多種收口因素對GH738自鎖螺母力矩衰減速度的影響研究

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

自鎖螺母是利用自身結構塑性變形在螺紋副間產生摩擦力矩來防止螺紋松動，雖有重復拆裝方便的優(yōu)點，但其自鎖力矩也會在重復使用過程中逐步衰減，特別是在航空發(fā)動機振動、沖擊、載荷變動以及溫差過大的苛刻工況下[1]。實際使用中曾出現(xiàn)過某型渦扇發(fā)動機一次試車后連續(xù)5臺發(fā)動機鼓筒前連接螺母自鎖力矩衰減較大的情況，且已小于標準規(guī)定力矩下限，而相關標準要求其在高溫環(huán)境下使用5次后鎖緊力矩應能滿足要求，故自鎖螺母因鎖緊力矩衰減過快造成重復使用性差、使用壽命短是目前亟待解決的問題。

研究表明，影響自鎖螺母鎖緊力矩衰減速度的因素有很多，除不可改變的惡劣工況因素外，螺母的選材及熱處理、鎖緊結構尺寸、收口方式及收口量等都是主要影響因素[2-3]。但現(xiàn)有研究只是通過常溫循環(huán)試驗分析單一因素對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，且沒有對比不同規(guī)格螺母的差異[4-5]。本文將通過分組試驗的方法，對比分析在常溫和高溫環(huán)境下，GH738螺母收口方式、鎖緊段壁厚、收口量大小3種因素組合作用時對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，進而探討對于不同規(guī)格的螺母延長其使用壽命的收口工藝優(yōu)化措施。

1 試驗對象分析

我國航空發(fā)動機上主要使用的是壓扁收口自鎖螺母，其是在特定的鎖緊部位進行收壓變形，使鎖緊部位的螺紋孔由圓形變?yōu)榉菆A形[6]。壓扁方式有橢圓收口、三點收口和多點收口。橢圓收口方式工藝簡單，是目前國產自鎖螺母最常用的壓扁方式，理論上其比三點收口螺母鎖緊區(qū)作用面積小，在達到相同鎖緊力矩時所需變形量更大，鎖緊性能不如三點收口穩(wěn)定，但二者對鎖緊力矩衰減速度的影響還需進行對比試驗分析。

自鎖螺母的鎖緊性能與螺母材料的彈性有很大關系[7]，低強度螺母在擰入螺栓時容易使其非圓收口部位產生塑性變形，難以保證彈性鎖緊的性能要求，理論上加大螺母鎖緊段的壁厚可以提高其鎖緊性能穩(wěn)定性。

自鎖螺母收口處收口量大小對其擰出力矩的平均值也有很大影響[8]，理論上收口量越大擰出力矩平均值就越大，尤其是前幾次擰出力矩增大明顯，但過大的收口量時可能導致首次擰出力矩超出標準上限，且其對鎖緊力矩的衰減速度的影響尚不明確，需要通過試驗進一步分析。

2 試驗及方法

為對比分析影響因素變化時不同規(guī)格螺母的表現(xiàn)差異，選取MJ6和MJ8 兩種規(guī)格的螺母為試驗對象，材料均為航空發(fā)動機緊固件常用的進口材料Waspaloy，對應國內材料牌號為GH738，試驗設備為國產扭力機，試驗件安裝如圖1所示。試驗項目為常溫15次循環(huán)試驗和高溫5次加載試驗，每項試驗的試驗件均為8件，技術要求和試驗方法分別按HB7686—2001[9]和HB7687—2001[10]。

為分析3種因素組合作用時對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，采取依次疊加影響因素的思路設計試驗分組并加工試驗件，試驗分組及對應試驗件見表1。

3 結果與討論

3.1 收口方式對比試驗

將各組試驗件的擰出力矩結果取平均值（后文同），繪制成圖2和圖3。

由試驗數(shù)據(jù)可見，在常溫循環(huán)試驗后，采用三點收口（B組）的兩種規(guī)格的螺母各次擰出力矩均大于采用兩點收口（A組）的螺母，如圖2所示。

如圖3所示，在高溫加載試驗后：

（1）MJ6螺母5次擰出力矩值都大于采用兩點收口的螺母，其鎖緊力矩衰減程度也小于兩點收口的螺母（B組衰減程度為52.7%，A組衰減程度為55.6%，圖3（a））。

（2）MJ8螺母5次擰出力矩平均值與采用兩點收口的螺母相差很小，但其鎖緊力矩衰減程度小于兩點收口的螺母（B組衰減程度為39.2%，A組衰減程度為43.2%，圖3（b））。

3.2 鎖緊段壁厚對比試驗

由試驗數(shù)據(jù)可見，在同樣采用三點收口方式的情況下，隨著收口段壁厚的增加，在常溫循環(huán)試驗后，兩種規(guī)格螺母各次擰出力矩值均逐漸增大，如圖4所示。

如圖5所示，高溫加載試驗后，MJ6和MJ8螺母鎖緊力矩表現(xiàn)出不同的衰減規(guī)律：

圖1 試件安裝圖Fig.1 Installation diagram of testing pieces

表1 試驗分組及對應試驗件Table1 Test groups and test pieces

圖2 不同收口方式螺母常溫循環(huán)對比試驗Fig.2 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at room temperature

圖3 不同收口方式螺母高溫加載對比試驗Fig.3 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at high temperature

圖4 不同鎖緊段壁厚螺母常溫循環(huán)對比試驗Fig.4 Torque comparison of different thickness of lock area at room temperature

（1）MJ6螺母隨著壁厚的增加，首次擰出力矩明顯增大，但其衰減速度同樣增大明顯，最終第5次擰出力矩相差不大。外圓尺寸由小到大螺母鎖緊力矩衰減程度依次為52.7%、64%、68.2%、74.7%（圖5（a））。

（2）MJ8螺母隨著壁厚的增加，B、C、E 3組試驗5次擰出力矩都依次增大，且衰減速度依次減小。D組試驗前兩次擰出力矩大于E組數(shù)據(jù)，第3次擰出后力矩下落到E組和C組之間，總體衰減速度較快。外圓尺寸由小到大螺母鎖緊力矩衰減程度依次為39.3%、30%、50%、17.9%（圖5（b））。

由上述分析可知，高溫加載試驗后MJ6螺母隨著壁厚的增加，衰減速度逐漸增大，而MJ8螺母衰減速度總體上逐漸減小。

分析現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，三點收口工藝是采用3個壓頭同時對螺母收口段外圓進行收壓，由于MJ6螺母相對MJ8螺母外徑較小，各受壓點之間距離較近，收口段受壓變形時各受壓點之間的相互影響較大，加之收口段各處硬度、各壓頭的收口量都是有細微差異的，導致螺母收口段3處變形不完全一致，且這種情況在收口段加厚時由于變形部位金屬量增加會更加明顯，最終導致MJ6螺母在收口段壁厚對比試驗中表現(xiàn)出的衰減規(guī)律。

3.3 收口量大小對比試驗

由試驗數(shù)據(jù)可見，在采用相同收口方式和收口段壁厚的情況下，隨著收口量的減小，常溫循環(huán)試驗后，兩種規(guī)格螺母各次擰出力矩值均逐漸減小，如圖6所示。

圖5 不同鎖緊段壁厚螺母高溫加載對比試驗Fig.5 Torque comparison of different thickness of lock area at high temperature

圖6 不同收口量大小螺母常溫循環(huán)對比試驗Fig.6 Torque comparison of different amount of deformation at room temperature

如圖7所示，高溫加載試驗后，隨著收口量的減小：

（1）MJ6螺母各次擰出力矩依次減小，但其總的衰減幅度相差不大，B、F、G組依次為52.5%、47.17%、56.16%（圖7（a））。

（2）MJ8螺母F組各次擰出力矩均大于G組，E組第二次力矩小于F組和G組，但第4次和5次力矩大于F組和G組。各組力矩衰減幅度逐漸增大，E、F、G組依次為17.9%、35.8%、37.4%（圖7（b））。

4 結論

通過分析對比試驗數(shù)據(jù)，得出分組試驗結論如下：

圖7 不同收口量大小螺母高溫加載對比試驗Fig.7 Torque comparison of different amount of deformation at high temperature

（1）常溫循環(huán)試驗時：擰出力矩的衰減主要集中在首次擰入擰出，第2次至第15次衰減相對不大。

（2）高溫加載試驗時：由于試驗件本身內應力釋放的影響，各分組中前兩次擰出力矩衰減幅度相差較大，后3次趨于一致。

（3）兩種規(guī)格的GH738螺母采用三點收口方式、增大收口段壁厚、增大收口量總體上均可以提高螺母的擰出力矩值，MJ8螺母擰出力矩衰減程度由43.2%（A組）下降到17.9%（E組）。

對于規(guī)格MJ8 及以上的GH738螺母，推薦采用三點收口工藝，并增大其收口段外圓尺寸，同時適當加大收口量大小，可以在降低其鎖緊力矩衰減速度的同時提高平均鎖緊力矩，但應注意收口量不宜過大，防止最大擰入力矩超出標準和應力集中過大造成螺母收口段損壞，收口量的控制則需反復工藝試驗來摸索。

對于規(guī)格MJ6 及以下的GH738螺母，由于其規(guī)格較小，收口段受壓變形時各受壓點之間的相互影響較大，采用三點收口工藝時螺母鎖緊性能衰減速度對鎖緊段壁厚變化敏感，表現(xiàn)不穩(wěn)定，故建議采用兩點收口工藝。