力矩控制在雷達裝配中的應(yīng)用*

孫東梅，周 敏

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

力矩控制在雷達裝配中的應(yīng)用*

孫東梅，周 敏

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

通過適當?shù)臄Q緊力矩來控制螺紋裝配預(yù)緊力是一項重要的裝配技術(shù)，也是機械裝配中的難點。我國在力矩控制方面雖然開展了一些研究，但現(xiàn)有的大部分擰緊力矩標準主要從螺栓強度等級角度列出了力矩數(shù)值表，并沒有從應(yīng)用對象、被連接件角度考慮力矩的控制量。文中梳理了雷達裝配過程中力矩控制應(yīng)用的需求對象，討論了力矩控制工程應(yīng)用理論基礎(chǔ)和力矩確定原則。

力矩控制；預(yù)緊力；擰緊力矩

引 言

通過適當?shù)臄Q緊力矩來控制螺紋裝配預(yù)緊力是一項重要的裝配技術(shù)，也是機械裝配中的難點，因為擰緊力矩與螺紋連接結(jié)構(gòu)形式、螺紋潤滑狀態(tài)、螺紋加工精度等諸多因素有著密切的關(guān)系。在雷達裝配中采用力矩工具來控制預(yù)緊力的操作標準也不是很明確，大部分緊固件的裝配主要依靠操作者的感覺和經(jīng)驗。此外，采用力矩工具控制預(yù)緊力在實際應(yīng)用中也存在一些誤區(qū)。

一種誤區(qū)認為緊固力矩越大越好。實際上螺紋連接的預(yù)緊力對螺紋的總載荷、連接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等均產(chǎn)生影響，過大和過小的預(yù)緊力都是有害的。如果預(yù)緊力太小，在外在因素(如運輸狀態(tài)、工作狀態(tài))的作用下，緊固件很容易出現(xiàn)松動、滑脫，導致導電、導熱不良以及漏氣、漏液等現(xiàn)象；如果預(yù)緊力過大，被連接件容易發(fā)生變形，并會出現(xiàn)螺紋滑絲或螺栓、螺釘扭斷等現(xiàn)象，造成嚴重質(zhì)量問題[1]。

另一種誤區(qū)認為采用了力矩裝配就可以達到防松效果，將力矩裝配等同于防松措施。對螺紋連接而言，引起連接件松動的主要原因有連接面變形產(chǎn)生松動、受軸向載荷作用產(chǎn)生松動、受橫向載荷作用產(chǎn)生松動[2]，采用力矩裝配并不能解決根本的松動問題。

我國力矩控制方面的標準主要有行業(yè)標準和緊固件生產(chǎn)商的企業(yè)標準，這些標準主要都是針對螺栓強度等級列出了力矩數(shù)值表，并沒有從應(yīng)用對象、被連接件角度考慮力矩的控制量，在雷達裝配中應(yīng)用性較差。本文主要梳理了雷達裝配過程中力矩控制應(yīng)用的需求對象，討論了力矩控制工程應(yīng)用理論基礎(chǔ)和力矩確定原則。

1 雷達裝配中的力矩控制對象

螺紋連接作為雷達結(jié)構(gòu)裝配中的重要連接技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。隨著現(xiàn)代雷達越來越向著高集成、高精度、輕量化、小型化方向發(fā)展，輕金屬材料、非金屬材料選用以及薄壁結(jié)構(gòu)、弱剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越多，對螺紋連接也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的憑操作者工作經(jīng)驗對螺紋緊固件進行緊固的方法，在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題，主要體現(xiàn)在預(yù)緊力過載，造成螺紋滑絲、在動載荷的作用下緊固件斷裂等問題。因此預(yù)緊力的適當控制顯得尤為重要。

在雷達裝配中，力矩控制涉及的范圍主要是重要結(jié)構(gòu)件裝配、液氣連接管路密封裝配和電氣連接裝配等方面。重要結(jié)構(gòu)件裝配如天線座軸承裝配；液氣連接管路密封裝配如液壓管路連接裝配、液冷管路連接裝配；電氣連接裝配如PDS插座裝配、SMA和SSMA高頻連接器裝配等。這些力矩裝配對象有的與其他行業(yè)的機械裝配對象類似，可以類比考慮緊固力矩的選用；有的則具有較強的電子特色，需要針對性地選擇適宜的緊固力矩。

在雷達裝配中，螺紋連接形式主要有螺栓連接和螺釘連接，力矩控制的實質(zhì)是螺紋副之間的力矩控制。螺栓連接的力矩控制主要是螺栓和螺母之間的力矩控制，螺釘連接的力矩控制主要是螺釘與裝配基材螺紋之間的力矩控制。

2 力矩控制工程應(yīng)用理論基礎(chǔ)

2.1 預(yù)緊力

軸向預(yù)緊力是指螺紋副剛剛完成裝配時，螺栓/螺釘受到的軸向拉伸力。預(yù)緊力的大小主要根據(jù)螺紋副受力的大小和連接的工作要求決定。設(shè)計時首先保證所需的預(yù)緊力，又不應(yīng)使連接的結(jié)構(gòu)尺寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料屈服極限的80%。對于一般連接用的鋼制螺栓/螺釘連接預(yù)緊力，推薦按下列關(guān)系確定：

碳素鋼螺栓/螺釘：Fo≤(0.6～0.7)σsAs

合金鋼螺栓/螺釘：Fo≤(0.5～0.6)σsAs

式中：Fo為軸向預(yù)緊力，N；σs為螺栓/螺釘材料的屈服極限，MPa；As為公稱應(yīng)力截面積[3]，mm2。表1為雷達裝配中常見性能等級螺栓/螺釘強度。表2為雷達裝配中常用有色及黑色金屬強度。

捕鯨船“白德福號”上，有幾個科學考察隊的人員。他們從甲板上望見岸上有一個奇怪的東西。它正在向沙灘下面的水面挪動。他們沒法分清它是哪一類動物，但是，因為他們都是研究科學的人，他們就乘了船旁邊的一條捕鯨艇，到岸上去察看。接著，他們發(fā)現(xiàn)了一個活著的動物，可是很難把它稱作人。它已經(jīng)瞎了，失去了知覺。它就象一條大蟲子在地上蠕動著前進。它用的力氣大半都不起作用，但是它老不停，它一面搖晃，一面向前扭動，照它這樣，一點鐘大概可以爬上二十尺。

表1 常見性能等級螺栓/螺釘強度(GB/T 3098.1—2010)

表2 常用有色及黑色金屬強度

2.2 擰緊力矩系數(shù)

通過控制螺母的擰緊力矩來控制螺栓的預(yù)緊力時，必須精確控制螺紋緊固件的摩擦系數(shù)，而擰緊力矩系數(shù)K既與螺紋直徑有關(guān)，也與螺栓頭端面及嚙合部的摩擦情況有關(guān)，由于嚙合部位狀態(tài)(粗糙度、表面處理、潤滑情況等)不同，因而K值差別較大。擰緊力矩系數(shù)的理論公式如下[3]：

式中：K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑；d2為螺紋中徑；φ為螺紋升角；ρv為螺紋當量摩擦角；μ為螺母與被連接件支承面間的摩擦系數(shù)；DW為螺母端面與被連接件接觸圓直徑；d0為螺母下被連接件光孔直徑。表3是根據(jù)具體零件和使用條件，用試驗的方法確定的擰緊力矩系數(shù)K的值，供計算時參考[3]。

表3 擰緊力矩系數(shù)K

2.3 擰緊力矩

在螺紋連接中，通過對螺釘頭部或螺母施加擰緊力矩來控制預(yù)緊力，用以克服旋合螺紋間的阻力矩和螺母(或螺釘頭)與被連接件(或墊圈)支撐面間的摩擦力矩，使螺栓(或螺釘)產(chǎn)生一個穩(wěn)定的緊固力。擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系可以由下列簡易公式確定[3]：

T=KFod×10-3

(1)

式中：T為擰緊力矩，N·m；K為擰緊力矩系數(shù)；Fo為軸向預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

3 雷達裝配緊固力矩的確定原則

3.1 螺栓連接的緊固力矩確定原則

3.1.1 適當預(yù)緊力的確定

碳鋼螺栓連接預(yù)緊力主要選取螺栓材料屈服極限的60%作為預(yù)緊力控制選取原則，合金鋼螺栓連接預(yù)緊力主要選取螺栓材料屈服極限的50%作為預(yù)緊力控制選取原則。如性能等級為6.8，M8的粗牙螺紋螺栓的軸向預(yù)緊力Fo=0.6σsAs=0.6×480×36.6=10 541 N。而性能等級為8.8，M8的粗牙螺紋螺栓的軸向預(yù)緊力Fo=0.5σsAs=11 712 N。

此處擰緊力矩系數(shù)按照表3進行選取。螺栓連接擰緊力矩主要按式(1)計算得出，表4和表5主要按螺栓本身強度等級4.8、5.8、6.8、8.8、10.9、12.9、A2-50、A2-70分類，列舉了M4～M6粗牙螺紋在非潤滑狀態(tài)下的擰緊力矩值。安裝螺栓時一般應(yīng)采用旋動螺母的辦法擰緊，當必須從螺栓頭部擰緊時，其擰緊力矩值應(yīng)再增加10%。

表4 M4～M6碳鋼螺栓擰緊力矩理論值

表5 M4～M6合金鋼螺栓擰緊力矩理論值

3.2 螺釘連接的緊固力矩確定原則

3.2.1 適當預(yù)緊力的確定

當螺釘緊固時，除了考慮螺釘本身的保證力矩外，還要考慮承載基體的材料強度，以避免在擰緊過程中出現(xiàn)基體被壓變形或者基體中的螺紋滑絲、脫扣等現(xiàn)象[4]。對于雷達裝配中的螺釘連接結(jié)構(gòu)，不僅要考慮連接緊固件本身的強度等級，還需考慮被連接件裝配母材的強度等級，適當預(yù)緊力主要參考德國標準中的按螺紋副中較弱材料屈服極限的70%作為預(yù)緊力控制選取原則。

以性能等級為A2-50，M3的粗牙螺紋螺釘擰入16Mn鋼材料中為例，從表1和表2可知A2-50螺釘緊固件的屈服極限為210 MPa，小于16Mn的屈服極限275 MPa。在計算適當預(yù)緊力時，主要選取屈服極限較弱的螺釘材料作為屈服極限理論依據(jù)，螺釘擰緊預(yù)緊力Fo=0.7σsAs=0.7 × 210 × 5.03=739 N。而同樣性能等級為A2-50，M3的粗牙螺紋螺釘擰入6063材料中時，螺釘擰緊預(yù)緊力Fo=0.7σsAs=634 N。

在實際工程應(yīng)用中螺釘擰入屈服極限較弱的母材中時，一般在母材螺紋孔中安裝鋼絲螺套或插銷螺套。此類情況計算螺釘擰緊力時，屈服極限的選取就不能單純選取較弱母材的屈服極限，而是需要將緊固件材料與螺套材料進行比較，選取屈服極限更弱的材料作為預(yù)緊力計算對象。

3.2.2 適當緊固力矩的確定

此處擰緊力矩系數(shù)同樣按照表3進行選取。螺釘連接擰緊力矩也是主要按式(1)計算得出。在相同裝配對象上，一般無潤滑條件下的緊固力矩大于有潤滑條件下，細牙螺紋的緊固力矩大于粗牙螺紋。表6和表7主要列舉了雷達裝配中常用的A2-50，M4～M6粗牙螺紋螺釘在非潤滑條件下分別擰入不同強度等級母材中的合適的擰緊力矩值。

表6 A2-50螺釘與強度高的母材(Q235、2A12(H112)、16Mn、45#、TC4R)螺紋副之間的擰緊力矩理論值

粗牙螺紋公稱應(yīng)力截面積As/mm2擰緊力矩理論值/(N·m)M48.780.94～1.09M514.201.89～2.20M620.103.21～3.74

表7 A2-50螺釘與強度低的5A05(H112)

4 合適擰緊力矩的試驗驗證

合適擰緊力矩的確定不僅需要理論計算，還應(yīng)依據(jù)擰緊力矩理論值裝配一批樣品，實際觀察螺釘是否擰緊到位，有無螺紋滑牙和損傷，以及有無擰斷螺釘?shù)痊F(xiàn)象；同時按產(chǎn)品環(huán)境試驗標準做具體的振動試驗，振動試驗后，檢查標志漆是否完好無損，同時用力矩工具按試驗力矩值檢查螺釘是否發(fā)生松動[5]。

5 結(jié)束語

在雷達重要裝配場合中，力矩裝配要求提高了螺紋連接的一致性和可靠性。本文所提供的擰緊力矩主要依據(jù)理論公式計算得出，力矩值的真正應(yīng)用需要與各產(chǎn)品的使用條件相結(jié)合，進行大量的試驗驗證。同時力矩裝配只是螺紋連接質(zhì)量的一個側(cè)面，更多是為了解決力矩過大問題和保證擰緊力矩的一致性，并不能解決根本的松動問題。螺紋連接防松可以通過合理的設(shè)計，采用彈簧墊圈、力矩型鎖緊螺母、開口銷開槽螺母、打保險等防松零件，破壞螺紋副永久防松和涂膠等方式實現(xiàn)。

[1] 丁立強, 王曉暉, 孫東梅, 等. 雷達結(jié)構(gòu)中的螺紋連接預(yù)緊力控制研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(S): 407-410.

[2] 姚敏茹. 螺紋聯(lián)接防松技術(shù)的研究應(yīng)用與發(fā)展[J]. 新技術(shù)新工藝, 2006(6): 26-28.

[3] 毛謙德, 李振清. 袖珍機械設(shè)計師手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[4] 焦超鋒, 任康, 姜紅明, 等. 機載電子設(shè)備常用螺釘擰緊力矩研究[J]. 電子機械工程, 2012, 28(6): 54-56.

[5] 趙蘊懿, 李金萍. 螺釘裝配及防松技術(shù)[J]. 航天制造技術(shù), 2008(5): 45-47.

孫東梅(1977-)，女，工程師，主要從事特殊元件制造和電子裝聯(lián)工藝技術(shù)工作。

周 敏(1986-)，女，工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝技術(shù)及三維布線研究工作。

Application of Torque Control in Radar Assembly

SUN Dong-mei，ZHOU Min

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Using appropriate tightening torque to control screw assembly pre-tightening force is an important assembly technology, it is also a difficult point in mechanical assembly. Some researches on torque control have been carried out in our nation, but most of tightening torque standards just list the numerical torque values according to screw strength levels, the degree of torque control is not considered from the perspectives of application objects and connected parts. In this paper, the objects needing torque control in radar assembly procedure are listed, the basic theory of torque control engineering application and the determination principle of torque value are discussed.

torque control; pre-tightening force; tightening torque

2016-01-21

TN95

A

1008-5300(2016)02-0053-04