厭氧膠在大直徑螺紋連接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

肖應(yīng)鋒

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北宜昌443003）

1 引言

厭氧膠早在1940年代即開始研制［1］，因其獨(dú)特的厭氧固化特性，使其具有存儲(chǔ)時(shí)間長、固化時(shí)間短、涂覆工藝簡單、膠接強(qiáng)度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于鎖緊、密封、固持、粘接及鑄件微氣孔滲補(bǔ)等技術(shù)領(lǐng)域。

目前厭氧膠鎖固性能研究主要集中在M36以下的小直徑螺紋連接結(jié)構(gòu)的破壞扭矩、拆卸力矩和膠接剪切強(qiáng)度。

對(duì)大螺紋連接件，由于其直徑的大幅增加，厭氧膠的鎖固性能發(fā)生變化，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，須提供拆卸力矩或破壞扭矩作為依據(jù)。本文通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)Loctite271、Loctite243、Loctite222 三種厭氧膠在 M140 的螺紋連接結(jié)構(gòu)中的鎖緊及可拆卸性能進(jìn)行研究，給出了拆卸力矩。

2 研究對(duì)象

某產(chǎn)品中存在如圖1所示的螺紋連接結(jié)構(gòu)，連接件1和2材料為中碳鋼，連接形式為螺紋連接，配合尺寸為M140×2-7H/6g。連接時(shí)，在外螺紋連接件單扣螺紋一整圈上涂膠后旋合，并施加49N·m的預(yù)緊力后固化24h。

3 理論分析

3.1 機(jī)理分析

（1）厭氧膠鎖緊機(jī)理

據(jù)研究表明，對(duì)M10的普通螺紋連接來說，粗牙螺紋松開力矩僅為設(shè)計(jì)擰緊力矩的68%［2］，因此保證螺紋緊固的不是擰緊力矩，而是松開力矩。

一般螺紋連接件承受靜載荷時(shí)都滿足自鎖條件，如遇振動(dòng)或溫度沖擊，就可能影響到螺紋連接的可靠性和緊密性，因?yàn)榇藭r(shí)螺紋間可能出現(xiàn)輕微塑性變形，使松開力矩逐漸減小甚至消失，導(dǎo)致自鎖失效。

使用厭氧膠后，螺紋間隙由厭氧膠聚合形成的熱固性塑料填充，使螺紋嚙合部位接觸并具有一定強(qiáng)度，在不增加預(yù)緊力的情況下提高了螺紋連接的松開力矩［3］，使松開力矩大于擰緊力矩，從而實(shí)現(xiàn)螺紋連接的鎖固，達(dá)到防松的目的。

（2）拆卸機(jī)理

螺紋連接件的拆卸條件為拆卸力矩大于螺紋連接件的松開力矩。當(dāng)厭氧膠固化并形成熱固性塑料后，就達(dá)到一定的強(qiáng)度，只有破壞掉熱固性塑料方可實(shí)現(xiàn)拆卸。

3.2 拆卸力矩計(jì)算

3.2.1 已知條件

（1）根據(jù)GB/T18747.1-2002《厭氧膠粘劑扭矩強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)要求，部分供應(yīng)商對(duì)M10鋼制螺栓螺母進(jìn)行測(cè)試，提供了厭氧膠破壞力矩，數(shù)據(jù)見表1。

表1 厭氧膠理論力矩計(jì)算表

（2）不同參數(shù)螺紋間的膠接扭矩關(guān)系

根據(jù)美國T.J.Hrdiman對(duì)螺紋膠接鎖固的研究結(jié)果［4］，當(dāng)厭氧膠完全填滿螺紋嚙合部位時(shí)，膠接扭矩與螺紋參數(shù)存在以下關(guān)系：

（3）螺紋擰緊力矩與松開力矩之間的關(guān)系

根據(jù)許志遠(yuǎn)、榮元慶對(duì)螺紋鎖緊力矩及松開力矩的研究［2］，可推算出螺紋在沒有涂膠時(shí)，其松開力矩M松及擰緊力矩M緊存在如下關(guān)系：

式（1）～式（5）中，l：螺紋嚙合長度，m；p：螺紋螺距，m；d：螺紋外徑，m；d1：螺紋內(nèi)徑，m；d2：螺紋中徑，m；τ：厭氧膠膠接剪切強(qiáng)度，N/m2；λ：螺紋升角；α：螺紋牙型半角；F：螺紋緊固力；μ：螺紋間摩擦系數(shù)（取0.15）。

對(duì)M140×2的螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，可得到：

3.2.2 螺紋膠接部位嚙合長度估算

（1）M10×35（GB/T5782）與 M10（GB/T6170）的鋼制螺栓螺母連接時(shí)，其膠接嚙合長度估算值約為0.008m。

（2）M140×2螺紋連接件的厭氧膠嚙合長度估算

螺紋膠接界面示意圖如圖2所示，根據(jù)表2及表3的螺紋極限尺寸，膠粘劑的截面積進(jìn)行估算，結(jié)果見表4螺紋連接時(shí)膠粘劑填充截面積。

表2 最大間隙時(shí)的螺紋極限尺寸/mm

表3 最小間隙時(shí)的螺紋極限尺寸/mm

表4 螺紋連接時(shí)膠粘劑填充截面積

按照表4計(jì)算所得的截面面積平均值可知旋合后的理論嚙合長度l=3.6p，實(shí)際裝配過程中膠粘劑嚙合長度有所增加，按1.5倍系數(shù)進(jìn)行估算，計(jì)算可得嚙合長度約0.0108m。

3.2.3 計(jì)算拆卸力矩

根據(jù)式（1）～（5）及螺紋嚙合長度數(shù)據(jù)，可得到剪切強(qiáng)度與扭矩的關(guān)系如下：

對(duì)M10的鋼制螺栓螺母連接結(jié)構(gòu)τ=0.646T10×106（7）

對(duì)M140×2的螺紋連接件T140=8.478τ （8）

根據(jù)式（1）～（8）進(jìn)行拆卸力矩的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 儀器設(shè)備

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，高低溫試驗(yàn)箱，扭力扳手，皮帶扳手等。

4.2 鎖緊及可拆卸性測(cè)試條件

（1）在螺紋連接件涂膠固化后在高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行高低溫沖擊試驗(yàn)，其中高溫+50℃，低溫-40℃，保持時(shí)間為高低溫各2h；

（2）高低溫沖擊試驗(yàn)完成后參照GB/T10431-2008緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，模擬日常搬運(yùn)及運(yùn)輸過程，振動(dòng)頻率為12.5Hz，振幅為±2mm，振動(dòng)時(shí)間為2h；

（3）在振動(dòng)和高低溫試驗(yàn)完成后恢復(fù)常溫條件，用扭力扳手進(jìn)行拆卸驗(yàn)證，測(cè)量方法參照J(rèn)B/T7311-1994《工程機(jī)械厭氧膠應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5厭氧膠性能試驗(yàn)結(jié)果。

表5 厭氧膠性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)表4計(jì)算數(shù)據(jù)及表5的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）三種厭氧膠的理論拆卸力矩均大于預(yù)緊力矩，滿足鎖緊防松要求；

（2）Loctite 271、Loctite 243兩種厭氧膠的拆卸力矩均大于150N·m，普通工具拆卸很難實(shí)現(xiàn)。Loctite 222的拆卸力矩在80N·m左右，使用普通工具可以拆卸。

［1］張露露，楊學(xué)林，游敏，等.厭氧膠［J］.中國膠粘劑，2004，13（2）：46-49.

［2］徐志遠(yuǎn)，榮元慶.樂泰螺紋化學(xué)鎖固與密封技術(shù)［J］.汽車技術(shù)，1992（6）：34-43.

［3］朱鋒.緊固件用鎖緊材料及鎖緊技術(shù)研究［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，1996，11（6）：33-38.

［4］邵瑞清，陳繼祥.厭氧膠用于螺紋鎖緊時(shí)膠接扭矩的推算［J］.粘接，1986，7（6）：33-35.