被擠壓面接觸摩擦消耗，三部分的扭矩消耗比值大約為1∶4∶5，如式(1)所示。“II型” 自攻釘螺紋結構為33°的牙型，這種結構使得連接體系具有更小的螺紋摩擦面積，所以每增加單位夾緊力所需要的扭矩越小，如圖3(c)所示[7]。

(1)

從圖3(c)和(d)M5、M6兩種金屬自攻釘的扭矩和夾緊力曲線可以得到，“I型”自攻釘在夾緊力要求較低的安裝系統中更占優勢。對于M5規格的自攻釘，夾緊力要求在4.87 kN以下，“I型”比“II型”更占優勢，如夾緊力要求高于4.87 kN，“II型”比“I型”消耗的扭矩更小；對于M6規格的自攻釘，夾緊力低于5.37 kN，“I型”比“II型”消耗更低的扭矩，反之，“II型”比“I型”更占優勢。在低的夾緊力要求下，“I型”比“II型”更占優勢的原因：“I型”具有低的攻入扭矩，小夾緊力需求下，會有更多的扭矩用來提供夾緊力。而隨著夾緊力的要求增加，這種優勢不再明顯，“II型”比“I型”需要更低的夾緊力的原因是：“II型”具有更高的扭矩效率，導致增加相同的夾緊力需要的扭矩值更小。

圖3 扭矩效率試驗結果

綜上所述，同一規格的“II型”自攻釘扭矩效率比“I型”自攻釘高；在低的夾緊力要求下，“I型”比“II型”更占優勢，安裝到同樣的夾緊力,“I型”消耗的扭矩更低；在高的夾緊力要求下,“II型”比“I型”更占優勢。

2.3 防松性能分析

2.3.1 靜態衰減率分析

圖4為不同規格的3種螺釘安裝到相同扭矩并靜置30 min后的夾緊力衰減率對比，其中M5的“I型”“II型”和公制螺釘安裝扭矩均為9 N·m，M6的“I型”“II型”和公制螺釘安裝扭矩分別為12、15和15 N·m。當安裝扭矩為9 N·m時，M5規格的“I型”“II型”和公制螺釘的夾緊力分別是5.943、5.833、6.249 kN，靜置30 min后，夾緊力分別為5.176、5.081、5.751 kN，3種螺釘夾緊力的靜態衰減率分別為12.91%、12.88%、7.97%。當安裝到要求扭矩時，M6規格的“I型”，“II型”和公制螺釘的夾緊力分別是8.104、11.215、12.482 kN，靜置30 min后，夾緊力分別為7.337、10.222、11.833 kN，3種螺釘夾緊力的靜態衰減率分別為9.46%、8.85%、5.20%。對比3種螺釘的衰減率可以看出兩種金屬自攻釘的衰減明顯大于公制螺釘。造成這種現象的原因是自攻螺紋在形成過程中，會造成較多的應力集中點，在靜置過程中緩慢的應力釋放過程導致夾緊力有一定程度的降低，應力集中點主要存在螺紋根部和螺紋齒尖。“I型”比“II型”靜態衰減大的原因是：(1)從2種自攻釘本身的強度、硬度考慮，“I型”的硬度比“II型”的強度低、硬度低、韌性大，會產生一定程度的蠕變松弛，所以夾緊力的靜態衰減多。(2)“II型”自攻釘33°的螺牙結構有較好的自鎖防松性能，一定程度上降低了夾緊力的靜態衰減。如圖2(c)所示，“II型”的結構優勢是：(1)33°的螺牙結構；(2)與公制匹配的螺紋結構;(3)圓形截面。

圖4 不同規格的3種螺釘安裝到相同扭矩并靜置30 min后的夾緊力衰減率對比

2.3.2 振動衰減率分析

圖5為M6規格的3種螺釘安裝到夾緊力為4 kN時，在500次橫向振動作用后的剩余夾緊力對比。“I型”自攻釘、“II型”自攻釘、公制螺釘3種螺釘經過振動試驗后的剩余夾緊力分別為2.137、2.933和2.00 kN，夾緊力的衰減值分別為1.863、1.067、1.997 kN。值得注意的是，公制螺釘經過100個振動周期，夾緊力就能下降到設定的目標夾緊力(50%的初始夾緊力)。對比“I型”、“II型”兩種金屬自攻釘和公制螺釘的夾緊力衰減情況，可以看出兩種金屬自攻釘的防松性能明顯優于公制螺釘，這是由于兩種金屬自攻釘在螺紋結構的設計部分都有一定的防松考量：(1)“I型”三角葉形螺紋結構，攻牙時與螺母之間的結構配合具有一定的自鎖效果。(2)“I型”半徑牙型螺紋結構，使得螺紋之間具有大的摩擦接觸面積，提高防松性能。(3)“II型”自攻釘33°的螺牙結構，使螺紋之間有效嚙合面積增加，從而使得內螺紋材料吸收更多的振動能量，達到很好的防松效果。對比“I型”和“II型”金屬自攻釘，可以看出：“II型”自攻釘的防松性能優于“I型”，在相同的振動條件下，“II型”自攻釘的剩余夾緊力明顯高于“I型”。從數據對比來看：雖然“I型”的半徑牙型螺紋結構能夠一定程度增加螺紋嚙合面積，但是“II型”的有效嚙合面積還是優于“I型”，從摩擦接觸角度分析[8]，“II型”更不容易松弛。另外，夾緊力的衰減與螺釘的蠕變和應力松弛相關，從硬度測試結果來看，“I型”的材料強度低于“II型”，所以在相同的測試條件下，“I型”自攻釘比“II型”發生更大程度的蠕變和應力松弛，作者認為這也是兩種自攻釘夾緊力衰減差異的原因之一。

圖5 初始夾緊力為4 kN的3種螺釘在500次橫向振動作用后的剩余夾緊力對比

綜上所述，同一規格的自攻釘與公制螺釘相比，具有很好的防松性能；同一規格的“II型”自攻釘和“I型”自攻釘相比，經過相同次數的橫向振動作用后，“II型”自攻釘的剩余預緊力大于“I型”自攻釘，“II型”自攻釘有更好的防松性能。

3 結論

本文作者主要通過設計不同的試驗方案，從兩種不同螺紋結構的金屬自攻釘的緊固性能進行分析對比，得到以下結論：

(1)同一規格的“I型”自攻釘攻入扭矩比“II型”自攻釘的低，由攻入/屈服扭矩比值對比可見，“I型”自攻釘的安裝扭矩選擇范圍更大，安裝的安全因子更大。這種優勢主要來源于“I型”自攻釘三角形的螺紋端面，這種螺紋結構能夠很大程度上降低自攻釘的攻入扭矩。

(2)同一規格的“II型”自攻釘扭矩效率比“I型”自攻釘高，即增加單位夾緊力所需要的扭矩“II型”自攻釘比“I型”的低。這種優勢主要來源于“II型”自攻釘33°的螺紋傾角，能夠有效降低螺紋部分的摩擦消耗，從而使得扭矩的利用率增加。

(3)與鋁合金材料的螺母配合時，“I型”和“II型”兩種自攻釘與公制螺釘相比，都具有很好的防松性能；同一規格的“II型”自攻釘和“I型”自攻釘相比，“II型”自攻釘擁有更好的防松性能。自攻釘的防松優勢主要來源于各自防松的螺紋結構設計，“I型”自攻釘的防松優勢主要來源于三角形螺紋結構的自鎖特征和大的螺紋摩擦接觸面積，“II型”自攻釘的防松優勢主要來源于33°的螺牙結構和大的螺紋有效嚙合面積。