螺釘防松膠對反射鏡面形影響的研究與試驗

樊延超，柴方茂，李志來，董得義，徐 宏

?

螺釘防松膠對反射鏡面形影響的研究與試驗

樊延超，柴方茂，李志來，董得義，徐 宏

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

反射鏡組件作為空間相機的重要組件，在進行組件裝配時，不但要保證其聯(lián)接結構具有足夠的聯(lián)接預緊力以抵御動載荷或工作溫度變化帶來的影響，還要準確控制擰緊力矩避免對鏡面面形造成較大的影響。以某空間相機的主鏡組件為例，對螺釘防松的工作機理、采用防松粘接劑情況下的實際緊固力矩計算、對反射鏡鏡面的影響等方面進行了分析計算，并進行了試驗驗證。分析及試驗結果表明，不同的螺釘防松膠對擰緊力矩、預緊力及反射鏡面形造成較大的影響，其中，與不使用防松膠相比，硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）對鏡面面形的影響分別增加了31.9%和74%。在使用螺釘防松膠進行防松處理時，應根據(jù)不同防松膠的具體特性，調整螺釘擰緊力矩，在聯(lián)接環(huán)節(jié)具有較高可靠性的同時，降低其對反射鏡面形的影響。

螺釘防松膠；空間相機；反射鏡組件；鏡面面形；擰緊力矩；預緊力

0 引言

螺紋聯(lián)接結構作為空間相機大量使用的基本結構，其可靠性事關航天型號的成敗[1]。一般螺紋聯(lián)接都具有自鎖性，但在變載、沖擊或振動作用下，以及工作溫度變化較大時可能松動，導致預緊力下降。螺紋聯(lián)接的使用實踐及防松性能試驗，疲勞強度試驗證明：松動失效是承受交變載荷的螺紋聯(lián)接的主要失效形式之一。保證螺紋聯(lián)接結構可靠性的關鍵是選用合適的防松技術并控制螺紋聯(lián)接預緊力。

從有關標準和文獻[2-4]中可以看到，螺紋緊固件防松技術和防松結構很多。從作用機理可以分為：摩擦防松、機械防松和永久止動等。從具體實現(xiàn)形式上又可以分為兩大類，一類是依靠防松零件來實現(xiàn)，如自鎖螺母、彈簧墊圈、鎖緊絲、雙螺母等；另一類是通過膠粘劑實現(xiàn)防松，這種方法是在要配合的螺紋表面涂覆膠粘劑，待其固化后即可牢固地粘住相配合的螺紋副，以達到鎖緊防松的目的[5]。航天產品對螺紋防松提出了更高的要求[6]。航天器在飛行過程中會產生劇烈的振動，因此，要求螺紋聯(lián)接件具有更好的防松能力；空間環(huán)境的溫度變化要求在聯(lián)接部位應具有良好的耐高、低溫性能；航天產品在裝配和使用過程中，可能由于某些原因需要反復拆裝，這就要求螺紋聯(lián)接用膠粘劑在保證一定聯(lián)接強度的前提下，具有較好的可拆卸性，不會因為拆卸而破壞產品的結構和功能。

從文獻[7]可以看出，帶齒螺栓頭、固體防松膠以及液體防松膠的防松效果是比較理想的。對空間相機來說，帶齒螺栓頭螺釘由于其裝配復雜性很少應用；而使用防松膠，則螺釘裝配工藝簡單，不產生額外附著物，能夠滿足航天產品的防松緊固需求。

對于空間相機的反射鏡組件，由于其鏡面面形精度一般達到納米級。因此，不但要保證聯(lián)接環(huán)節(jié)有足夠的聯(lián)接預緊力抵御動載荷（變載、沖擊、振動）或工作溫度變化帶來的影響，還要準確控制擰緊力矩避免對鏡面面形造成較大的影響。

本文以某空間相機的主鏡組件為例，對螺釘防松的工作機理、采用防螺釘防松膠情況下的實際緊固力矩計算、對反射鏡鏡面的影響等方面進行一些探討。

1 螺釘防松的工作機理

螺釘聯(lián)接防松的實質，在于預緊力產生的摩擦力能夠抵抗環(huán)境應力載荷，保持聯(lián)接件的相對狀態(tài)，防止松動。擰緊螺釘時，需要克服螺紋副的螺紋阻力矩1和螺釘頭與聯(lián)接件支撐面的摩擦力矩2，則擰緊力矩如下式所示：

式中：￠為預緊力，N；2為螺紋中徑；為螺紋大徑；為螺紋升角，通常＝arctan(/(π2))，其中為螺距；￠為螺紋副的當量摩擦角，通常￠＝arctan()，其中為螺紋當量摩擦因數(shù)；e為螺釘頭與聯(lián)接件支撐面之間的摩擦系數(shù)；1為螺釘頭聯(lián)接面的外徑；0為釘孔直徑；t為擰緊力矩系數(shù)，與螺釘尺寸、螺紋副和支撐面的摩擦因數(shù)等因素有關。

用普通螺釘聯(lián)接時，由于螺紋升角（＝1°42′～3°2′）小于螺紋副的當量摩擦角（￠＝6.5°～10.5°），再加上擰緊后螺釘頭支撐面與聯(lián)接件之間存在著摩擦力，因此在靜載荷時，緊固螺紋聯(lián)接都能自鎖。有關理論證明，以力矩擰緊的螺釘聯(lián)接，其松退力矩約為擰緊力矩的80%。因此，只要作用在螺釘?shù)乃赏肆匦∮?.8，聯(lián)接就不會發(fā)生松動[8]。但在變載、沖擊、振動作用下，防止螺紋副相對轉動的自鎖摩擦力矩可能急劇下降，使螺紋副間產生微量相對滑動，從而導致聯(lián)接松動。

在螺紋副上涂抹防松膠，利用防松膠填充螺紋間隙而使其嚙合面積增加，同時，因膠固化后而新增加的防松力矩可以補償松退力矩與擰緊力矩的差值，使其大體相當，從根本上提高了螺紋聯(lián)接的抗振防松能力。

2 防松膠對擰緊力矩及面形的影響

目前國內常用的螺釘防松膠主要有：硅橡膠和厭氧膠等。

硅橡膠（GD-414）屬于中性單組份室溫硫化硅橡膠，產品硫化時對金屬無腐蝕性，具有高強度、高斷裂伸長率，可在－60℃～200℃范圍內長期使用并有十分優(yōu)異的耐紫外光、耐氣候老化及良好的電絕緣性等特點；對玻璃、金屬、陶瓷和樹脂層壓材料等有良好的粘接性能。J-222屬于厭氧粘接劑，在螺紋表面涂敷厭氧膠后擰緊螺紋，膠液擠壓并填充在螺紋副之間的空隙中，由于氧氣濃度較低，厭氧膠自行固化；固化產生的聚合物將螺紋副粘接在一起，從而有效地保證了螺紋的緊密聯(lián)接。這兩種膠固化后，能夠增加螺紋聯(lián)接的耐磨性和吸振性，減弱螺紋嚙合部位的微動磨損，一定程度上維持了摩擦力產生的扭矩，提高了螺紋聯(lián)接的可靠性。

在使用螺釘防松膠提高螺紋聯(lián)接可靠性的同時，由于在聯(lián)接過程中防松膠能起到一定的潤滑作用，這將對預緊力造成一定影響。由式(1)可以看出，對于一定性能等級和直徑的螺釘，在一定的使用工況下，其擰緊力矩與擰緊力矩系數(shù)t是線性函數(shù)關系。而擰緊力矩系數(shù)t與螺釘與聯(lián)接件之間的摩擦系數(shù)成正比關系。而摩擦系數(shù)直接與螺釘防松膠的種類和型號有關。對于同樣的擰緊力矩，使用不同的螺釘防松膠將會使螺釘產生不同的預緊力。

2.1 確定預緊力的依據(jù)

螺釘聯(lián)接擰緊時，在擰緊力矩的作用下，螺釘除了預緊力￠的拉伸產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩下的扭轉而產生扭剪應力，使螺釘處于拉伸和扭轉的復合應力作用狀態(tài)中，根據(jù)第四強度理論，可以求出螺釘預緊狀態(tài)下當量應力v：

一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件預緊應力不得大于其材料的屈服點s的80%[9]。因此，在擰緊螺釘時，應保證螺釘不屈服，則應使：

v＝1.3≤0.8s(3)

因此，螺釘最大拉伸應力≈0.6s，對于螺釘公稱應力截面積為s的最大預緊力￠＝0.6ss。一般推薦用預緊力限值如下：￠＝(0.5～0.6)ss。

2.2 螺釘防松膠對擰緊力矩的影響

對不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）三種狀態(tài)下，螺釘?shù)臄Q緊力矩進行分析計算。

空間相機的主鏡通過柔性支撐結構與基座相聯(lián)。其中，柔性支撐聯(lián)接環(huán)節(jié)采用12個經過藍色陽極化處理的M8規(guī)格的鈦合金螺釘聯(lián)接。根據(jù)廠家提供的測試數(shù)據(jù)，其許用應力s＝800MPa。此規(guī)格的螺釘主要參數(shù)如下：＝8mm，2＝7.188mm，＝3.168°，當量摩擦因數(shù)＝0.15，￠＝8.531°，1＝13mm，0＝9mm。

螺釘公稱應力截面積s＝(π/4)·[(1＋d2－1.732/12)/2]2＝35.65mm2，其中，為螺距，取1.25。

根據(jù)防松膠生產廠家及機械設計手冊[10]，不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）三種工況下的螺釘頭與聯(lián)接件支撐面之間的摩擦系數(shù)e分別為0.16、0.10和0.06。因此，根據(jù)公式(1)可知，最大許用擰緊力矩分別為27.96N·m、22.25N·m和18.44N·m，最小許用擰緊力矩分別為23.3N·m、18.54N·m和15.37N·m。由此可見，在采用不同的螺釘防松膠的情況下，由于其潤滑條件不同，即使預緊力相同，螺釘?shù)臄Q緊力矩有較大的差別。因此，在對螺釘進行緊固時，需要充分考慮防松膠對于擰緊力矩和預緊力的影響。

根據(jù)裝配要求，螺釘聯(lián)接的凈擰緊力矩有如下要求：20N·m≤≤21N·m。如果在對螺釘進行預緊時，按照此擰緊力矩執(zhí)行，而忽略螺釘防松膠對于擰緊力矩的影響，則3種工況下，螺釘預緊力分別為12241.3N～12853.3N（0.43ss～0.45ss），15382.1N～16151.2N（0.54ss～0.57ss）和18556.0N～19483.8N（0.65ss～0.68ss）。從計算結果可以看出，在不使用螺釘防松膠的情況下，螺釘聯(lián)接具有較小的預緊力，低于推薦限值；而使用厭氧膠（J-222），則螺釘上的應力超過推薦限值。這兩種狀態(tài)下，螺釘聯(lián)接均具有較低的可靠性。

2.3 螺釘防松膠對鏡面面形的影響分析

建立了主鏡及支撐結構的有限元模型，對不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）三種工況下，擰緊力矩對鏡面面形的影響進行分析。根據(jù)零件結構的特點，主要采用8節(jié)點六面體單元對各零件進行有限元網格劃分，在關鍵傳力點進行了網格加密。

在反射鏡組件的有限元模型中共劃分了82 770個單元，120 010個節(jié)點。主鏡為碳化硅（SiC）材料，柔性支撐聯(lián)接環(huán)節(jié)及基座材料分別為鈦合金（TC4）和殷鋼（4J36），3種材料的材料參數(shù)如表1所示。3種材料的材料參數(shù)全部由各自的生產廠商提供。每種材料每個參數(shù)的誤差也由各自的廠商提供，材料參數(shù)的誤差為隨機誤差，正態(tài)分布。

在擰緊力矩取20.5N·m的情況下，對3種工況下擰緊力矩對鏡面的影響進行分析。鏡面面形變化云圖及鏡面局部最大變形量分析數(shù)值分別如圖1和表2所示。

3 防松膠對主鏡影響的試驗驗證

3.1 螺釘防松膠對主鏡鏡面面形的影響

在主鏡面形加工至RMS＝0.150時，進行了主鏡組件的裝配。在裝配前進行了面形檢測，如圖2所示。從檢測結果可以看出，主鏡鏡面支撐孔位置無明顯高低起伏。

表1 材料主要參數(shù)

圖1 三種工況下的鏡面支撐位置變形云圖

表2 三種工況下鏡面支撐位置變化分析結果

圖2 裝配前主鏡面形檢測結果

根據(jù)裝調工藝要求，在裝配過程中所帶來的裝配應力不應改變鏡面面形分布，鏡面局部最大變形量不應超過當前鏡面PV值的40%。根據(jù)裝配前的檢測結果，鏡面局部最大變形不應超過0.7。

在裝配試驗中，首先不使用螺釘防松膠進行裝配，使用20.5N·m力矩擰緊，對裝配后的主鏡進行了面形檢測，檢測結果如圖3所示。從檢測結果可以看出，鏡面3個支撐點位置出現(xiàn)了PV約為0.530的凹坑，鏡面面形分布也沒有發(fā)生改變。

對聯(lián)接螺釘采用厭氧膠（J-222）進行防松處理時，仍然用20.5N·m力矩擰緊。處理后進行了面形檢測，檢測結果如圖4(a)所示。從面形云圖及支撐點變化圖中可以看出，鏡面上3個支撐點位置的凹坑明顯變深，PV約為0.922，局部最大變形量已超出裝配工藝要求，同時鏡面面形分布也發(fā)生了較大的變化。查閱厭氧膠（J-222）的技術參數(shù)后，對其預緊力進行了復核，發(fā)現(xiàn)預緊力超過許用值，螺釘?shù)膽σ殉^許用應力。根據(jù)預緊力的推薦限值，對擰緊力矩進行了調整。為驗證計算結果，對圖4(a)左側支撐孔取預緊力￠＝0.56ss，則相應的擰緊力矩為17.21N·m，對圖4(a)右上側支撐孔取預緊力￠＝0.60ss，則相應的擰緊力矩為18.44N·m，檢測結果如圖4(b)所示。由檢測結果可知，在合理調整擰緊力矩的情況下，相應的支撐點位置的變化有了明顯的改善。

對聯(lián)接環(huán)節(jié)的鈦合金螺釘進行更換，對不使用螺釘防松膠的主鏡面形進行了復檢，鏡面面形數(shù)值恢復到了之前的狀態(tài)。對聯(lián)接螺釘采用硅橡膠（GD-414）進行防松處理，使用20.5N·m力矩擰緊。點膠后進行了面形檢測，檢測結果如圖5所示，3個支撐孔位置的局部最大變形量能夠滿足裝配工藝要求，且鏡面面形分布沒有發(fā)生變化。

通過試驗可知，與不使用螺釘防松膠相比，采用硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）進行防松處理后，主鏡支撐位置的局部最大變形量增加了31.9%和74.0%。由于材料參數(shù)的隨機誤差及相關材料摩擦系數(shù)差異的隨機性，實際試驗測試結果要偏大一些。但分析結果與試驗結果的數(shù)值量級及趨勢是一致的。

圖3 不使用螺釘防松膠的主鏡面形檢測結果

圖4 使用厭氧膠（J-222）的主鏡面形檢測結果

圖5 使用硅橡膠（GD-414）的主鏡面形檢測結果

對于主鏡聯(lián)接環(huán)節(jié)而言，從聯(lián)接可靠性角度考慮，雖然在不使用螺釘防松膠裝配的情況下，鏡面面形變化更小，但根據(jù)2.2節(jié)的分析結果，不使用螺釘防松膠裝配，其預緊力低于推薦限值，聯(lián)接可靠性不高。單純從預緊力角度考慮，當不使用螺釘防松膠裝配時，應適當增加擰緊力矩或者添加合適的潤滑劑；當使用厭氧膠（J-222）裝配時，需要適當減少擰緊力矩。

綜合考慮聯(lián)接環(huán)節(jié)防松的可靠性和預緊力對鏡面的影響情況，最終確定采用硅橡膠（GD-414）對主鏡聯(lián)接環(huán)節(jié)進行防松處理。在此基礎上，需要對聯(lián)接環(huán)節(jié)的可靠性進行試驗驗證，檢驗其是否滿足當前環(huán)境條件的要求。

3.2 螺釘防松膠對主鏡穩(wěn)定性的影響

在組件裝配后，為了驗證螺釘防松膠對主鏡穩(wěn)定性的影響及防松效果的有效性，對主鏡組件進行了力學和熱穩(wěn)定性試驗。

試驗后對主鏡面形進行了復檢，檢測結果如圖6所示，鏡面面形與試驗前相比沒有發(fā)生變化。試驗前后，用經緯儀檢測了主鏡相對于底板的位置關系變化，其中，扭擺方向變化2.2″，俯仰方向變化1.7″。力學試驗前后，主鏡組件的模態(tài)變化小于1%。試驗結果表明，螺釘采用硅橡膠（GD-414）進行防松處理，可以保證螺釘聯(lián)接具有足夠的可靠性，滿足當前環(huán)境條件的要求。

4 結論

以某空間相機的主鏡組件為例，對螺釘防松的工作機理、采用螺釘防松膠情況下的實際緊固力矩計算、螺釘防松膠對反射鏡鏡面的影響等方面進行了探討。通過試驗驗證了不同的螺釘防松膠由于其潤滑因素，對螺釘?shù)臄Q緊力矩會產生較大影響，與不使用防松膠相比，硅橡膠（GD-414）和厭氧膠（J-222）對鏡面面形的影響分別增加了31.9%和74%。因此，在使用螺釘防松膠進行螺釘防松處理時，需要根據(jù)防松膠的特性，結合聯(lián)接材料及螺釘?shù)男阅?，選取合適的擰緊力矩，在保證螺釘具有較好的防松效果和聯(lián)接可靠性的同時，不會對鏡面造成較大影響。

圖6 試驗后主鏡面形檢測結果

[1] 李至廣. 鈦合金螺紋連接結構預緊力、應力、可靠性分析[D]. 長沙:國防科學技術大學, 2004.

[2] 李維榮, 朱家誠. 螺紋緊固件防松技術探討[J]. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新, 2003(2): 15- 17.

[3] 那晶晶, 賈彥輝. 常用螺釘連接防松措施的機理分析與實驗研究[J]. 河北省科學院學報, 2012, 29(4): 34-40.

[4] 鄧智. 一種驗證預涂膠螺釘防松性能的振動試驗方法[J]. 機械工程師, 2013(5): 52-53.

[5] 張忠偉, 劉鍇, 林海燕, 等. 螺紋連接件膠結防松技術的現(xiàn)狀與應用[J]. 軍民兩用技術與產品, 2012(12): 45- 47.

[6] 宋冬. 航天產品整機的防振加固工藝[J]. 電子工藝技術, 2013, 34(1): 29-33.

[7] 項忠霞, 董剛, 林夢霞, 等. 螺紋聯(lián)接防松方法的評述[J]. 機械設計, 1996(11): 1- 2.

[8] 卜炎. 螺紋聯(lián)接設計與計算[M]. 北京: 高等教育出版社, 1995: 144-161.

[9] 山本晃. 螺紋聯(lián)接的理論與計算[M]. 郭可謙, 譯. 上海: 上?？茖W技術文獻出版社, 1984: 75-90.

[10] 成大先, 王德夫, 姬奎生, 等. 機械設計手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2002: 3-317-3-332, 5-53-5-63.

Research and Experiment of Influence on the Mirror Surface Figure Caused by Looseness-proof Adhesive

FAN Yan-chao，CHAI Fang-mao，LI Zhi-lai，DONG De-yi，XU Hong

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Mirror subassembly is the important component of space camera, so the sufficient pre-tightening force of the joint structure should be guaranteed to resist the effect caused by dynamic load or temperature change in component assembling, at the same time, tightening torque should also be accurately controlled to reduce the influence on the surface figure. The primary mirror of some space camera taken as an example, the principle of threaded connection’s looseness-proof, the precise tightening torque caused by looseness-proof adhesive, and the effect on surface figure are analyzed and calculated, and verification test is carried out. The results of both the analysis and the experiments indicate that different types of looseness-proof adhesive can make great influence on the tightening torque, pre-tightening force and mirror surface figure, which can be increased to 31.9% and 74% more with Silicon Rubber adhesive（GD-414） and anaerobic adhesive（J-222）used respectively compared with no looseness-proof adhesives. When looseness-proof adhesive used, tightening torque should be precisely adjusted according to the special properties of the adhesives so as to ensure that the reliability of joint structure is sufficient and the influence on the mirror surface figure is under control.

looseness-proof adhesive，space camera，mirror subassembly，mirror surface figure，tightening torque，pre-tightening force

TH75

A

1001-8891(2015)05-0392-06

2014-11-25；

2015-04-15.

樊延超（1984-），男（漢族），河南省新安縣人，助理研究員，碩士，主要研究工作是空間光學遙感器光機結構設計。E-mail：dulangfan303@163.com。

國家863高技術研究發(fā)展計劃資助項目，編號：2009AA7020107。