鎂合金基體螺紋扭拉特性及重復(fù)使用性研究

孟德浩, 張超穎, 袁文全, 閆 路, 閆 冰

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 概述

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳、機(jī)加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等對(duì)質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)域中應(yīng)用不斷增多[1-4]。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，航天運(yùn)載器等對(duì)螺紋連接的可靠性提出了越來(lái)越高的要求[5-6]。鎂合金的強(qiáng)度一般在400MPa以下，基體相對(duì)較軟，鎂合金基體螺紋連接結(jié)構(gòu)的扭拉特性及重復(fù)使用性能對(duì)鎂合金結(jié)構(gòu)連接可靠性具有重要影響，目前對(duì)于鎂合金特別是應(yīng)用在箭體結(jié)構(gòu)上的新型高強(qiáng)耐熱鎂合金的螺紋連接結(jié)構(gòu)的研究還鮮有報(bào)道。

影響螺紋連接可靠性的實(shí)質(zhì)是預(yù)緊力，但預(yù)緊力無(wú)法直接測(cè)量，工程上一般通過(guò)控制力矩來(lái)間接實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的控制[5]。緊固件的扭拉關(guān)系試驗(yàn)是研究螺紋緊固件安裝力矩和軸向預(yù)緊力之間關(guān)系的一種試驗(yàn)方法[7]，研究鎂合金基體螺紋的扭拉關(guān)系對(duì)于了解連接結(jié)構(gòu)的破壞形式及力矩量化控制具有重要意義。另外，測(cè)試鎂合金基體螺紋的重復(fù)使用性能，對(duì)于鎂合金基體螺紋的使用規(guī)范也具有重要意義。

本文以高強(qiáng)耐熱鎂合金為基體材料，在其上制螺紋，并與不同規(guī)格的螺栓配合，研究了鎂合金帶鋼絲螺套及不帶鋼絲螺套情況下和常用螺栓的扭拉關(guān)系和重復(fù)使用性能。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

在鎂合金試板上制螺紋孔，模擬螺母，在薄鋁板上制光孔模擬被連接件，扭拉關(guān)系試驗(yàn)安裝示意圖見(jiàn)圖1，其中夾具夾層用于測(cè)量軸向預(yù)緊力，試驗(yàn)件實(shí)物見(jiàn)圖2。

連接結(jié)構(gòu)的螺紋規(guī)格為M4、M6、M8、M10和M12，一組試驗(yàn)件直接采用基體螺紋和螺栓配合使用，另一組試驗(yàn)件在基體螺紋上安裝鋼絲螺套，兩組試驗(yàn)件都沒(méi)有采取潤(rùn)滑措施。M4、M6和M8螺栓表面鍍層為鍍鋅，M10和M12螺栓表面鍍層為鍍鎘。

圖1 扭拉關(guān)系試驗(yàn)安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of torsion-tension relation test

圖2 扭拉關(guān)系試驗(yàn)件Fig.2 Test pieces of torsion-tension relation test

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用德國(guó)Schatz-Analyse螺紋緊固件試驗(yàn)分析系統(tǒng)[8]，扭拉試驗(yàn)裝置的示意圖見(jiàn)圖3。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)均勻施加扭矩?cái)Q緊螺栓，通過(guò)總扭矩-角度傳感器測(cè)量得到總扭矩，通過(guò)軸向力-螺紋扭矩復(fù)合傳感器可以測(cè)到螺紋副扭矩和預(yù)緊力F，通過(guò)總扭矩、螺紋副扭矩及夾緊力可以計(jì)算出扭矩系數(shù)、螺紋副摩擦系數(shù)等參數(shù)，試驗(yàn)原理及計(jì)算公式見(jiàn)GB/T 16823.3-2010《緊固件 扭矩-夾緊力試驗(yàn)》。

工程中，擰緊力矩N與螺栓軸向預(yù)緊力F的關(guān)系通常按以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，以此得到扭矩系數(shù)K，扭矩系數(shù)K反映了螺紋連接的扭拉特性[9-10]。

N=K·d·F

(1)

其中，d為螺紋公稱(chēng)直徑。

圖3 扭拉關(guān)系試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the torsion-tension relation test device

2 安裝力矩研究

當(dāng)力矩較小時(shí)，力矩和預(yù)緊力成線(xiàn)性關(guān)系，隨著力矩增加，材料發(fā)生屈服或零件發(fā)生變形，導(dǎo)致力矩和預(yù)緊力不再成線(xiàn)性增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)記為屈服力矩。隨著力矩繼續(xù)增大，連接結(jié)構(gòu)最終發(fā)生破壞，破壞值記為破壞力矩。

首先研究了不同規(guī)格試驗(yàn)件的屈服力矩和破壞力矩，每種規(guī)格子樣為5個(gè)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)M8及以下規(guī)格主要為螺釘斷裂，平墊壓潰，見(jiàn)圖4；平墊為08Al鋼，強(qiáng)度不大于400MPa，屈服點(diǎn)主要是該墊片引起的；通過(guò)提高墊片的強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高屈服力矩。M10和M12的破壞主要為鎂合金基體拉脫和平墊破壞，見(jiàn)圖5，說(shuō)明隨著螺栓承載能力的提高，基體的剪切破壞首先發(fā)生。

2)以不帶螺套的M4規(guī)格試驗(yàn)件為例，螺栓長(zhǎng)度L=5和L=10時(shí)的平均屈服力矩分別為3.3N·m(離散系數(shù)為7.0%)和3.9N·m(離散系數(shù)為1.5%)，平均破壞力矩分別為5.0N·m(離散系數(shù)為5.2%)和6.6N·m(離散系數(shù)為4.8%)，可知相比于L=10，螺栓長(zhǎng)度L=5時(shí)平均屈服力矩和破壞力矩只有85%和75%，說(shuō)明適當(dāng)增加螺紋配合長(zhǎng)度可以提高承載能力15%～25%，這主要是由于配合長(zhǎng)度增加后，可以適當(dāng)降低前幾扣螺紋的承載；長(zhǎng)度增加1倍，承載只提高了15%～25%，驗(yàn)證了普通螺紋的承載主要集中在前幾扣，而不是均勻分布在各個(gè)螺紋上。

圖4 M6試驗(yàn)件破壞形式Fig.4 The destruction form of the M6 test piece

圖5 M10試驗(yàn)件破壞形式Fig.5 The destruction form of the M10 test piece

3 扭矩系數(shù)分析

為了測(cè)量扭矩系數(shù)K，按規(guī)定的安裝力矩在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行扭拉試驗(yàn)，每種規(guī)格試驗(yàn)件有3個(gè)子樣，每個(gè)子樣重復(fù)進(jìn)行了6次試驗(yàn),典型試樣的扭拉關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，不同試驗(yàn)件的平均K值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7,典型子樣數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8～圖11。

由圖7可知，M8及以下的試驗(yàn)件，帶鋼絲螺套的試驗(yàn)件的扭矩系數(shù)K的平均值比鎂基體螺紋(不帶鋼絲螺套)的略大，而M10及M12的試驗(yàn)件，鎂基體螺紋試驗(yàn)件的K值反而略大；對(duì)于鎂基體螺紋，M10和M12試驗(yàn)件下K值最大，可能是螺栓鍍層差異引起的(M8及以下螺栓表面處理為鍍鋅，M10及M12螺栓表面處理為鍍鎘)。

圖6 典型試樣的扭拉關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Torsion-tension curves of typical samples

圖7 不同螺紋規(guī)格的扭矩系數(shù)KFig.7 Torque coefficient K of different test pieces

分別以M8和M12兩種規(guī)格為例，統(tǒng)計(jì)了每種規(guī)格下3個(gè)試樣測(cè)得的K值，見(jiàn)圖8～圖11。由圖8～圖11可知，M8規(guī)格的試驗(yàn)件，無(wú)論帶鋼絲螺套與否，K值隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加無(wú)明顯增大的趨勢(shì)；而M12規(guī)格的試驗(yàn)件，無(wú)論帶鋼絲螺套與否，K值隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加有明顯增加的趨勢(shì)，原因是隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，螺栓鍍鎘層易脫落，造成螺紋副摩擦力矩增大，從而導(dǎo)致K值增加。

考慮到隨著試樣次數(shù)增加，部分規(guī)格試驗(yàn)件K值會(huì)增加，因此統(tǒng)計(jì)了不同試驗(yàn)次數(shù)3個(gè)子樣K值的離散系數(shù)，然后求平均值，具體見(jiàn)表1。由表1可知，不同規(guī)格試驗(yàn)件K值的離散系數(shù)最大為12.6%，大部分在10%以下，主要是由裝配及試驗(yàn)誤差引起的。

表1 扭矩系數(shù)K的離散系數(shù)

圖8 M8不帶鋼絲螺套下扭矩系數(shù)K隨試驗(yàn)次數(shù)的變化Fig.8 Torque coefficient K versus test count of M8 test pieces without wire threaded sleeve

圖9 M8帶鋼絲螺套下的扭矩系數(shù)K隨試驗(yàn)次數(shù)的變化Fig.9 Torque coefficient K versus test count of M8 test pieces with wire threaded sleeve

圖10 M12不帶鋼絲螺套下的扭矩系數(shù)K的變化Fig.10 Torque coefficient K versus test count of M12 test pieces without wire threaded sleeve

圖11 M12帶鋼絲螺套下的扭矩系數(shù)K的變化Fig.11 Torque coefficient K versus test count of M12 test pieces with wire threaded sleeve

4 重復(fù)使用性能

為了研究鎂合金基體螺紋的重復(fù)使用性能，在不帶鋼絲螺套的情況下，按前述安裝力矩用螺栓進(jìn)行15次拆卸試驗(yàn)，每5次試驗(yàn)后用螺紋通止規(guī)檢查鎂合金基體螺紋，通止規(guī)有一個(gè)檢測(cè)不合格即視為螺紋損壞。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，M8及以下規(guī)格的試驗(yàn)件，通過(guò)15次重復(fù)拆卸，通止規(guī)檢測(cè)合格；M10及M12的試驗(yàn)件重復(fù)5次后，通止規(guī)檢測(cè)即不合格，如果繼續(xù)重復(fù)拆卸，隨著拆卸次數(shù)增多，發(fā)現(xiàn)螺栓鍍層脫落，螺紋上有金屬屑，轉(zhuǎn)動(dòng)困難，有咬死趨勢(shì)。通過(guò)分析螺紋副的摩擦系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖12、圖13)，鍍鋅螺栓(M8及以下規(guī)格)隨著擰入次數(shù)增加，螺紋副摩擦系數(shù)基本不變，而鍍鎘螺栓(M10及M12規(guī)格)隨著擰入次數(shù)增加，螺紋副摩擦系數(shù)逐漸變大，主要原因是鍍鎘層耐摩性不好，易脫落，影響重復(fù)使用性能。上述分析表明，螺紋副摩擦系數(shù)的變化是引起K值變化的原因。

圖12 M8鍍鋅螺栓試驗(yàn)件螺紋副摩擦系數(shù)變化Fig.12 Friction coefficient of thread pair of M8 test piece

圖13 M12鍍鎘螺栓試驗(yàn)件螺紋副摩擦系數(shù)變化Fig.13 Friction coefficient of thread pair of M12 test piece

考慮到鎂合金電子電位低，易和異質(zhì)金屬發(fā)生電偶腐蝕，一般鎂合金基體螺紋長(zhǎng)期使用時(shí)應(yīng)考慮防護(hù)措施，如涂膠密封、鍍微弧氧化層等措施。

5 結(jié)論

研究了不同螺紋規(guī)格鎂合金基體的扭拉破壞形式、扭矩系數(shù)和重復(fù)使用性能，主要結(jié)論如下：

1)M8及以下規(guī)格試驗(yàn)件扭拉破壞形式主要為螺釘斷裂，平墊壓潰，M10和M12規(guī)格的試驗(yàn)件扭拉破壞主要為鎂合金基體拉脫和平墊破壞，說(shuō)明隨著螺栓承載能力的提高，鎂合金基體發(fā)生了剪切破壞。

2)平彈墊連接方式下，隨著擰緊力矩增加，由于彈墊的擠壓，平墊易首先發(fā)生屈服和變形，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)的屈服力矩下降，承載性能降低。

3)鎂合金基體螺紋帶鋼絲螺套和不帶鋼絲螺套下的扭矩系數(shù)略有差異，都在0.3左右，為鎂合金螺紋的力矩量化控制提供了依據(jù)。

4)鍍鎘螺栓在重復(fù)使用時(shí)，鍍層易脫落，導(dǎo)致螺紋副摩擦增大，扭矩系數(shù)K增大，隨著使用次數(shù)的增多有發(fā)生咬死的風(fēng)險(xiǎn)。