某飛行器用緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系研究

張曉斌，于建政，賈曉嬌，單壟壟，唐霄漢，申慶援

（1.航天精工股份有限公司，天津 300300）2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

航空航天飛行器部段之間通常是由緊固件連接完成的，結(jié)構(gòu)連接的可靠性取決于螺栓、螺母的安裝質(zhì)量[1]。擰緊力矩是保證安裝質(zhì)量的重要手段，在缺乏安裝擰緊力矩指導(dǎo)的條件下，工人在進(jìn)行螺栓螺母類緊固件安裝時(shí)，容易出現(xiàn)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)與擰斷螺栓的現(xiàn)象，在裝配現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)和擰斷的螺栓可以更換，但沒有擰斷卻又處于極限狀態(tài)時(shí)，會(huì)給飛行器部段連接帶來極大的隱患。預(yù)緊力是安裝質(zhì)量的表現(xiàn)形式，在進(jìn)行飛行器部件連接設(shè)計(jì)時(shí)，必須掌握擰緊力矩與預(yù)緊力的匹配關(guān)系[2]。

由于螺栓的工況條件復(fù)雜，擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)制定的難度較大，國(guó)內(nèi)外專門規(guī)定螺栓擰緊力矩的標(biāo)準(zhǔn)不多。隨著型號(hào)質(zhì)量工作的加強(qiáng)，航空航天飛行器型號(hào)設(shè)計(jì)單位對(duì)力矩控制技術(shù)越來越重視，呼吁開展擰緊力矩技術(shù)的研究。航天精工股份有限公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高端緊固件的龍頭企業(yè)，主要服務(wù)于我國(guó)的航空航天領(lǐng)域，有著雄厚的緊固件研發(fā)、制造和檢測(cè)能力[3]，公司下屬研究院積極響應(yīng)號(hào)召，開展某飛行器部段連接用緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系研究。

本文分析了某飛行器部段連接緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力的測(cè)試原理，以M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件為研究對(duì)象，著重研究了鈦合金緊固件在飛行器部段實(shí)際安裝環(huán)境下的擰緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及安裝次數(shù)與扭拉系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)采用扭拉試驗(yàn)機(jī)完成螺栓、螺母擰緊力矩與預(yù)緊力的性能檢測(cè)，對(duì)最終使用的安裝力矩技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)過程

1.1 測(cè)試原理

此次試驗(yàn)的測(cè)試原理如圖1所示，通過軸力傳感器測(cè)定擰緊力矩與預(yù)緊力（夾緊力）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，要求在有效力矩試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)裝置不應(yīng)產(chǎn)生變形。為了更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)裝配環(huán)境，在此次擰緊力矩和預(yù)緊力關(guān)系的試驗(yàn)中，采用在試驗(yàn)裝置上加實(shí)用墊片（即用實(shí)際裝配的基體材料加工成墊片），完全模擬出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的裝配環(huán)境，以達(dá)到最佳的測(cè)試狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)方案原理圖（被測(cè)試驗(yàn)件安裝示意圖）Fig.1 Theory of the text method

1.2 試樣制備

本次試驗(yàn)安排采用的螺栓、螺母材料分別為鈦合金TC4（噴涂鋁＋十六醇），TC4（脈沖陽(yáng)極化）。涉及潤(rùn)滑狀態(tài)有涂覆航空潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑和不潤(rùn)滑，研究的被連接的基體材料為L(zhǎng)C9。螺栓螺母規(guī)格為M8、M10兩種，每組規(guī)格試樣螺栓與螺母各8件。

1.3 性能檢測(cè)與表征

本次試驗(yàn)采用了型號(hào)為QBN100-L100的微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)拉力試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示，具備拉力傳感器和扭力傳感器，通過雙通道應(yīng)變儀，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行擰緊力矩與預(yù)緊力全過程記錄。開展M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件的擰緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試，著重研究了模擬安裝環(huán)境下安裝次數(shù)對(duì)擰緊力矩、預(yù)緊力、扭拉系數(shù)的影響規(guī)律。

圖2 微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)拉力試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Text machine of the experimentation

1.4 試驗(yàn)方法

按照試驗(yàn)原理，試驗(yàn)需預(yù)先設(shè)置螺栓要達(dá)到的軸力目標(biāo)值，該目標(biāo)值為螺栓理論破壞拉力的50%～80%，通過專用的試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試出螺栓達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)值時(shí)，對(duì)應(yīng)旋合擰入螺母的擰緊力矩。由于該測(cè)試過程是連續(xù)的，因此可通過最終測(cè)試得到的關(guān)系曲線，從中拾取如10%Fmax、20%Fmax、30%Fmax……所對(duì)應(yīng)的實(shí)際擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)。最終通過數(shù)據(jù)分析，得出螺栓螺母旋合安裝過程中，對(duì)螺母施加的擰緊力矩與螺栓產(chǎn)生的軸力之間的關(guān)系。

2 結(jié)果及分析

2.1 第1次擰入時(shí)擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線

M8、M10規(guī)格螺栓的8個(gè)子試樣在第一次擰入過程中，形成的擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線如圖3所示。試驗(yàn)過程中，以螺栓理論破壞抗拉載荷的百分點(diǎn)（20%Fmax、30%Fmax、40%Fmax、50%Fmax、65%Fmax、75%Fmax、80%Fmax）作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集基點(diǎn)，圖中以“X”軸（軸向預(yù)緊力）表示，通過試驗(yàn)測(cè)得的擰緊力矩，圖中以“Y”軸表示。由圖a、圖b可知，當(dāng)“X”軸的預(yù)緊力記錄點(diǎn)在 10%Fmax～50%Fmax時(shí)，M8、M10規(guī)格的 8個(gè)子試樣得到的試驗(yàn)曲線密集，呈良好的線性關(guān)系，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定一致性好；當(dāng)“X”軸的預(yù)緊力記錄點(diǎn)在50%Fmax以上時(shí)，M8、M10規(guī)格的8個(gè)子試樣試驗(yàn)曲線相對(duì)離散，軸向預(yù)緊力越大，不同子樣對(duì)應(yīng)的擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍越大。

2.2 擰入次數(shù)對(duì)擰入力矩與預(yù)緊力的影響

圖 4 為 M8規(guī)格（圖 4（a））、M10規(guī)格（圖 4（b））螺栓螺母8個(gè)旋合子試樣的第1次到第5次擰入測(cè)得的擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線（本次試驗(yàn)對(duì)螺紋副的循環(huán)擰入暫定進(jìn)行了5次），試驗(yàn)過程中，以螺栓理論破壞抗拉載荷的百分點(diǎn)（20%Fmax、30%Fmax、40%Fmax、50%Fmax、65%Fmax、75%Fmax、80%Fmax）作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集基點(diǎn)，圖中以“X”軸（軸向預(yù)緊力）表示，通過試驗(yàn)測(cè)得的擰緊力矩，圖中以“Y”軸表示。

圖3 第一次擰入時(shí)擰緊力矩與預(yù)緊力曲線Fig.3 Relationship between install moment and bolt stress of the first install

從曲線圖示關(guān)系可以看出，螺栓螺母在反復(fù)旋合5次試驗(yàn)過程中，隨著擰入次數(shù)的增加，達(dá)到同樣軸向力時(shí)所需的擰緊力矩增加，同時(shí)線性關(guān)系出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。螺栓在試驗(yàn)過程中，螺紋表面狀態(tài)發(fā)生改變，提高了螺紋副之間的摩擦系數(shù)，從而增加螺紋副的摩擦力矩，研究表明，在安裝力矩中，螺紋副的摩擦力矩占其40%。因而當(dāng)螺紋副摩擦性能發(fā)生改變時(shí)，擰緊力矩會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

在圖4（b）中當(dāng)進(jìn)行第5次擰入試驗(yàn)時(shí)，由于所需的擰緊力矩已經(jīng)超出設(shè)備量程，因此無(wú)法完成后面的數(shù)據(jù)采集，由前4次數(shù)據(jù)變化關(guān)系可以看出，隨著擰入次數(shù)的增加，達(dá)到同樣軸向力時(shí)所需的擰緊力矩增加，同時(shí)線性關(guān)系出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，直至線性關(guān)系被破壞。

2.3 螺紋副的扭拉系數(shù)分析

在工程應(yīng)用中，扭拉關(guān)系常用簡(jiǎn)化公式（1）進(jìn)行計(jì)算[4]：

圖4 擰入次數(shù)對(duì)擰緊力矩與預(yù)緊力影響關(guān)系曲線Fig.4 Influence of install moment and bolt stress by install times

式中：M為對(duì)螺母施加的扭矩，單位為N·mm；F為由扭矩產(chǎn)生的螺栓軸向拉力，單位為N；d為螺紋的公稱直徑，單位為mm；K為扭拉系數(shù)，或者當(dāng)量力矩系數(shù)。

這個(gè)近似的計(jì)算公式，嚴(yán)格來講，M和F是近似的直線關(guān)系，但此公式在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用[5]。由于試驗(yàn)測(cè)得第一次擰入時(shí)擰緊力矩與預(yù)緊力的曲線以及不同擰入次數(shù)擰緊力矩與預(yù)緊力的曲線均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，故適合采用簡(jiǎn)化公式（1）進(jìn)行扭拉系數(shù)的工程計(jì)算。

圖5、圖6分別為M8與M10規(guī)格螺栓螺紋副的擰入次數(shù)與對(duì)應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線圖。由圖5中（a）可知，M8規(guī)格螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系（Y=1.306X+1.277），斜率為 1.306，結(jié)合公式（1），M8 規(guī)格螺栓的扭拉系數(shù)為1.3609/8=0.16325。同理，圖6中M10規(guī)格螺栓的扭拉系數(shù)為0.0918。

圖5 M8規(guī)格螺紋副擰入次數(shù)與對(duì)應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Mutative rule of torsion modulus of M8 by install times

圖6 M10規(guī)格螺紋副擰入次數(shù)與對(duì)應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Mutative rule of torsion modulus of M10 by install times

在反復(fù)擰入過程中，隨著擰入次數(shù)的增加，M8、M10規(guī)格螺栓螺母的扭拉系數(shù)呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)（圖5（ b）、圖 6（ b））。

2.4 使用的安裝力矩參數(shù)

在實(shí)際裝配過程中，通常設(shè)定安裝力矩值，采用力矩扳手實(shí)現(xiàn)螺紋聯(lián)接副的可靠安裝[6]，根據(jù)上述螺栓螺母旋合試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，螺栓螺母反復(fù)循環(huán)使用次數(shù)對(duì)其擰緊力矩影響較大。為保證現(xiàn)場(chǎng)裝配的可操作性、可靠性，建議上述螺栓螺母的首次旋合裝配達(dá)到的預(yù)緊力不宜太大（超過50%Fmax擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大，可靠性降低），螺紋副至多反復(fù)使用3次。

3 結(jié)論

本文以M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件為研究對(duì)象，研究了實(shí)際安裝環(huán)境下擰緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系、扭拉系數(shù)隨安裝次數(shù)的變化規(guī)律，采用扭拉試驗(yàn)機(jī)完成螺栓、螺母擰緊力矩與預(yù)緊力的檢測(cè)，表征了該型號(hào)產(chǎn)品的安裝技術(shù)參數(shù)，結(jié)論如下：

（1）M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件螺紋副，在模擬實(shí)際安裝環(huán)境時(shí)，當(dāng)螺栓預(yù)緊力達(dá)到10%Fmax～50%Fmax時(shí)，其擰緊力矩與預(yù)緊力呈良好的線性關(guān)系；當(dāng)預(yù)緊力大于50%Fmax時(shí)，擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大。

（2）鈦合金緊固件螺紋副隨著循環(huán)擰入次數(shù)的增加，若使螺栓達(dá)到相同的預(yù)緊力，所需的擰緊力矩呈遞增趨勢(shì)，反映螺紋副的扭拉系數(shù)也明顯遞增。

（3）建議M8、M10規(guī)格鈦合金螺栓螺母的首次旋合裝配達(dá)到的預(yù)緊力不宜太大（超過50%Fmax擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大，可靠性降低），螺紋副至多反復(fù)使用3次。

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