楔形內(nèi)螺紋鎖鍵螺套鎖緊性能分析研究

， ， ，，，

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071)

0 引言

鎖鍵螺套是一類內(nèi)外螺紋與偶數(shù)組鎖鍵一體的新型緊固件，與傳統(tǒng)鋼絲螺套緊固件相比，鎖鍵螺套在反復(fù)拆裝、受力較大和沖擊振動(dòng)等使用環(huán)境中，具有與基體連接可靠、不脫出等顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、鐵路機(jī)車和振動(dòng)機(jī)械等對(duì)螺紋強(qiáng)度要求較高的產(chǎn)品，以及鋁合金、鎂合金等基體材料強(qiáng)度較弱的安裝環(huán)境[1-2]。

對(duì)于緊固件而言，提高自身的鎖緊性能[3-4]是緊固件連接的必然要求[5]，自鎖緊固件主要采用參數(shù)要素優(yōu)化方法提高自身的鎖緊性能。全金屬自鎖螺母通過(guò)調(diào)整收口量?jī)?yōu)化鎖緊力矩提高鎖緊性能[6]；變壓型螺紋通過(guò)優(yōu)化螺紋牙型尺寸，獲取最佳鎖緊性能[7]。同時(shí)，有學(xué)者通過(guò)材料力學(xué)[8]、力學(xué)性能數(shù)據(jù)[8]、優(yōu)化收口量[9]、鎖緊力矩影響要素優(yōu)化[10-11]等方法對(duì)鎖緊性能的影響要素和規(guī)律等進(jìn)行研究。

本文針對(duì)鎖鍵螺套鎖緊性能試驗(yàn)中，出現(xiàn)的不同規(guī)格鎖鍵螺套鎖緊性能差異等試驗(yàn)現(xiàn)象，利用現(xiàn)象分析和樣本試驗(yàn)的方法，對(duì)可能的影響要素進(jìn)行辨識(shí)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定鎖鍵螺套鎖緊性能的影響要素和規(guī)律，為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 鎖鍵螺套結(jié)構(gòu)

鎖鍵螺套由自鎖螺套和鎖鍵兩部分組成，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。自鎖螺套為空心圓柱型套體，具有內(nèi)螺紋和外螺紋，外螺紋為普通螺紋，內(nèi)螺紋為30°楔形防松螺紋。螺套左端頭部含有4個(gè)一定深度的“U”型開(kāi)口長(zhǎng)槽，用于鎖鍵的安裝導(dǎo)引與安裝鎖緊。零件狀態(tài)下，鎖鍵插入螺套中；當(dāng)鎖鍵螺套旋入基體預(yù)制螺紋孔后，將鎖鍵沿螺套“U”型開(kāi)口長(zhǎng)槽敲入螺套基體，利用鎖鍵和螺套之間的過(guò)盈配合，實(shí)現(xiàn)鎖緊,為基體螺栓連接提供連接接口。鎖鍵螺套的材料一般選用14Cr17Ni2，具有較強(qiáng)的材料強(qiáng)度。鎖鍵螺套內(nèi)外螺紋設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，通過(guò)螺套自身較強(qiáng)材料的內(nèi)螺紋實(shí)現(xiàn)與連接緊固件的配合;通過(guò)螺套自身的外螺紋實(shí)現(xiàn)與鋁基、鎂基材料的螺紋連接，提升連接強(qiáng)度；與此同時(shí)，鎖鍵螺套自身的鎖鍵通過(guò)過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)與基體的嵌入，限制周向轉(zhuǎn)動(dòng)，提升螺套與基體的連接強(qiáng)度，具有較高的連接效率。

圖1 鎖鍵螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Struture design of lock nut

2 鎖緊性能分析

2.1 影響要素辨識(shí)

鎖鍵螺套試驗(yàn)組件由試驗(yàn)螺栓、楔形鎖鍵螺套和基體塊等部分組成。選取RLM5、RLM6和RLM12等不同規(guī)格及不同長(zhǎng)度(6.8mm/10mm/12mm)的鎖鍵螺套進(jìn)行鎖緊性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2分析可知，與規(guī)格RLM5與RLM12的鎖鍵螺套相比，RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能的鎖緊性能差，規(guī)格RLM5×6.8的鎖緊性能最好。其中RLM指楔形內(nèi)螺紋，5為內(nèi)螺紋公稱直徑，6.8為螺套長(zhǎng)度。

圖2 鎖鍵螺套鎖緊性能檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Test result of locking performance

圖3為規(guī)格RLM5×6.8鎖鍵螺套試驗(yàn)夾緊力-扭矩曲線，圖4為規(guī)格RLM5×6.8鎖鍵螺套試驗(yàn)角度-扭矩-夾緊力曲線，圖5為規(guī)格RLM6×6.8鎖鍵螺套試驗(yàn)夾緊力-扭矩曲線，圖6為規(guī)格RLM6×6.8鎖鍵螺套試驗(yàn)角度-扭矩-夾緊力曲線。對(duì)比分析RLM5×6.8和RLM6×6.8的試驗(yàn)夾緊力-扭矩曲線和試驗(yàn)角度-扭矩-夾緊力曲線可知，兩者的夾緊力-扭矩圖存在顯著差異。同時(shí)通過(guò)對(duì)RLM6×6.8的鎖緊試驗(yàn)過(guò)程觀察，發(fā)現(xiàn)RLM6×6.8的鎖鍵螺套與基體發(fā)生了比較明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 RLM5×6.8鎖鍵螺套夾緊力-扭矩曲線Fig.3 Pretightening force-torque relationship of RLM5×6.8

圖4 規(guī)格RLM5×6.8鎖鍵螺套角度-扭矩-夾緊力曲線Fig.4 Angle-pretightening force-torque relationship of RLM5×6.8

圖5 RLM6×6.8鎖鍵螺套夾緊力-扭矩曲線Fig.5 Pretightening force-torque relationship of RLM6×6.8

圖6 規(guī)格RLM6×6.8鎖鍵螺套角度-扭矩-夾緊力曲線Fig.6 Angle-pretightening force-torque relationship of RLM6×6.8

鎖緊性能試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)緊力和扭矩傳遞過(guò)程復(fù)雜。通過(guò)分析試驗(yàn)曲線、觀察試驗(yàn)過(guò)程以及與其他楔形螺紋緊固件鎖緊性能數(shù)據(jù)分析(其他一體型的楔形內(nèi)螺紋緊固件鎖緊性能擰出力矩占擰入力矩80%以上)，RLM6鎖鍵螺套鎖緊性能較差，可能和鎖鍵螺套與基體之間配合松緊程度有關(guān)。

分析鎖緊螺套安裝后的結(jié)構(gòu)，影響鎖鍵螺套與基體配合松緊程度的主要要素有：鎖鍵長(zhǎng)度、鎖鍵過(guò)盈量和鎖鍵數(shù)量、基體材料和基體螺紋精度等。

2.2 影響分析

(1)鎖鍵長(zhǎng)度影響

由于鎖鍵螺套的鎖鍵長(zhǎng)度影響基體與鎖鍵螺套之間的間隙，表1比較了在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，鎖鍵螺套鎖鍵長(zhǎng)度不同時(shí)，鎖鍵螺套鎖緊性能檢測(cè)結(jié)果。由表1分析結(jié)果表明，鎖鍵長(zhǎng)度較長(zhǎng)的鎖鍵螺套鎖緊性能優(yōu)于鎖鍵長(zhǎng)度較短的鎖鍵螺套的鎖緊性能，鎖鍵長(zhǎng)度較短的鎖鍵螺套的最小擰出力矩較鎖鍵長(zhǎng)度較長(zhǎng)的鎖鍵螺套的最小擰出力矩少28.3%，即鎖鍵長(zhǎng)度越長(zhǎng),鎖鍵螺套的鎖緊性能越好。

表1 鎖鍵長(zhǎng)度不同時(shí)RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different length

(2)鎖鍵過(guò)盈量及鎖鍵數(shù)量影響

表2為鎖鍵螺套過(guò)盈量的設(shè)計(jì)參數(shù)，從表中可以看出，RLM12與RLM6鎖鍵螺套的過(guò)盈量是相同的，RLM5的鎖鍵螺套的過(guò)盈量大于其他規(guī)格的鎖鍵螺套。但RLM12的鎖鍵螺套的鎖鍵數(shù)量為4，RLM6的鎖鍵螺套的鎖鍵數(shù)量為2，故RLM12的鎖鍵螺套的鎖緊性能優(yōu)于RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能。RLM5的鎖鍵螺套的鎖鍵數(shù)量為2，RLM6的鎖鍵螺套的鎖鍵數(shù)量為2，故RLM5的鎖鍵螺套的鎖緊性能優(yōu)于RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能。

表2 鎖鍵螺套過(guò)盈量Tab.2 Interference amount of lock nut

(3)基體螺紋精度的影響

采用螺紋止規(guī)分別檢測(cè)了基體的螺紋，檢測(cè)結(jié)果均合格。但發(fā)現(xiàn)RLM6鎖鍵螺套的基體螺紋較RLM5鎖鍵螺套的基體螺紋松。基體內(nèi)螺紋的大小可能是結(jié)果差異的重要因素。為進(jìn)一步證實(shí)，將規(guī)格為RLM5×6.8的試驗(yàn)件基體進(jìn)行攻絲處理，處理后基體中徑和大徑增大。表3比較了在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，RLM5×6.8鎖鍵螺套基體與做攻絲處理的鎖緊性能試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，其他試驗(yàn)條件相同的情況下，基體做攻絲處理的鎖鍵螺套較基體未做攻絲處理的鎖鍵螺套的最小擰出力矩少20.0%，由此可見(jiàn)，基體螺紋與鎖鍵螺套間隙越大，鎖緊性能越差。

表3 RLM5×6.8鎖鍵螺套基體與做攻絲處理的鎖緊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different substrate material

(4)基體材料的影響

為分析基體材料對(duì)鎖鍵螺套鎖緊性能的影響，對(duì)比分析了基體材料為鋼和鋁時(shí)鎖鍵螺套的鎖緊性能，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，基體材料對(duì)鎖鍵螺套的鎖緊性影響不顯著。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)觀察及試驗(yàn)曲線分析，不同規(guī)格不同基體材料組合試驗(yàn)過(guò)程中鎖鍵都會(huì)在擰入或擰出過(guò)程中發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這是由于鎖鍵本身的剛度及配合間隙造成的，配合間隙大的組合更加明顯。

表4 基體材料為鋼和鋁時(shí)RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different substrate material

(5)試驗(yàn)速度的影響

為分析扭拉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)鎖鍵螺套鎖緊性能的影響，進(jìn)行了鎖緊性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)采用鎖鍵較短的鎖鍵螺套，基體材料選用鋼，扭拉機(jī)轉(zhuǎn)速分別為4r/min(GB/T16823.3-1997推薦的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為4r/min)與10r/min(GB/T16823.3-2010推薦的M3-M16規(guī)格的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為10r/min～40r/min)[12-13]，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，扭拉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)鎖鍵螺套的鎖緊性能檢測(cè)結(jié)果有影響。鑒于試驗(yàn)速度的選取參考人工操作的旋轉(zhuǎn)速度(約10r/min)，因此建議參考人工操作速度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果將更具參考意義和借鑒性。

表5 不同扭拉機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different test speed

3 結(jié)束語(yǔ)

楔形內(nèi)螺紋鎖鍵螺套作為可靠使用的鎖緊緊固件，在螺紋強(qiáng)度要求較高和反復(fù)拆裝等使用環(huán)境中廣泛應(yīng)用，是提升鋁基基體材料連接能力的重要緊固件。本文以楔形內(nèi)螺紋鎖鍵螺套鎖緊性能影響要素為研究對(duì)象，對(duì)鎖緊性能影響要素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下：

1)鎖鍵螺套與基體的安裝間隙、鎖鍵長(zhǎng)度、試驗(yàn)速度、規(guī)格及鎖鍵數(shù)量等因素，均會(huì)影響鎖鍵螺套的鎖緊性能。

2)鎖鍵螺套與鋁合金基體螺紋配合較松，將會(huì)導(dǎo)致鎖鍵螺套鎖緊性衰減；基體螺紋與鎖鍵螺套間隙越大，鎖緊性能越差。

3)在鎖鍵過(guò)盈量一定的情況下，基體材料對(duì)鎖鍵螺套的鎖緊性能影響不顯著。

4)鎖鍵長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鎖鍵螺套的鎖緊性能越好。

5)鎖鍵與基體過(guò)盈量大，鎖鍵數(shù)量越多，鎖緊性能越好；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速建議參考人工操作速度進(jìn)行。