盲鉚自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)工裝夾具設(shè)計

都小語, 王 宏, 李鈞甫

(中國航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610091)

盲鉚自鎖螺母是一種利用螺母鉚裝變形和螺紋緊固原理裝配的自鎖螺母，與傳統(tǒng)緊固件裝配需要接觸結(jié)構(gòu)和接頭部位兩側(cè)相比，盲鉚自鎖螺母只需要進(jìn)入接頭一側(cè)即可。盲鉚自鎖螺母具有安裝時無需進(jìn)行熱焊、安裝成本低、安裝過程對結(jié)構(gòu)表面損傷風(fēng)險低且非常適合近端結(jié)構(gòu)部位使用等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，是塑料、玻璃和復(fù)合材料等較軟材料裝配螺母的理想選擇。

1 盲鉚自鎖螺母與普通螺母的區(qū)別

從圖1可以看出：盲鉚自鎖螺母的結(jié)構(gòu)和外形同常規(guī)的內(nèi)螺紋緊固件相比有很大的差別，盲鉚自鎖螺母通體為管狀，且接觸肩部帶有一個(76±1)°的錐面，外圓為不規(guī)則的橢圓。

圖1 盲鉚自鎖螺母和常規(guī)內(nèi)螺紋緊固件的外觀形貌

盲鉚自鎖螺母在安裝方式上也與普通螺母有很大的差別：普通螺母直接和螺栓配合，需施加一定的扭矩達(dá)到緊固作用；盲鉚自鎖螺母需要先將管狀的螺母插入預(yù)先制好的孔中并旋入心軸，再用抽槍對心軸施加軸向拉力,使螺母產(chǎn)生永久變形(鼓包)而固定在零部件上,最后使用配套的螺栓和螺母配合并施加安裝扭矩達(dá)到緊固效果。

2 盲鉚自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)該類盲鉚自鎖螺母的鎖緊性能指標(biāo)，從編號為NAS1734，規(guī)格為4L6的同一批次產(chǎn)品中隨機(jī)抽取5個試樣進(jìn)行鎖緊力矩、松脫力矩試驗(yàn)。試驗(yàn)條件均為室溫，試驗(yàn)設(shè)備均為某國產(chǎn)自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)夾具為傳統(tǒng)的開槽套筒。試驗(yàn)方法依據(jù)NASM 1312-31FastenerTestMethodsMethod31Torque的要求，試驗(yàn)的技術(shù)條件為NASM 25027—2012Nut,Self-locking,250°F, 450 °F,and 800°F。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

鎖緊和松脫力矩的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，標(biāo)準(zhǔn)NASM 25027—2012中要求的鎖緊和松脫力矩為0.395 5～3.39 N·m。

表1 鎖緊和松脫力矩的試驗(yàn)結(jié)果 N·m

從表1可以看出:鎖緊力矩在0.77～3.26 N·m內(nèi)波動，波動極差可達(dá)2.49 N·m;松脫力矩在0.47～3.08 N·m內(nèi)波動，波動極差可達(dá)2.61 N·m，試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常不穩(wěn)定。

2.3 問題分析

觀察試驗(yàn)過程，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因有以下兩個方面。

2.3.1 螺紋損傷

該類盲鉚自鎖螺母需要進(jìn)行軸向載荷和鎖緊性能等力學(xué)性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段會選取和螺母同規(guī)格，及和螺母外形相配的特制工裝夾具，并將螺母預(yù)安裝在該工裝夾具上形成一個整體。由于鎖緊性能試驗(yàn)主要檢查的是螺紋收口的質(zhì)量和自鎖性能的一致性，而在抽槍時產(chǎn)生的拉力作用下，收口部位的鎖緊結(jié)構(gòu)和螺紋會造成損傷，從而對鎖緊力矩值的測量產(chǎn)生不良影響，影響試驗(yàn)結(jié)果的一致性和有效性，且可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對產(chǎn)品質(zhì)量合格與否產(chǎn)生誤判，直接影響實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測量系統(tǒng)的有效性。由于盲鉚自鎖螺母在安裝過程中螺紋已經(jīng)不再是初始狀態(tài)，因此無法準(zhǔn)確地判定該螺母初始狀態(tài)的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 扭矩同軸度

盲鉚自鎖螺母的結(jié)構(gòu)外形和普通螺母外形存在較大的差異，普通的套筒無法對其進(jìn)行定位安裝，目前試驗(yàn)采用的是開槽套筒+手工修銼橢圓錐面的方式對托板螺母進(jìn)行限位(見圖2)。由于手工修銼的方式無法保證試樣修銼部位兩側(cè)材料的去除量完全對稱，且用傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法也難以準(zhǔn)確地測量修銼尺寸，因此在試驗(yàn)過程中，螺母和心棒的中心線偏移與產(chǎn)生的力矩(M)不同軸，從而影響試驗(yàn)鎖緊力矩測量結(jié)果的真實(shí)性，進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。從受力分析來看，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)具備一定的對中自調(diào)節(jié)能力，當(dāng)不同軸角度(α)很小時，通過扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的自動對中，試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略不計。但當(dāng)不同軸角度超過試驗(yàn)機(jī)自調(diào)節(jié)能力時，試樣所受的總力矩就不再是單一的M,而是由兩個相互垂直的Mτ(法相扭矩)和Mn(徑向扭矩)構(gòu)成[2]。試樣的受力分析如圖3所示[3]，力矩的計算方法如式(1)所示。

M=Mn/cosα

(1)

當(dāng)0°<α<90°時，M為總力矩，也就是扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)實(shí)際測到的總力矩將大于螺母軸向產(chǎn)生的實(shí)際鎖緊力矩。隨著心棒的不斷擰入，Mn會越來越大，最終會影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3 試驗(yàn)工裝夾具的設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更真實(shí)、準(zhǔn)確，研究設(shè)計了一套全新的試驗(yàn)夾具。夾具的設(shè)計主要解決兩個問題：① 試樣裝夾同軸度不滿足試驗(yàn)要求的問題；② 如何能在安裝的過程中有效地保護(hù)螺紋，使其保持原有狀態(tài)的問題。

目前,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)兩端的夾持結(jié)構(gòu)多為三爪自定心卡盤，該種卡盤利用了阿基米德螺旋線的等速性進(jìn)行設(shè)計，其最大優(yōu)點(diǎn)是保證工件夾緊后能與力矩裝置軸線保持較高的同軸度[4]。由于標(biāo)準(zhǔn)NASM 1312-31中要求：夾具力矩裝置軸線與試樣軸線同軸度的全跳動公差為0.254 mm；力矩所在的平面應(yīng)與試樣軸線垂直，偏差不大于3°。為保證同軸度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，可將夾具的外形設(shè)計成橫截面為正六邊形的柱體，并在正六邊形中心開孔，用于放置螺母。由于30CrMnSiA合金鋼具有良好的強(qiáng)度、韌性以及切削性能，且抗疲勞性能較好[5]，因此夾具材料選用30CrMnSiA合金鋼六方棒料，設(shè)備選用普通車床或數(shù)控車削中心，通過鉆孔、擴(kuò)孔、精鏜孔等工序進(jìn)行制孔加工。研究表明：將夾具六方中心和中心孔同軸度壓縮到φ0.05 mm范圍內(nèi)，既能保證用于放置螺母的孔的軸線和夾具六方中心的同軸性，加工制造過程也相對容易實(shí)現(xiàn)，又不會因干涉量過大而導(dǎo)致螺母放入時螺母外圓桶變形過大。

將螺紋的中心孔按照盲鉚自鎖螺母的不同規(guī)格和長度進(jìn)行定制。將中心孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照螺母的外形進(jìn)行精確加工，具體尺寸應(yīng)根據(jù)螺母底部到螺紋起始端的圓桶外徑進(jìn)行合理設(shè)計。由于過松的配合無法進(jìn)行裝夾固定，過緊的配合又可能超過金屬材料的變形能力，中心孔對軸在配合面上的徑向正壓力顯著下降，因而造成松動[6]，所以夾具和螺母的配合形式選擇過渡配合或者干涉配合形式，夾具孔徑公差控制在-0.1～0，使盲鉚自鎖螺母放入夾具孔內(nèi)時能和中心孔產(chǎn)生緊配合，并將螺母外圓桶產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化成較大的靜摩擦力矩，有助于防止試驗(yàn)過程中螺母隨心棒旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)固定螺母的作用。經(jīng)過研究,最終設(shè)計了一套專門用于此類盲鉚自鎖螺母力矩試驗(yàn)的工裝夾具(見圖4)。

圖4 新設(shè)計的工裝夾具示意

該套夾具既可省去抽槍安裝的工序，從而避免了安裝過程中工具對螺紋的破壞。同時，螺母76°的橢圓錐肩部可以落在夾具A(長半軸)、B(短半軸)尺寸組成的橢圓孔內(nèi)，再利用中心孔的過渡或干涉配合可以有效地防止螺母轉(zhuǎn)動，起到了固定的作用。由于螺栓在擰入過程中給螺母施加一個向里的力，擰出過程中有扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的后座作為支撐，托板螺母也不會脫出(見圖5)。

圖5 螺母和試驗(yàn)夾具組合示意

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與設(shè)計改進(jìn)

重新抽取5個同規(guī)格的螺母試樣，在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，采用新設(shè)計的工裝夾具再次進(jìn)行鎖緊力矩、松脫力矩試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采用新設(shè)計的工裝夾具進(jìn)行力矩試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 N·m

在驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)新設(shè)計的夾具能有效地解決前期試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，安裝也非常方便。但是出現(xiàn)了一個新問題：按照原試驗(yàn)方法，螺母需要進(jìn)行安裝，螺母在安裝過程中會因永久變形而產(chǎn)生一個鼓包，這個鼓包和螺母的76°橢圓錐面能夠很牢固地固定住夾具，不會產(chǎn)生螺母從夾具中脫出的情況；使用新夾具后省略了安裝工作，螺母是直接放在孔里的，除了過渡或干涉配合外沒有其他專門的固定措施，螺母在反復(fù)擰入、擰出過程中還是有脫出的情況發(fā)生。

經(jīng)過研究分析，造成這種情況的主要原因是：最初設(shè)計夾具時，夾具厚度是參考螺母夾層厚度來設(shè)計的，沒有充分考慮實(shí)際使用時夾具厚度對試驗(yàn)過程的影響。夾具在螺母體外圓桶面上產(chǎn)生的摩擦力與接觸面積和孔內(nèi)壁的干涉量有密切關(guān)系。由于過渡和干涉配合條件下螺母外圓桶和夾具中心孔的應(yīng)變量非常微小，因此可考慮將緊配合干涉量在夾具中心孔或螺母外圓桶上產(chǎn)生的應(yīng)力簡化為與應(yīng)變的線性關(guān)系(這是由于夾具材料采用的是熱處理強(qiáng)度大小于1 100 MPa的30CrMnSiA合金鋼，而螺母材料為304或305不銹鋼)，即采用σN=EεN(σN為螺母體上的應(yīng)力；E為螺母材料的彈性模量；εN為螺母體上的產(chǎn)生應(yīng)變)近似。因此主要的應(yīng)變發(fā)生在螺母外圓桶上，若忽略76°圓錐肩的接觸部分，則靜摩擦力在螺母體上產(chǎn)生的靜摩擦扭矩(Mf)如式(2)所示。

Mf=fN×D=μπfΔε×H×EN×D2

(2)

式中：fN為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜摩擦力；D為螺母外圓桶直徑或夾具內(nèi)孔公稱內(nèi)徑；μ為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜摩擦系數(shù)；f為夾具內(nèi)孔干涉量與內(nèi)孔應(yīng)變之間的系數(shù)；εN為夾具內(nèi)孔的應(yīng)變量；Δε為夾具內(nèi)孔設(shè)計干涉量；H為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面厚度；EN為螺母材料的彈性模量。

由式(2)可以看出，在其他參數(shù)基本不變的情況下，由于最初設(shè)計的夾層厚度與螺母外圓桶的接觸面積(S=πD×H)太小，緊配合產(chǎn)生的摩擦力不足以抵抗螺母鎖緊試驗(yàn)時心棒擰入、擰出與螺紋之間產(chǎn)生的摩擦力矩以及鎖緊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的鎖緊力矩之和。因此，螺母在反復(fù)擰入、擰出的過程中容易產(chǎn)生滑動而脫出。

最終通過研究，決定對H和Δε進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增大夾具中心孔與螺母外圓桶之間的接觸面積，進(jìn)而增大緊配合產(chǎn)生的摩擦力，以解決螺母擰入、擰出過程的脫出問題(見圖6)。

圖6 改進(jìn)的試驗(yàn)夾具示意

完成夾具改進(jìn)后，再次隨機(jī)抽取5個螺母試樣，在相同的試驗(yàn)環(huán)境件下再次進(jìn)行鎖緊力矩、松脫力矩試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用改進(jìn)的工裝夾具進(jìn)行力矩試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 N·m

從表3可以看出：加深中心孔的深度等于是增大了夾具與螺母外圓桶之間的接觸面積，增大接觸面積進(jìn)而增大摩擦阻力避免了螺母脫出情況的發(fā)生。通過對試驗(yàn)夾具的改進(jìn)設(shè)計，有效地解決了力矩試驗(yàn)中遇到的新問題。通過對不同規(guī)格螺母的試驗(yàn)，無論是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性還是試驗(yàn)一次成功率上都較之前的試驗(yàn)方法有了很大的提升。

在自主開展試驗(yàn)的同時，調(diào)取該產(chǎn)品國外同行質(zhì)量證明文件中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)同一規(guī)格的盲鉚自鎖螺母的新夾具試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)和國外同行試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為接近，這也從另一方面驗(yàn)證了這種基于外形結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)工裝夾具設(shè)計的有效性[7]。

4 結(jié)語

針對新型盲鉚自鎖螺母在鎖緊性能試驗(yàn)中遇到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動較大的實(shí)際工程問題，開展了較為深入的研究，通過對現(xiàn)有的試驗(yàn)過程進(jìn)行分析，找出了數(shù)據(jù)波動較大的原因?yàn)椋涸囼?yàn)工裝夾具設(shè)計不合理，緊固件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)螺紋損壞以及同軸度偏差較大的問題。根據(jù)該類新型標(biāo)準(zhǔn)件的新結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用靜摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩抵抗螺母鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖緊力矩的原理，研究設(shè)計了一種專用試驗(yàn)工裝夾具。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。該試驗(yàn)夾具目前已經(jīng)在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了推廣，有效地提升了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免了對產(chǎn)品質(zhì)量的誤判，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

新型工裝夾具的設(shè)計為提高其他新型標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)的準(zhǔn)確性打開了思路，針對新型標(biāo)準(zhǔn)件的不斷出現(xiàn)，應(yīng)打破傳統(tǒng)的工作思路，根據(jù)新型標(biāo)準(zhǔn)件的特點(diǎn)，找到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法，提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。