彈載電子設(shè)備螺釘擰緊力矩研究

黃 凱， 劉 宇， 李建偉， 錢皇延

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

由于彈載電子設(shè)備輕量化、小型化、防腐蝕的要求，連接結(jié)構(gòu)中一般采用不銹鋼螺釘擰入鋁合金螺紋孔，達到預(yù)緊產(chǎn)品的目的。采用彈簧墊圈或者膠水起到防松作用。為了提高彈載電子設(shè)備螺釘裝配質(zhì)量，為智能制造奠定技術(shù)基礎(chǔ)，有必要開展不銹鋼螺釘擰緊力矩量化研究。

國內(nèi)現(xiàn)有標準中，只有針對碳鋼、合金鋼、鈦合金M6以上的螺栓擰入螺母的擰緊力矩，不適用于彈載電子設(shè)備［1-2］。國內(nèi)，學(xué)者焦超鋒等開展了機載電子設(shè)備常用螺釘擰緊力矩研究［3］。學(xué)者孫東梅開展了力矩控制在雷達裝配中的應(yīng)用研究［4］。對不銹鋼螺釘擰入鋁合金螺紋孔的工況，考慮螺釘材料、螺紋孔材料等因素，基于抗拉強度理論計算預(yù)緊力。查表得到擰緊力矩系數(shù)，實現(xiàn)擰緊力矩的量化。

國外，美國航空航天局編制標準NASA-RP-1228《緊固件設(shè)計手冊》和NASA-STD-5020《航天器用螺紋緊固系統(tǒng)要求》，對設(shè)計、分析、工藝、質(zhì)量保證等方面，進行了規(guī)定。

本文將建立螺釘緊固系統(tǒng)，從系統(tǒng)層面出發(fā)，綜合考慮螺釘、螺紋孔和被連接件的材料力學(xué)性能，基于強度理論，計算預(yù)緊力。合理選取螺紋副的摩擦系數(shù)，彈簧墊圈與平墊圈之間端面摩擦副的摩擦系數(shù)，初步估算擰緊力矩系數(shù)。開展擰緊力矩系數(shù)測試，修正擰緊力矩系數(shù)，提高力矩量化精度。開展隨機振動環(huán)境試驗，驗證方法的可行性。

1 擰緊力矩量化思路

螺釘?shù)臄Q緊力矩主要由螺釘?shù)念A(yù)緊力、螺釘大小和擰緊力矩系數(shù)、緊固系數(shù)Q相關(guān)。鑒于電子設(shè)備的特性，螺紋孔和被連接件的強度較低，螺釘?shù)念A(yù)緊力需要考慮螺釘強度、螺紋孔強度和被連接件強度。鑒于不銹鋼螺釘、鋁合金螺紋孔的材料硬度較軟，摩擦系數(shù)相對較高，需要重新計算擰緊力矩系數(shù)。緊固系數(shù)Q值主要與安裝工具和潤滑條件相關(guān)。

擰緊力矩的量化思路，如圖1所示。

彈載電子設(shè)備擰緊力矩系數(shù)經(jīng)過試驗測試及修正，可進一步提高預(yù)緊力的安裝精度。

圖1 擰緊力矩量化思路

2 緊固系統(tǒng)建模

2.1 電子設(shè)備緊固系統(tǒng)

彈載電子設(shè)備典型緊固系統(tǒng)主要由元器件、印制板、屏蔽殼體、蓋板、緊固件、螺紋膠水和框架等組成，如圖2所示。

圖2 電子設(shè)備典型緊固系統(tǒng)組成

電子設(shè)備螺釘裝配一般可分為電路板級、組件級和系統(tǒng)級。在電路板級裝配中，質(zhì)量較重的元器件通過螺釘安裝在電路板上，常用緊固結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電路板級裝配

在組件級裝配中，電路板組件通過螺釘安裝在屏蔽殼體內(nèi)，常用緊固結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 組件級電路板組件裝配

蓋板通過螺釘安裝在殼體上，常用緊固結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 組件級蓋板裝配

在系統(tǒng)級裝配中，組件通過螺釘安裝在系統(tǒng)框架上，常用緊固結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)級裝配

電子設(shè)備典型緊固系統(tǒng)中，選用的緊固件、器件安裝法蘭、印制板、屏蔽殼體、蓋板和框架的材料性能參數(shù)，如表1所示。

2.2 預(yù)緊力

預(yù)緊力是螺釘與螺紋孔完成裝配時，螺釘受到的軸向拉伸力。該力不包括作用在螺釘—螺紋孔連接副上的外力。

電子設(shè)備緊固系統(tǒng)中，預(yù)緊力取決于螺釘強度、螺紋孔強度和被連接件強度，選取三者中的最小值作為計算依據(jù)。

表1 材料性能參數(shù)

螺釘采用不銹鋼材料，而螺紋孔一般為鋁合 金或不銹鋼材料。此時螺釘強度取決于螺桿抗拉強度。螺紋孔強度取決于螺紋抗剪切強度、抗擠壓強度和抗彎曲強度，選取三者中的最小值作為計算依據(jù)。被連接件的強度取決于抗壓強度。

預(yù)緊力的計算方程為

式中：F0為預(yù)緊力；k為預(yù)緊力系數(shù)，k取0.5～0.6；F1為螺釘能承受的最大軸向力；F2為螺紋孔能承受的最大軸向力；F3為被連件能承受的最大軸向力；σs為螺釘屈服應(yīng)力；As為螺紋應(yīng)力截面積；F21、F22、F23分別為基于螺紋孔抗剪切強度、抗擠壓強度、抗彎曲強度的最大軸向力；D為螺紋孔大徑；b為螺紋牙底寬度；z為結(jié)合圈數(shù)；［τ］為許用剪應(yīng)力，對于材質(zhì)為鋁合金，可以?。郐樱?0.6［σ］，［σ］為材料許用拉應(yīng)力，［σ］=σs/S，其中σs為屈服應(yīng)力，S為安全系數(shù)，對于有控制預(yù)緊力措施的，S取1.2～1.5；D2為螺紋中徑；h為螺紋工作高度；［σb］為螺紋牙許用彎曲應(yīng)力，［σb］= （1～1.2）［σ］；p為螺距；［σp］為許用擠壓應(yīng)力，［σp］= ［σ］；A 為擠壓接觸面積，盤頭螺釘和內(nèi)六角螺釘一般都與平墊圈一起使用，擠壓面積以平墊圈表面積為準，沉頭螺釘以沉頭錐形表面積為準。

美國馬歇爾航天飛行中心螺紋緊固件擰緊力矩標準中，給出的安裝力矩規(guī)定為：對于一般結(jié)構(gòu)連接場合，安裝力矩不應(yīng)超過拉力屈服載荷的65%；對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接場合，安裝力矩應(yīng)占相應(yīng)拉力屈服載荷更高的比例。美國MIL-HDBK-60《螺紋緊固件—擰緊到合適的預(yù)緊力》標準中，給出的最大螺栓預(yù)緊力應(yīng)在以下范圍內(nèi)：螺栓最小為拉力載荷的50%～80%［5］。國內(nèi)，《緊固件連接設(shè)計手冊》中，一般機械的安裝力矩為拉力屈服載荷的50%～70%［6］。

針對彈載電子設(shè)備緊固系統(tǒng)，選擇螺釘、螺紋孔和被連接件三者中，屈服載荷的50%～60%作為預(yù)緊力。

2.3 擰緊力矩系數(shù)

根據(jù)機械設(shè)計手冊，螺栓和螺母緊固系統(tǒng)的擰緊力矩系數(shù)理論計算方程為

式中：K為擰緊力矩系數(shù)；d2為螺紋中徑；d為螺紋公稱直徑；φ為螺紋升角；ρv為當量摩擦角；fc為緊固件與被連接件支撐面（墊圈）間的摩擦系數(shù)；Dw為緊固件（墊圈）與被連接件支承面外圓直徑；d0為緊固件（墊圈）與被連接件支承面內(nèi)圓直徑［7］；P為螺紋螺距；f為螺紋副間摩擦系數(shù)；β為螺紋牙型斜角。

電子設(shè)備緊固系統(tǒng)中，擰緊力矩系數(shù)可參照式（2）進行計算。不銹鋼和鋁合金材料，與碳鋼、合金鋼比，表面偏軟，摩擦系數(shù)會增大。電路板級裝配中，不銹鋼螺釘與彈簧墊圈間可視為軟鋼和鋼接觸，螺紋副可視為軟鋼和軟鋼接觸。組件級電路板組件裝配和系統(tǒng)級裝配中，不銹鋼螺釘與彈簧墊圈間可視為軟鋼和鋼接觸，螺紋副可視為軟鋼和鋁合金接觸。組件級蓋板裝配中，不銹鋼螺釘與蓋板間的接觸面為圓錐形，可視為軟鋼和鋁合金接觸。不同材料間的摩擦系數(shù)，按設(shè)計手冊選取［8］。

電路板級、組件級和系統(tǒng)級裝配的參數(shù)選取，見表2。

經(jīng)過計算，擰緊力矩系數(shù)如表3所示。

可見，不同工況條件下的擰緊力矩系數(shù)K存在差別。擰緊力矩系數(shù)K與螺紋的尺寸大小關(guān)系不大。

2.4 緊固系數(shù)

電子設(shè)備裝配時，受緊固方法、緊固件表面狀態(tài)、潤滑狀態(tài)的影響，依據(jù)《螺紋連接的理論與計算》，引入緊固系數(shù)Q，不同條件下，Q的標準值，見表4。

彈載電子設(shè)備采用帶扭矩控制的工具安裝。螺釘材料一般為不銹鋼，表面簡單清洗處理。零件的螺紋孔一般為導(dǎo)電氧化。裝配過程中，一般無潤滑。根據(jù)緊固方法和表面狀態(tài)，緊固系數(shù)Q取1.8。

表2 參數(shù)取值

表4 緊固系數(shù)Q的標準值

2.5 擰緊力矩

螺釘?shù)臄Q緊力矩是指螺釘在擰緊時采用的力矩。在正常條件下，施加在螺釘或者螺母上的力矩并不全產(chǎn)生螺釘預(yù)緊力，其中約有50%用于克服螺母或螺釘頭與支承面之間的摩擦，螺紋摩擦損耗的力矩約占擰緊力矩的40%，而產(chǎn)生螺釘預(yù)緊力的力矩僅占擰緊力矩的10%左右。支承面的摩擦系數(shù)、螺紋接觸面的摩擦系數(shù)、擰緊速度、工作現(xiàn)場的溫度等許多因素都會影響以上3者之間的比例。摩擦系數(shù)（包括螺紋間的摩擦系數(shù)和螺釘與支承面間摩擦系數(shù)）越小，產(chǎn)生螺釘預(yù)緊力的比例就越大［9］。

擰緊力矩T，按下式計算

式中：Q為緊固系數(shù)；K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑；F0為預(yù)緊力。

電子設(shè)備的擰緊力矩計算結(jié)果，如表5所示。

3 擰緊系數(shù)測試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測試方案

擰緊力矩系數(shù)K主要與螺紋中徑、螺距、螺紋副的摩擦系數(shù)、螺釘端面與墊圈的摩擦系數(shù)、螺紋牙型角、螺紋升角、墊片與螺釘端面的接觸面積等因素相關(guān)。其中，摩擦系數(shù)主要與材料的表面粗糙度、潤滑條件、材料的軟硬程度等因素相關(guān)。

表5 擰緊力矩計算

有必要針對彈載電子設(shè)備常用螺釘?shù)牡湫褪褂霉r，開展擰緊力矩系數(shù)K的測試。試驗方法可參考標準GB/T16823.3。

測試方案，如圖7所示。

將殼體模擬件固定在固定工裝上，模擬件的材料、加工方法、表面處理與實際殼體一致。固定工裝安裝在拉伸機的底盤上。印制板模擬件放置在支撐工裝上，模擬件的材料、加工方法、表面處理與實際印制板一致。支撐工裝安裝在拉伸機的拉伸軸上。支撐工裝與殼體模擬件之間保持一定的間隙，力矩螺絲刀安裝過程中，產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力可傳遞到拉伸軸上。試驗用的緊固件與實際產(chǎn)品用的緊固件標準一致。試驗用力矩螺絲刀與實際產(chǎn)品裝配用的工具一致。

圖7 試驗方案

按工況條件，開展電子設(shè)備擰緊力矩系數(shù)測試。按電路板級、組件級和系統(tǒng)級開展試驗設(shè)計。為了提高試驗數(shù)據(jù)的可信度，采取同一工況，多個樣本，同一樣本，多次測試的方案。每個工況，樣本數(shù)6個，每組測試5次。

3.2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果如表6所示。

表6 K值測試結(jié)果

（1）不同工況下的K值

經(jīng)測試，不同工況下的K值不同。表6列出了4種工況下K值的試驗結(jié)果、平均值、標準差以及與表3理論計算結(jié)果的偏差情況。受螺紋加工精度、試驗設(shè)備精度、力矩螺絲刀精度等因素影響，同一工況不同樣本間K值會有一定波動。測試結(jié)果標準差相對較小，說明波動較小，測試方法可重復(fù)性強。系統(tǒng)級裝配，測試值與計算值偏差最大，達到24.8%。

實測電子設(shè)備各種工況下的擰緊力矩系數(shù)K的平均值在0.29～0.50區(qū)間內(nèi)。同等潤滑、表面處理條件下碳鋼、合金鋼螺栓螺母結(jié)構(gòu)的K值為0.18～0.21。驗證了不銹鋼和鋁合金材料相對碳鋼、合金鋼表面硬度偏軟，摩擦系數(shù)變大，導(dǎo)致擰緊力矩系數(shù)較大。

（2）K值與擰緊力矩的關(guān)系

為了驗證同一工況下，擰緊力矩大小對K值的影響。以系統(tǒng)級M4螺釘裝配為研究對象，選兩組進行測試，擰緊力矩逐漸增大時，預(yù)緊力的變化情況，如圖8所示。

圖8 預(yù)緊力隨擰緊力矩變化圖

直線斜率的倒數(shù)除以螺紋公稱直徑，即可獲得K值。圖8中，兩次試驗的曲線基本呈一條直線。說明K值與擰緊力矩的大小沒有關(guān)系。兩組試驗的斜率很接近，進一步說明測試方法的可重復(fù)性強。

（3）螺紋膠對擰緊力矩系數(shù)K的影響

對于組件級蓋板裝配工況，沉頭螺釘為了防松，螺紋表面涂樂泰222螺紋膠。根據(jù)文獻，膠水對預(yù)緊力有影響［10］。有必要測試此工況下的擰緊力矩系數(shù)。選取樣本10個，每組測試5次，擰緊力矩為0.23 N·m，預(yù)緊力及K值見表7。

表7 涂膠螺釘K值測試結(jié)果

涂膠后的擰緊力矩系數(shù)K的均值為0.332，標準差為0.028。未涂膠的擰緊力矩系數(shù)K的均值為0.498，標準差為0.039。可見，涂膠后擰緊力矩系數(shù)K明顯減少，樂泰222具有潤滑作用。

3.3 擰緊力矩修正

為了提高彈載電子設(shè)備螺釘預(yù)緊力安裝精度，將實測K值代入公式3，對擰緊力矩進行修正，修正后的擰緊力矩值見表8。

表8 修正后的擰緊力矩

4 驗證試驗

力矩裝配已經(jīng)在彈載電子設(shè)備多個批次的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。產(chǎn)品經(jīng)過了應(yīng)力篩選試驗、隨機振動、沖擊、離心、溫沖等環(huán)境試驗、可靠性增長試驗和飛行試驗的驗證，滿足使用要求。

5 結(jié)束語

本文從彈載電子設(shè)備緊固系統(tǒng)出發(fā)，綜合分析了力矩量化的相關(guān)因素?；诹W(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)和機械學(xué)知識，通過理論計算，確定不同工況下的擰緊力矩。開展擰緊系數(shù)測試，分析了不同工況、不同擰緊力矩、螺紋膠水對擰緊力矩系數(shù)的影響。

針對預(yù)緊力安裝誤差要求不高的場合，可直接使用理論計算值作為安裝力矩，預(yù)緊力精度可控制在±30%以內(nèi)。對預(yù)緊力要求較高的場合，建議每批次，開展擰緊力矩系數(shù)測試及修正，可顯著提高預(yù)緊力安裝精度。