不同因素對(duì)高鎖螺母鎖緊力矩影響的研究*

吳南星 ， 鮑 星 ， 徐梅香

（1. 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，景德鎮(zhèn) 333403；2. 中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333403）

高鎖螺母是飛機(jī)上常用的一種不可拆卸型緊固件，與高鎖螺栓配合形成的緊固組件具有自鎖、高強(qiáng)度、高抗疲勞性、抗振動(dòng)、易于安裝等特點(diǎn)[1-3]。目前，在我國各機(jī)種中廣泛使用，某型號(hào)軍機(jī)全機(jī)采用的不銹鋼、鋁制高鎖螺母及鈦合金高鎖螺栓就已超越2萬件[4]。

高鎖螺母的關(guān)鍵性能參數(shù)有鎖緊力矩、擰斷力矩、預(yù)緊力等。其中，鎖緊力矩是高鎖螺母自鎖及防松性能的重要指標(biāo)，若鎖緊力矩過大，會(huì)給飛機(jī)裝配過程造成困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致連接件涂層損壞，防腐蝕功能失效；若鎖緊力矩過小，在飛機(jī)飛行過程可能因鎖緊力矩不夠，導(dǎo)致螺釘受振動(dòng)脫落，造成嚴(yán)重事故[5]。鎖緊力矩是依靠高鎖螺母內(nèi)螺紋變形與螺栓裝配時(shí)擠壓摩擦而產(chǎn)生的。如圖1所示，在高鎖螺母螺紋部分有液壓機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)收口，三點(diǎn)在螺母截面上呈120°三角分布。

圖1 高鎖螺母示意圖Fig.1 Schematic of hi-lock nut

在飛機(jī)實(shí)際裝配過程中，高鎖螺母和高鎖螺栓的配合是不固定的，同一種高鎖螺母要和多種高鎖螺栓進(jìn)行裝配，由于高鎖螺栓的材質(zhì)、表面處理等條件不盡相同，所以其與高鎖螺母裝配時(shí)產(chǎn)生的鎖緊力矩也會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。目前，國內(nèi)對(duì)不同種類的高鎖螺栓對(duì)同一類高鎖螺母鎖緊力矩產(chǎn)生的影響的研究鮮見。本文針對(duì)不同材質(zhì)的高鎖螺栓、有無潤滑條件的高鎖螺栓及不同表面處理的高鎖螺栓與不銹鋼高鎖螺母裝配產(chǎn)生的鎖緊力矩進(jìn)行研究。

1 高鎖螺母自鎖原理

在高鎖螺母中，由于收口部位的螺紋直徑變小，在螺母和螺栓裝配時(shí)，螺母的收口螺紋會(huì)再次由于螺栓旋入擠壓而產(chǎn)生塑性變形和彈性變形，此時(shí)螺栓在鎖緊部位會(huì)受到彈性恢復(fù)力FN。根據(jù)鎖緊力矩的測量規(guī)定[6]，鎖緊力矩是在內(nèi)、外螺紋緊固件相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中且沒有軸向力的情況下所測得的力矩，故螺栓在旋入過程不受軸向力。如圖2所示，F(xiàn)N將分解成沿螺紋齒向的分力FT與垂直于螺紋面的正壓力F。在螺紋接觸面上，由壓力F產(chǎn)生螺紋副間的摩擦力，從而在螺栓擰入過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩。本文根據(jù)已有的文獻(xiàn)資料[7]先推算出正壓力F，再算出鎖緊力矩T。

式中，β角為牙型傾角。

根據(jù)螺紋受力分析[7]，鎖緊力矩計(jì)算如下：

式中，d2為螺紋中徑；λ為螺紋升角；ρ為螺紋副的當(dāng)量摩擦角，tgρ為螺紋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)，tgρ=，f'為螺紋副間的摩擦系數(shù)。

圖2 高鎖螺母螺紋受力圖Fig.2 Force diagram of hi-lock nut

2 鎖緊力矩的影響因素

2.1 螺紋副精度

螺紋副的配合精度對(duì)鎖緊力矩影響很大。如果螺栓螺紋的精度低，則可能造成鎖緊力矩不穩(wěn)定[8]。

2.2 潤滑條件

潤滑對(duì)于高鎖螺母的鎖緊力矩影響十分顯著。如果沒有潤滑，螺母的鎖緊力矩難以控制，進(jìn)而影響鎖緊性能和螺母的放松效果。一般高鎖螺栓在裝配時(shí)都涂有一層干膜潤滑劑，如十六醇或者二硫化鉬，以控制螺紋副的摩擦系數(shù)，并避免螺紋表面涂層或鍍層因干摩擦而劃傷。

2.3 收口尺寸

螺紋部分的收口尺寸控制十分關(guān)鍵，它是確定鎖緊力矩大小的重要指標(biāo)，有專門的收口機(jī)和收口模具來保證[5]。

2.4 材質(zhì)

由于高鎖螺母的收口部位在與高鎖螺栓裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性和彈性變形，這時(shí)材料的硬度高低，模量的大小，決定了彈性恢復(fù)力大小，也間接影響到了高鎖螺母的鎖緊力矩。

2.5 表面處理

由于航空行業(yè)的特殊性，高鎖螺栓一般都要經(jīng)過有防腐性能的表面處理，例如涂覆鋁、陽極化、鍍鎘鍍鋅等。這些表面處理改變了高鎖螺栓表面剛度和粗糙度，也會(huì)影響高鎖螺母的鎖緊性能。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為某型直升機(jī)所用的高鎖螺母與高鎖螺栓。螺母材料為302HQ不銹鋼，螺紋部位直徑為4.826mm，螺紋按AS8879D，螺紋倒角按GJB52。

試驗(yàn)的高鎖螺栓分為4種：分別是40CrNiMoA經(jīng)過鍍鎘鈍化、十六醇潤滑，Ti-6Al-4V經(jīng)過陽極化、十六醇潤滑，Ti-6Al-4V經(jīng)過涂覆鋁、十六醇潤滑，Ti-6Al-4V經(jīng)過陽極化。

3.2 試驗(yàn)

高鎖螺母自鎖力矩試驗(yàn)是按照GJB 715.14-1990的要求在CTT1202扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)由扭轉(zhuǎn)機(jī)和控制計(jì)算機(jī)組成。扭轉(zhuǎn)機(jī)上裝有傳感器，可以實(shí)時(shí)傳輸扭矩?cái)?shù)值到控制機(jī)內(nèi)，控制計(jì)算機(jī)主要控制扭轉(zhuǎn)過程，包括扭轉(zhuǎn)的速率、角度等。

高鎖螺母在安裝時(shí)，由于與高鎖螺栓相互擠壓，收口的螺紋部位會(huì)產(chǎn)生變形，因此高鎖螺母的夾具需要專門制作，避免套住高鎖螺母的螺紋部分，對(duì)鎖緊力矩的測試產(chǎn)生影響。

在試驗(yàn)中，為避免高鎖螺栓擰入時(shí)產(chǎn)生偏心彎曲現(xiàn)象，將高鎖螺栓預(yù)先旋入高鎖螺母內(nèi)40°～90°，再將高鎖螺母固定在專門夾具上，高鎖螺栓也在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上安裝好，安裝完成圖如圖3所示。為減小因螺紋摩擦引起螺紋面摩擦系數(shù)的變化，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不精確的影響，每個(gè)螺母只與一個(gè)高鎖螺栓進(jìn)行擰進(jìn)擰出配合試驗(yàn)。

圖3 試件安裝圖Fig.3 Installation diagram of testing pieces

表1 不同材質(zhì)下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 不同潤滑條件下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 不同材料的高鎖螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊力矩Fig.4 Locking torque of different materials

圖5 不同潤滑條件的高鎖螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊力矩Fig.5 Locking torque under different lubrication conditions

根據(jù)規(guī)定[6]高鎖螺栓旋入高鎖螺母后，應(yīng)保證高鎖螺栓伸出高鎖螺母的鎖緊區(qū)最少一個(gè)倒角的長度。按照規(guī)定，運(yùn)行扭矩試驗(yàn)機(jī)，扭轉(zhuǎn)機(jī)上的傳感器將實(shí)時(shí)測得的扭矩傳遞到控制計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)尋找到最大的扭矩值并予以記錄。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 不同材質(zhì)高鎖螺栓對(duì)高鎖螺母鎖緊力矩的影響

本對(duì)照組用40CrNiMoA材質(zhì)的螺栓及Ti-6Al-4V材質(zhì)的螺栓與高鎖螺母配合做試驗(yàn)，總共做了20組試驗(yàn)，任意選出8組數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1得圖4。由圖4可以明顯看出高鎖螺母與40CrNiMoA螺栓螺栓配合的鎖緊力矩明顯大于與Ti-6Al-4V螺栓配合的鎖緊力矩，相差幾乎有一倍之多。

試驗(yàn)所用40CrNiMoA螺栓材料經(jīng)過900℃正火、850℃油淬、500℃回火后，硬度約為 38.5～41.5HRC，而Ti-6Al-4V螺栓材料經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，硬度約為35.2～38.2HRC，明顯小于 40CrNiMoA。而 40CrNiMoA的彈性模量也要高于Ti-6Al-4V，所以在裝配時(shí)與40CrNiMoA螺栓匹配的高鎖螺母彈性變形更大，從而導(dǎo)致彈性恢復(fù)力FN值變大，鎖緊力矩自然變得更高。

再由計(jì)算可得40CrNiMoA螺栓與高鎖螺母配合時(shí)，鎖緊力矩的標(biāo)準(zhǔn)差為0.119，而Ti-6Al-4V螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊力矩標(biāo)準(zhǔn)差為0.079，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之間的差值有0.04。一定程度上反映了：硬度小的螺栓與高鎖螺母配合時(shí)，鎖緊力矩值愈穩(wěn)定。

4.2 潤滑對(duì)高鎖螺栓鎖緊力矩的影響

本對(duì)照組用十六醇潤滑的Ti-6Al-4V螺栓及無潤滑的Ti-6Al-4V螺栓與高鎖螺母配合做試驗(yàn)，總共做了20組試驗(yàn)，任意選出8組數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可得圖5。由圖5可見，無潤滑Ti-6Al-4V螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊力矩要高于十六醇潤滑螺栓配合的鎖緊力矩。這是由于高鎖螺栓與高鎖螺母配合時(shí)，無潤滑的螺紋副間的摩擦系數(shù)要大于有潤滑的螺紋副摩擦系數(shù)。再計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，十六醇潤滑螺栓鎖緊力矩的標(biāo)準(zhǔn)差有0.079，無潤滑螺栓的鎖緊力矩標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.143，這說明十六醇潤滑螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊性能更加穩(wěn)定。

表3 不同表面處理下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 不同表面處理的高鎖螺栓與高鎖螺母配合的鎖緊力矩Fig.6 Locking torque under different surface treatments

4.3 不同表面處理的高鎖螺栓對(duì)高鎖螺母鎖緊力矩的影響

本對(duì)照組用涂覆鋁十六醇潤滑的Ti-6Al-4V螺栓及陽極化十六醇潤滑的Ti-6Al-4V螺栓與高鎖螺母配合做試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)表面處理前的涂覆鋁螺栓進(jìn)行尺寸調(diào)整，保證表面處理后兩種螺栓尺寸公差的一致性。

同樣做了20組試驗(yàn)，任選其中8組如表3所示。由表3可得圖6。由圖6可知，涂覆鋁Ti-6Al-4V螺栓與高鎖螺母配合時(shí)產(chǎn)生的鎖緊力矩要比陽極化Ti-6Al-4V螺栓的鎖緊力矩大一些。說明不同的表面處理對(duì)高鎖螺母的鎖緊力矩也會(huì)產(chǎn)生影響。

計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，得出涂覆鋁螺栓鎖緊力矩標(biāo)準(zhǔn)差為0.096，略大于陽極化螺栓標(biāo)準(zhǔn)差0.079，說明這兩種表面處理對(duì)于高鎖螺母的鎖緊性能穩(wěn)定性影響不大。

5 結(jié)論

（1）高鎖螺母的鎖緊力矩受到螺紋副精度、潤滑條件、收口尺寸、材料、表面處理等因素的共同影響。

（2）在同等條件下，高鎖螺母的鎖緊力矩會(huì)隨著材料的硬度減小、潤滑條件的改善而減小，且鎖緊力矩的穩(wěn)定性會(huì)隨之提高。在同等條件下，高鎖螺母的鎖緊力矩會(huì)因螺栓表面處理的不同而改變，但其穩(wěn)定性變化不大。

[1]徐梅香, 胡建清, 韓志忠. 高鎖螺母、高鎖螺栓的國產(chǎn)化研制[J]. 直升機(jī)技術(shù), 2009(3):94-97.

XU Meixiang, HU Jianqing, HAN Zhizhong. Research and manufacture of civil hi-lock pins and nuts[J]. Helicopter Technology,2009(3): 94-97.

[2]崔明慧. 波音737飛機(jī)緊固件的應(yīng)用研究[J]. 航空制造技術(shù),2013(13):96-99.

CUI Minghui. Study on the application of the Boeing 737 aircraft fasteners[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(13): 96-99.

[3]劉風(fēng)雷, 劉丹, 劉建光. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件及機(jī)械連接技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2012(1/2):102-104.

LIU Fenglei, LIU Dan, LIU Jianguang. Fastener and mechanical connection technology for composite structure[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2012(1/2):102-104.

[4]侯崑, 張輝英. 英制輕型鈦合金高鎖螺栓鑒定試驗(yàn)探討[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2008(5):49-53.

HOU Kun, ZHANG Huiying. To test the high lock bolt inch light titanium alloy[J]. Aviation Standardization and Quality, 2008(5): 49-53.

[5]劉仁志，吳海榮，王華明. TC16鈦合金六角自鎖螺母加工技術(shù)研究[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì)，2011(6):51-54.

LIU Renzhi, WU Hairong, WANG Huaming. Study on processing technology of six angle self locking nut of TC16 titanium alloy[J]. Aircraft Design, 2011(6):51-54.

[6]航空航天工業(yè)部. GJB715.14-1990緊固件試驗(yàn)方法—力矩[S]. 北京：航空航天工業(yè)部，1990.

Ministry of Aeronautics and Astronautics. GJB715.14-1990 Fastener test methods—torque[S]. Beijing: Ministry of Aeronautics and Astronautics,1990.

[7]中國航空工業(yè)總公司. HB/Z 251-1993螺栓連接擰緊力矩與軸向力的關(guān)系[S]. 北京：中國航空工業(yè)總公司，1993.

Aviation Industry Corporation of China. HB/Z 251-1993 The relationship between tightening torque and axial force in the bolt connection[S]. Beijing: Aviation Industry Corporation of China, 1993.

[8]孫小炎. 關(guān)于航天型號(hào)用自鎖螺母標(biāo)準(zhǔn)綜述[J]. 航天標(biāo)準(zhǔn)化, 1999(4):17-22.

SUN Xiaoyan. A review on the standard of self-locking nuts for aerospace models[J]. Aerospace Standardization, 1999(4): 17-22.