閥體梯形螺紋卡滯故障的分析及解決

□ 吳維設(shè) □ 侯 朋 □ 曹 彧

中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽(yáng) 471099

閥體是某型號(hào)氮?dú)馄可献钪饕慕Y(jié)構(gòu)件之一，如圖1所示。該零件右端的美制梯形螺紋屬于非標(biāo)螺紋（圖中標(biāo)記的位置），中徑值為為此專門設(shè)計(jì)制造了專用螺紋環(huán)規(guī)對(duì)其進(jìn)行檢查驗(yàn)收。經(jīng)檢驗(yàn)合格的螺紋在裝配時(shí)卻經(jīng)常出現(xiàn)螺紋卡滯擰不到底的現(xiàn)象。因此，必須查明導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因并制定解決方案。

1 故障原因分析驗(yàn)證

1.1 物理分析

用螺紋環(huán)規(guī)（簡(jiǎn)稱環(huán)規(guī)）對(duì)卡滯的螺紋進(jìn)行復(fù)測(cè)，證實(shí)確實(shí)擰不到底，部分甚至不能引頭，但零件入庫(kù)時(shí)該螺紋用環(huán)規(guī)檢測(cè)是合格的。經(jīng)初步分析，該梯形螺紋是入庫(kù)后發(fā)生變形，導(dǎo)致部分零件出現(xiàn)環(huán)規(guī)卡滯擰不到底。對(duì)螺紋中徑變大和環(huán)規(guī)卡滯進(jìn)行分析，共總結(jié)出如下2種可能。

（1）臟物的影響。取出環(huán)規(guī)檢查不合格的零件，將零件與環(huán)規(guī)用清洗劑進(jìn)行清洗，并用毛刷刷洗，再將零件與環(huán)規(guī)旋合，部分零件通過檢驗(yàn)合格，經(jīng)檢測(cè)幾個(gè)螺紋后，環(huán)規(guī)重新出現(xiàn)黑色臟物。證明臟物的確是造成卡滯的因素之一。

分析原因，當(dāng)環(huán)規(guī)與閥體的梯形螺紋在多次旋合后會(huì)產(chǎn)生少量的臟物，環(huán)規(guī)內(nèi)徑與螺紋間的空間本來就很小，這些臟物在螺紋旋合中就會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

（2）檢查加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力影響。通過對(duì)整個(gè)加工過程的梳理，可能導(dǎo)致零件變形的因素是在加工螺紋時(shí)的裝夾變形，加工完成后零件存在殘余應(yīng)力，在后續(xù)銑螺紋引導(dǎo)和收尾的工序中，使應(yīng)力釋放產(chǎn)生螺紋變形，以及零件在鈍化處理時(shí)，在70°C槽液加溫時(shí)加劇應(yīng)力釋放產(chǎn)生變形。分別安排各工序?qū)β菁y進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)分別在機(jī)床上和取下后分別進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過兩個(gè)小批次的跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各處螺紋都檢測(cè)正常，沒有明顯變化，因此，加工裝夾及鈍化處理不是造成零件變形的主要因素。

▲圖1 閥體零件圖

▲圖2 前蓋與閥體裝配圖

1.2 裝配受力的有限元分析

通過初步分析和驗(yàn)證，只是發(fā)現(xiàn)了臟物是導(dǎo)致螺紋卡滯的原因之一，但安裝到氣瓶后仍存在清洗后卡滯的現(xiàn)象，即該問題并沒得到徹底解釋和解決，還需進(jìn)一步分析。

對(duì)產(chǎn)品的裝配情況進(jìn)行了解，發(fā)現(xiàn)要在梯形螺紋一端的內(nèi)腔擰一個(gè)前蓋，如圖2所示，前蓋上螺紋為（3/4）″-16UNF-2B，裝配力矩值為 98 N·m，是否存在裝配變形是此次分析的一個(gè)重點(diǎn)，預(yù)緊力F為：

式中：T為螺紋擰緊力矩；K為扭矩系數(shù)；d為螺紋尺寸。

扭矩系數(shù)主要取決于材料的摩擦因數(shù)，而螺紋的尺寸對(duì)其影響非常小，通過查詢得知，前蓋的螺紋表面噴涂有二硫化鉬，按鋼-鋼有潤(rùn)滑時(shí)摩擦因數(shù)為0.08～0.12、 內(nèi)螺紋為 （3/4）″-16UNF-2B （大 徑 φ19.05）按M20的螺紋查詢，可知Kmin=0.113，Kmax=0.159［2］。

已知：T=98 N·m，d=19.05 mm，分別計(jì)算可得裝配內(nèi)腔螺紋后端面的預(yù)緊力：

通過有限元分析，得到在最小和最大預(yù)緊力作用下的零件變形情況，如圖3和圖4所示。由圖可知，在預(yù)緊力作用下，零件發(fā)生壓縮，梯形螺紋的螺距變小，特別是端頭的1～1.5圈螺紋變形最大。由于螺紋受力螺距變小，旋合長(zhǎng)度越長(zhǎng)則螺距累積誤差越大，影響越顯著，當(dāng)螺距的誤差影響大于零件與環(huán)規(guī)的間隙時(shí)，容易出現(xiàn)卡滯擰不到底的現(xiàn)象。由圖3、圖4可以分別計(jì)算出在2.5個(gè)螺距上最小累積誤差與最大累積誤差為：

由于螺距誤差，相當(dāng)于螺紋作用中徑增大，個(gè)別零件甚至出現(xiàn)無法擰上的故障。梯形螺紋全長(zhǎng)按2.5個(gè)螺距計(jì)算，則每個(gè)螺距的平均壓縮量ΔP為：

最小預(yù)緊力時(shí)：

最大預(yù)緊力時(shí)：

梯形螺紋受壓螺距縮小時(shí)且當(dāng)量中徑變大，螺距壓縮量 ΔP 與作用中徑 Δd2關(guān)系為［5］：

式中：α 為螺紋牙型角，29°。

螺紋后端的作用中徑變化量為：

▲圖3 最小預(yù)緊力時(shí)應(yīng)變結(jié)果

▲圖4 最大預(yù)緊力時(shí)應(yīng)變結(jié)果

▲圖5 三針法測(cè)量M值示意圖

表1 螺紋中徑加工成錐形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上面的計(jì)算可知，前端裝配變形導(dǎo)致中徑變大值平均為2.9×10-2mm，后端中徑的變大值平均為4.83×10-2mm，而其中徑公差為0.16 mm，螺紋前后兩端的變形量占整個(gè)公差帶的18.75%和30.3%，這也較好地解釋了為何出現(xiàn)大部分螺紋擰不到底的問題。

2 解決措施

2.1 增大螺距

由上述分析可知，閥體梯形螺紋卡滯的主要原因是裝配前蓋時(shí)的預(yù)緊力造成了螺紋壓縮變形，其螺距的壓縮量平均為0.007 mm。為了解決該問題，可以在加工螺紋時(shí)對(duì)其壓縮量進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，即在零件加工時(shí)將梯形螺紋的螺距由5.08 mm加工到5.085 mm，這樣裝配變形后其螺距將由零件狀態(tài)的5.085 mm恢復(fù)為5.08 mm，理論上可以解決該問題。

但經(jīng)過分析研究，要想通過更改螺距的方式來補(bǔ)償變形量，則對(duì)于加工出來的螺紋中徑也要通過計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償，而測(cè)量其補(bǔ)償后的螺紋需要重新設(shè)計(jì)專用量具，同一螺紋使用兩種測(cè)量工具對(duì)其質(zhì)量無法控制。

2.2 中徑補(bǔ)償

根據(jù)壓緊后閥體變形的力學(xué)分析，將閥體上螺紋采用在公差要求范圍內(nèi)變中徑的方式加工進(jìn)行變形補(bǔ)償，即：中徑在整段螺紋長(zhǎng)度上按倒錐度加工，這樣可以補(bǔ)償擰入前蓋后的正錐度變形。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，后端中徑變大的平均值為4.83×10-2mm，加工錐度的直徑差取0.05 mm，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)該方案加工出5件實(shí)驗(yàn)件，由于加工出來的中徑呈錐形，在實(shí)驗(yàn)過程中為更準(zhǔn)確地測(cè)量螺紋的變形情況，因此在使用三針法測(cè)量螺紋中徑時(shí)，對(duì)該段螺紋前后段進(jìn)行分段測(cè)量，如圖5所示，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

通過該5組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了中徑按倒錐度加工方案的可行性。隨后將現(xiàn)場(chǎng)分出25件，按此方案進(jìn)行驗(yàn)證，加工后的螺紋用環(huán)規(guī)和三針檢測(cè)合格，并在裝配后重新用環(huán)規(guī)進(jìn)行測(cè)試，全部檢驗(yàn)合格。之后，又按此方案加工出50件，同樣全部合格，證明原因分析到位，措施有效，為閥體今后的生產(chǎn)提供了可靠的保障。

3 結(jié)論

（1）由于梯形螺紋牙型角小，如果有預(yù)緊力將會(huì)使螺距變形，特別對(duì)壓縮中徑公差的閥體梯形螺紋影響較大。閥體梯形螺紋卡滯主要為裝配內(nèi)孔的堵蓋后受力變形所致，梯形螺紋與螺紋環(huán)規(guī)摩擦易產(chǎn)生臟物也是造成螺紋卡滯的因素之一。

（2）通過理論計(jì)算或數(shù)理統(tǒng)計(jì)確定變形量，根據(jù)變形量進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償是機(jī)械加工中解決零件變形和讓刀的一種有效措施。

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