鎂合金替代硬鋁合金的螺孔連接強(qiáng)度可行性

陳 波，陳以金，張登材

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

鎂合金替代硬鋁合金的螺孔連接強(qiáng)度可行性

陳 波，陳以金，張登材

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

為了驗(yàn)證鎂合金的螺紋孔強(qiáng)度，文中以某型號(hào)設(shè)備減重需求為背景，采用螺釘預(yù)緊力理論分析和基于商業(yè)分析軟件Workbench的仿真方法研究了不銹鋼螺釘與2種基材的螺釘連接在給定預(yù)緊力下的受力情況。分析結(jié)果顯示，采用不銹鋼螺釘?shù)耐扑]預(yù)緊力下限值能夠保證螺釘和鎂合金基材最大等效應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證采用鎂合金原位替換硬鋁合金應(yīng)用于電子設(shè)備主承力結(jié)構(gòu)的可行性。研究結(jié)果為輕質(zhì)和低強(qiáng)度材料在航空航天電子設(shè)備上的應(yīng)用提供了參考。

航天；電子設(shè)備；減重；鎂合金；預(yù)緊力

引 言

隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的發(fā)展，鎂合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣。鎂合金有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是鎂合金也存在材料強(qiáng)度偏低、抗蠕變性差、燃點(diǎn)低等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]綜述了鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了各種鎂合金先進(jìn)的成形和制備技術(shù)；文獻(xiàn)[2]針對(duì)鎂合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用容易腐蝕的問(wèn)題，系統(tǒng)梳理了鎂合金在適航標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的使用規(guī)定；文獻(xiàn)[3]介紹了幾種阻尼合金尤其是鎂合金在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)提供了參考；文獻(xiàn)[4]研究了鎂鋁合金在T/R組件中的應(yīng)用，并就表面防護(hù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相應(yīng)闡述，同時(shí)提到鎂合金由于強(qiáng)度較低，需要加裝不銹鋼鋼絲螺套或者鑲嵌高強(qiáng)度過(guò)渡金屬用于機(jī)械連接，但沒(méi)有相應(yīng)的詳細(xì)分析。目前關(guān)于鎂合金的研究大多側(cè)重于加工制備、表面防腐蝕、阻尼特性和輕質(zhì)應(yīng)用[5-6]等方面，針對(duì)鎂合金螺孔連接具體分析的文章鮮見(jiàn)報(bào)道。

在本文中，設(shè)備平臺(tái)總體要求減重。由于原來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮過(guò)減重，再在結(jié)構(gòu)件挖腔減重收效小、風(fēng)險(xiǎn)大，因此，決定采取材料原位替換的方法，將正樣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件的材料由硬鋁合金更換為鎂合金。由于是原位替換，而不是全新設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致替換后機(jī)箱強(qiáng)度不夠或螺釘連接失效等問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在鎂合金上加裝鋼絲螺套能在一定程度上緩解鎂合金強(qiáng)度低的應(yīng)用缺陷(例如增加拆裝次數(shù))，但是并不能保證其螺紋連接處強(qiáng)度達(dá)到硬鋁合金的等級(jí)，因?yàn)殇摻z螺套會(huì)將螺釘預(yù)緊力傳遞到鎂鋁合金，從而造成不利影響，只是由于接觸面積變大，具有一定減弱接觸應(yīng)力的效果。本文著重研究原位替換后螺釘連接是否滿(mǎn)足使用要求，以及鎂鋁合金加裝鋼絲螺套以后對(duì)螺釘預(yù)緊力的使用限制。

1 設(shè)備機(jī)箱的整體結(jié)構(gòu)

機(jī)箱框架由底板、左右側(cè)板、上板以及后面的圍框組成，模塊插件按一定排列順序和母板的劃分，垂直插入各自的導(dǎo)軌槽內(nèi)，然后采用鎖緊裝置鎖緊，如圖1所示。由于鎂合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于硬鋁合金，材料變化對(duì)機(jī)箱整體性能的影響(考核機(jī)箱在給定振動(dòng)條件下的受力分析)已經(jīng)另行做過(guò)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算分析，限于篇幅，本文不展開(kāi)闡述，但最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于驗(yàn)證計(jì)算分析的有效性。本文重點(diǎn)驗(yàn)證材料變化對(duì)緊固件的影響，即常規(guī)預(yù)緊力下螺釘及其連接處的基材是否滿(mǎn)足要求。

圖1 機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)

2 螺釘預(yù)緊力理論分析

2.1 預(yù)緊力矩

根據(jù)工程手冊(cè)得知，擰緊螺釘所需力矩T為螺紋摩擦力矩T1和支撐面摩擦力矩T2之和，可通過(guò)下列公式獲得：

T=KFd

其中：F為預(yù)緊力；d2為螺紋中徑；λ為螺紋升角；ρV為螺紋當(dāng)量摩擦角；dm為螺紋支撐面平均直徑；f1為螺釘支撐面摩擦；d為螺紋大徑。本文支撐面全部處于氧化無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，扭矩系數(shù)取值0.24[7-8]。

2.2 預(yù)緊力

對(duì)電子設(shè)備而言，螺釘連接安全性的關(guān)鍵在于螺釘能夠具有足夠的剩余預(yù)緊力來(lái)抵消振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的外力。如果施加的預(yù)緊力過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致螺紋牙被剪斷而脫扣或者螺釘被擰斷。如果施加的預(yù)緊力過(guò)小，則可能會(huì)使得螺釘在振動(dòng)過(guò)程中因松動(dòng)而失效。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)緊力的取值范圍如下所示：

對(duì)碳素鋼螺釘：預(yù)緊力F= (0.6～ 0.7)σs×As

對(duì)合金鋼螺釘：預(yù)緊力F= (0.5～0.6)σs×As

式中：σs為螺釘材料的屈服強(qiáng)度；As為螺釘?shù)墓Q(chēng)應(yīng)力截面積。

2.3 螺釘?shù)刃?yīng)力

預(yù)緊力使螺栓危險(xiǎn)截面產(chǎn)生正應(yīng)力，同時(shí)螺紋之間的摩擦力矩在螺栓的危險(xiǎn)截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，根據(jù)文獻(xiàn)描述，2 種應(yīng)力可用一種當(dāng)量應(yīng)力表示，理論分析可知摩擦力矩的作用相當(dāng)于使拉伸載荷增加10% ～ 30%。因此，在預(yù)緊力矩下的螺釘?shù)刃?yīng)力可表示為：

σ=(1 +α)T/KdAs

式中：α為摩擦力矩使得拉伸載荷增加的系數(shù)。

3 研究模型和基本參數(shù)

設(shè)備連接螺釘采用M3×12的不銹鋼螺釘，本文主要考察M3螺釘及其基材在給定預(yù)緊力下的受力情況，即輕量化前后常規(guī)螺釘預(yù)緊力是否滿(mǎn)足要求。M3螺釘模型按照真實(shí)情況建模，螺釘及其基材模型截面如圖2所示。由于鎂合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于硬鋁合金，因此在使用鎂合金時(shí)，需要在鎂合金基材里面增加鋼絲螺套，圖2表示兩種基材下的螺釘模型截面圖。

圖2 螺釘連接模型截面圖

螺釘材料為不銹鋼(A2-70)，基材分別為硬鋁合金(LY12-CZ)和鎂合金(MB8)[9]，鋼絲螺套材料為304不銹鋼，材料基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 螺釘及基材參數(shù)表

4 螺釘預(yù)緊力仿真分析

4.1 硬鋁合金預(yù)緊力仿真分析

為了更好地了解模型在輕量化改進(jìn)之前的受力情況，當(dāng)被連接基材為硬鋁合金時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行預(yù)緊力分析。螺釘和基材的整體應(yīng)力云圖如圖3所示，通過(guò)觀(guān)察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模型在承受0.6σs預(yù)緊力的載荷時(shí)，螺釘最大等效應(yīng)力達(dá)到414 MPa(約占屈服強(qiáng)度的92%)，不超過(guò)螺釘?shù)那?qiáng)度450 MPa，滿(mǎn)足螺釘強(qiáng)度要求。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約176.4 MPa(約占屈服強(qiáng)度的54%)，低于硬鋁合金的屈服強(qiáng)度325 MPa，滿(mǎn)足硬鋁合金的強(qiáng)度要求。通過(guò)理論計(jì)算得到的螺釘?shù)刃?yīng)力介于297～351 MPa之間，觀(guān)察螺釘頸部，發(fā)現(xiàn)絕大部分區(qū)域的應(yīng)力介于300 ～ 360 MPa之間，如圖4所示，說(shuō)明仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果接近?？紤]到理論計(jì)算結(jié)果不能準(zhǔn)確地給出最大等效應(yīng)力，也不能通過(guò)上述理論直接計(jì)算鋼絲螺套和基材的最大等效應(yīng)力，所以后文驗(yàn)證工作通過(guò)仿真手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 0.6σs預(yù)緊力下整體應(yīng)力云圖

圖4 0.6σs預(yù)緊力下螺釘局部應(yīng)力云圖

4.2 鎂合金預(yù)緊力仿真分析

本文的輕量化改進(jìn)方法為采用鎂合金替換硬鋁合金，考慮到鎂合金強(qiáng)度較小，所以在基材里面增添了鋼絲螺套，仿真分析如圖5所示。通過(guò)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，模型在承受0.6σs預(yù)緊力的載荷時(shí)，其最大等效應(yīng)力達(dá)到394.1 MPa(約占屈服強(qiáng)度的88%)，不超過(guò)螺釘?shù)那?qiáng)度450 MPa，滿(mǎn)足螺釘強(qiáng)度要求。鋼絲螺套的最大等效應(yīng)力為211.9 MPa，大于鋼絲螺套的屈服強(qiáng)度205 MPa，但遠(yuǎn)小于鋼絲螺套的抗拉強(qiáng)度520 MPa，存在屈服的風(fēng)險(xiǎn)。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約105.9 MPa(約占屈服強(qiáng)度的90%)，低于鎂合金的屈服強(qiáng)度118 MPa，滿(mǎn)足鎂合金的強(qiáng)度要求。基于此，本文考慮了模型在0.5σs預(yù)緊力載荷下的受力情況。

圖5 0.6σs預(yù)緊力下等效應(yīng)力云圖

螺釘模型在0.5σs預(yù)緊力載荷下的受力情況如圖6所示，螺釘最大等效應(yīng)力達(dá)到344.2 MPa(約占屈服強(qiáng)度的76%)，不超過(guò)螺釘?shù)那?qiáng)度450 MPa，滿(mǎn)足螺釘強(qiáng)度要求。鋼絲螺套的最大等效應(yīng)力為176.4 MPa(約占屈服強(qiáng)度的86%)，不超過(guò)鋼絲螺套的屈服強(qiáng)度205 MPa，滿(mǎn)足鋼絲螺套強(qiáng)度要求。被連接基材螺紋段的最大應(yīng)力約88.3 MPa(約占屈服強(qiáng)度的75%)，低于鎂合金的屈服強(qiáng)度118 MPa，滿(mǎn)足鎂合金的強(qiáng)度要求。因此，采用0.5σs預(yù)緊力進(jìn)行加載，能夠保證螺釘及其基材在預(yù)緊力作用下不會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。

圖6 0.5σs預(yù)緊力下等效應(yīng)力仿真結(jié)果圖

4.3 鎂合金試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，本文采用0.5σs預(yù)緊力對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力矩對(duì)螺釘進(jìn)行加載。為了防止預(yù)緊力過(guò)小造成螺釘在振動(dòng)環(huán)境下失效，同時(shí)考慮到可維修性，本文采用樂(lè)泰222膠粘劑對(duì)螺釘進(jìn)行點(diǎn)膠處理，并固化72 h以上。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，樂(lè)泰222膠粘劑可以提高螺釘?shù)乃砷_(kāi)力矩13%左右。在此基礎(chǔ)上，整機(jī)模型按照表2所示的隨機(jī)振動(dòng)條件進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)(如圖7所示)，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)螺釘松動(dòng)現(xiàn)象，驗(yàn)證了采用鎂合金替換硬鋁合金來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的可行性。按此方案設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品最終通過(guò)了其它環(huán)境實(shí)驗(yàn)。

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖7 整機(jī)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)航天電子設(shè)備的輕量化需求，本文從理論、仿真和試驗(yàn)的角度出發(fā)驗(yàn)證了鎂合金替換硬鋁合金的可行性。首先采用理論方法初步確定預(yù)緊力下緊固件的等效應(yīng)力，接著采用仿真方法深入探索緊固件及其基材的最大等效應(yīng)力，最后采用試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證最終方案是否滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。分析結(jié)果顯示，采用鎂合金替換硬鋁合金可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化要求，但是需要適當(dāng)減小預(yù)緊力來(lái)保證緊固件和基材的強(qiáng)度要求，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)膠的方式來(lái)輔助增強(qiáng)緊固件連接的整體強(qiáng)度。本文研究結(jié)果可以對(duì)輕質(zhì)和低強(qiáng)度材料在航空航天上的應(yīng)用提供工程參考。

[1] 吳國(guó)華, 陳玉獅, 丁文江. 鎂合金在航空領(lǐng)域研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 載人航天, 2016, 22(3): 281-292.

[2] 唐正府, 劉興科, 任光明. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)中鎂合金材料使用要求[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2014(6): 26-28.

[3] 周曉東. 阻尼合金在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(1): 36-39.

[4] 呂慎剛, 秦超. 鎂合金材料在T/R組件中的應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(4): 55-61.

[5] 王渠東, 呂宜振, 曾小勤, 等. 鎂合金在電子器材殼體中的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2000, 14(6): 22-24.

[6] 王朝輝, 賈林, 杜文博. 鎂合金材料在機(jī)器人輕量化上的應(yīng)用淺析[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2016(7): 14-17.

[7] 焦超鋒, 任康, 姜紅明, 等. 機(jī)載電子設(shè)備常用螺釘擰緊力矩研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(6): 54-57.

[8] 趙蘊(yùn)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.

[9] 欒兆菊, 孫建彬. 某雷達(dá)冷板雙軸肩攪拌摩擦焊接工藝試驗(yàn)[J]. 電子機(jī)械工程, 2015, 31(3): 50-60.

陳 波(1982-)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。

陳以金(1985-)，男，工學(xué)博士，主要從事復(fù)合材料設(shè)計(jì)及理論計(jì)算，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)仿真。

張登材(1973-)，男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事天饋結(jié)構(gòu)及航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體工作。

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Threaded Hole Strength Feasibility Validation of MB8 Mg-alloyInstead of LY12 Al-alloy

CHEN Bo，CHEN Yi-jin，ZHANG Deng-cai

(The 29th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

Based on the lightweight requirement of some aerospace project, this paper describes the mechanical behavior of the stainless steel bolt and alloy matrix under applied bolt pretension force. The theoretical analysis of bolt pretension force and numerical methods based on commercial FE analysis package (Workbench, version 15.0) have been used to verify the bolted joint strength. The analysis result shows that the maximum equivalent stresses for both bolt and MB8 magnesium alloy are lower than their material yielding strength, while the recommended lower limit of bolt pretension force is carried on the model. Finally, the feasibility has been demonstrated through the random vibration test results, which means the MB8 magnesium alloy can be used in electronic equipment supporting structure instead of LY12-CZ aluminum alloy. The presented analysis provides meaningful guidance of lightweight and low-strength materials in aerospace applications.

aerospace; electronic equipment; lightweight; MB8 magnesium alloy; bolt pretension force

2016-12-30

TG146.22

A

1008-5300(2017)03-0040-04