鎖緊組件螺釘無法嚙合失效分析及改進(jìn)研究

梁?jiǎn)⒊?，梁明態(tài)

（遵義精星航天電器有限責(zé)任公司，貴州遵義 563125）

1 鎖緊組件介紹

通常，鎖緊組件分為自由端鎖緊附件和固定端鎖緊附件。

自由端鎖緊附件結(jié)構(gòu)主要由鎖緊螺釘、彈墊、桿套三部分組成。其相互的裝配關(guān)系如下：桿套前端通過翻鉚固定在外殼安裝孔位置上，將彈墊和螺釘依次裝入桿套后，對(duì)桿套尾端進(jìn)行縮口，形成不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)。

固定端鎖緊附件結(jié)構(gòu)主要由安裝螺釘、導(dǎo)電橡膠墊、密封圈、平墊、彈墊、螺母組成。其相互的裝配關(guān)系如下：安裝螺釘穿過安裝板、導(dǎo)電橡膠墊及外殼的安裝孔，之后尾端安裝平墊、彈墊并通過螺母擰緊使安裝附件固定在安裝板上，鎖緊螺釘頭有螺紋孔，用于產(chǎn)品對(duì)接后與鎖緊螺釘進(jìn)行鎖緊。

2 鎖緊組件螺釘失效

某連接器鎖緊組件螺釘在使用過程中，發(fā)現(xiàn)一端螺釘鎖緊時(shí)，一直在空轉(zhuǎn)，無法與固定螺釘進(jìn)行嚙合。對(duì)該鎖緊組件目測(cè)檢查，故障螺釘為M2.5的細(xì)小螺釘，未看到明顯的外觀缺陷。在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)前端幾牙螺紋已經(jīng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的磨損，螺牙的牙頂基本已經(jīng)被磨掉，如圖1所示。

圖1 鎖緊螺釘結(jié)構(gòu)

3 原因分析

3.1 螺紋旋合長(zhǎng)度不足

（1）計(jì)算自由端鎖緊螺釘超出外殼法蘭盤端面的尺寸。經(jīng)計(jì)算，螺釘超出外殼法蘭盤端面的尺寸A 為：3.07 mm（min），4.26 mm（max）。

（2）計(jì)算固定端螺釘頭端面距離插座對(duì)接端端面的尺寸。在計(jì)算時(shí)，安裝板厚度按照（2.50±0.10）mm 進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)電橡膠墊在未壓縮時(shí)尺寸為1.57 mm，其壓縮量按照建議值最大上限30%計(jì)算，壓縮后的尺寸為：1.57 mm×0.7=1.099 mm，經(jīng)計(jì)算，螺釘端面距離插座對(duì)接端端面的尺寸B 為：0.601 mm（min），0.991 mm（max）。

（3）考慮內(nèi)外螺紋的倒角應(yīng)從有效嚙合長(zhǎng)度中減去，固定端安裝螺釘?shù)菇菫?.3 mm，L2鎖緊螺釘?shù)菇菫椋?.3 mm。

綜上，自由端螺釘與固定端螺釘?shù)挠行Ш祥L(zhǎng)度為：A-B-0.3 mm-0.3 mm=1.48 mm（min），3.059 mm（max）。鎖緊螺釘采用粗牙螺紋，螺距為0.45 mm，最小螺紋嚙合牙數(shù)為：1.48 mm/0.45 mm=3.28。

可以看出，該螺釘最小旋合長(zhǎng)度為3.28螺距，該最小旋合長(zhǎng)度符合QJ165A-95《航天電子電氣產(chǎn)品安裝通用技術(shù)要求》中規(guī)定：“螺紋連接有效長(zhǎng)度不得小于3螺距”，從設(shè)計(jì)上是符合要求的。但從實(shí)際上考慮，根據(jù)GB/T 3934-2003《普通螺紋量規(guī)技術(shù)條件》的規(guī)定“允許工件內(nèi)外螺紋與止規(guī)部分旋合，旋合量應(yīng)不超過第二個(gè)螺距”。當(dāng)鎖緊螺釘及固定螺釘均處于止規(guī)能夠嚙合2牙的極限狀態(tài)時(shí)，螺紋的配合間隙較大，承載能力較低。若螺紋處于止規(guī)能夠嚙合2牙的極限狀態(tài)，螺紋旋合后，其有效配合面較小，在鎖緊及解鎖力的作用下，螺牙容易被磨損，最終導(dǎo)致無法正常鎖緊。

綜上分析，從設(shè)計(jì)上說，該螺釘?shù)淖钚⌒祥L(zhǎng)度是合理的，但從實(shí)際使用來說存在不足的情況。

3.2 螺紋副硬度匹配性不良

固定端螺釘及自由端螺釘材料相同，硬度相同，其設(shè)計(jì)依據(jù)是歐空局標(biāo)準(zhǔn)ESCC3401/032《3401/029超小型連接器和3401/041Saver 用附件詳細(xì)規(guī)范》4.4.1條“螺紋鎖緊組件及支架應(yīng)由經(jīng)過鈍化的不銹鋼加工，牌號(hào)303”。按美軍標(biāo)MIL-DTL-83513/5H《安裝附件為矩形電連接器單篇詳細(xì)規(guī)范》的要求，自由端螺釘應(yīng)與固定端螺釘材料及硬度不同。

當(dāng)自由端與固定端螺釘材料及硬度相同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下情況：

（1）其抗磨性差，容易產(chǎn)生磨損。

（2）容易產(chǎn)生粘連的現(xiàn)象。

在GB/T3098.2《緊固件機(jī)械性能螺母粗牙螺紋》中規(guī)定：螺桿的斷裂是突然發(fā)生的，比較容易發(fā)現(xiàn)，而脫扣是逐漸發(fā)生的，很難發(fā)現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，總希望失效形式是螺桿斷裂，設(shè)計(jì)時(shí)螺母的硬度及抗拉強(qiáng)度應(yīng)高于螺釘?shù)挠捕燃翱估瓘?qiáng)度。但目前螺紋直徑為M2.5的自由端鎖緊螺釘與固定端螺釘所采用的材料均為WCD 狀態(tài)的06Cr17Ni12Mo2，兩者材料狀態(tài)一致，材料硬度一樣。

因此，存在螺紋副硬度匹配性不良的原因。

3.3 使用過程中產(chǎn)生磨損

由于鎖緊組件螺紋為M2.5，螺牙細(xì)小，產(chǎn)品對(duì)接鎖緊過程中，如果受到較大的軸向力或歪斜鎖緊時(shí)易產(chǎn)生磨損：

過大軸向力：剛開始旋合的螺牙較少，無法承受較大的軸向力，易造成螺紋損傷，應(yīng)注意選擇合適的螺絲刀刀頭，避免打力矩時(shí)施加過大的軸向力造成螺紋損壞。

歪斜力：由于鎖緊組件螺紋是小螺紋，偏斜鎖緊對(duì)螺紋會(huì)造成損傷。

通過對(duì)上述可能造成鎖緊組件螺釘無法鎖緊的原因進(jìn)行的逐條分析，最終得出無法鎖緊的原因主要有兩點(diǎn)：

（1）由于產(chǎn)品鎖緊螺釘和固定螺釘材料選用不當(dāng)，不符合GB/T3098.2《緊固件機(jī)械性能螺母 粗牙螺紋》所規(guī)定的材料硬度要求。

（2）產(chǎn)品對(duì)接鎖緊時(shí)，鎖緊螺釘與安裝螺釘螺紋有效嚙合長(zhǎng)度較小，且螺紋前端2牙螺紋配合間隙大，承載能力不足，在鎖緊和解鎖外力的作用下，螺牙逐漸磨損加劇。

綜上兩種原因最終導(dǎo)致螺釘無法正常鎖緊[1]。

4 機(jī)理分析

4.1 產(chǎn)品零件材料選擇的分析

自由端鎖緊螺釘和固定端螺釘所選用的材料均為WCD 狀態(tài)的06Cr17Ni12Mo2，材料強(qiáng)度一致，兩者在互配使用過程中脫扣是逐漸發(fā)生的，很難發(fā)現(xiàn)。因此針對(duì)該失效形式，需要保證固定端螺釘?shù)挠捕燃翱估瓘?qiáng)度高于自由端鎖緊螺釘?shù)挠捕燃翱估瓘?qiáng)度；在保持固定螺釘材料不變的情況下，將鎖緊螺釘?shù)牟牧细臑長(zhǎng) 狀態(tài)的1Cr18Ni9，該材料的抗拉強(qiáng)度為800 N/mm2，且小于抗拉強(qiáng)度為1100 N/mm2的WCD 狀態(tài)06Cr17Ni12Mo2。在這種情況下鎖緊螺釘與固定螺釘在使用過程中鎖緊螺釘?shù)臄嗔咽峭蝗话l(fā)生的，較容易發(fā)現(xiàn)[2]。

4.2 使用過程中產(chǎn)生磨損的分析

自由端螺釘與固定端螺釘鎖緊時(shí)，若旋合長(zhǎng)度為最小值3螺距，且螺紋前端處于止規(guī)可嚙合2牙的極限狀態(tài)，此時(shí)螺紋配合間隙大，所能承受的緊固軸力小。鎖緊解鎖時(shí)，鎖緊螺釘與固定螺釘?shù)穆菅谰a(chǎn)生磨損，超過螺紋的承載能力時(shí)即產(chǎn)生無法鎖緊的故障現(xiàn)象。

5 故障復(fù)現(xiàn)

為了驗(yàn)證故障現(xiàn)象，我們選取了4套產(chǎn)品進(jìn)行鎖緊與分離的壽命試驗(yàn)，每次鎖緊的力矩為0.4 N·m，該兩套產(chǎn)品的自由端及固定端螺釘止規(guī)均能夠嚙合2牙。試驗(yàn)過程及結(jié)果見表1。

表1 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

通過上述試驗(yàn)，鎖緊螺釘無法鎖緊的故障現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)。

6 改進(jìn)措施及措施驗(yàn)證

6.1 改進(jìn)措施

針對(duì)上述分析的原因，擬定如下改進(jìn)措施：

（1）自由端鎖緊螺釘長(zhǎng)度在原來基礎(chǔ)上增加1 mm，增加產(chǎn)品的有效旋合長(zhǎng)度。

（2）自由端鎖緊螺釘材料從原來的WCD 狀態(tài)的06Cr17Ni12Mo2 不銹鋼絲更改為L(zhǎng) 狀態(tài)的1Cr18Ni9不銹鋼絲。

（3）由于鎖緊螺釘有效旋合長(zhǎng)度公差累積較大，對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減小公差范圍。

（4）加強(qiáng)對(duì)螺釘螺紋加工的生產(chǎn)控制，對(duì)于固定端螺釘及自由端螺釘?shù)穆菁y控制止規(guī)嚙合牙數(shù)：不得超過1牙。

（5）針對(duì)偏斜鎖緊的問題，設(shè)計(jì)生產(chǎn)加長(zhǎng)的螺絲刀頭。

6.2 措施驗(yàn)證

為驗(yàn)證將螺釘加長(zhǎng)1 mm 且更改材料的措施是否有效，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

試驗(yàn)1：采用故障復(fù)現(xiàn)中已經(jīng)出現(xiàn)無法鎖緊的4套產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，將其自由端螺釘更換為加長(zhǎng)1 mm的螺釘繼續(xù)進(jìn)行鎖緊及解鎖（其中兩套鎖緊力矩為0.4 N·m，另外兩套鎖緊力矩為0.5 N·m），一直到其再次出現(xiàn)無法鎖緊的故障現(xiàn)象為止，記錄鎖緊次數(shù)；

試驗(yàn)2：采用4套產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，自由端螺釘為加長(zhǎng)1 mm 的狀態(tài)，固定端螺釘為止規(guī)能夠嚙合2牙的極限狀態(tài)，其中兩套采用0.4 N·m 的力矩進(jìn)行鎖緊及解鎖，另外兩套采用0.5 N·m 的力矩進(jìn)行鎖緊及解鎖，到其出現(xiàn)無法鎖緊的故障現(xiàn)象為止，記錄鎖緊次數(shù)；

試驗(yàn)3：采用4套產(chǎn)品進(jìn)行偏斜鎖緊試驗(yàn)，自由端螺釘為加長(zhǎng)1 mm 的狀態(tài)，固定端螺釘為止規(guī)能夠嚙合2牙的極限狀態(tài)，其中兩套采用0.4 N·m 的力矩進(jìn)行鎖緊及解鎖，另外兩套采用0.5 N·m 的力矩進(jìn)行鎖緊及解鎖，在鎖緊的過程中，使螺絲刀處于偏斜的狀態(tài)，到其出現(xiàn)無法鎖緊的故障現(xiàn)象為止，記錄鎖緊次數(shù)。

具體的試驗(yàn)過程及結(jié)果見表2。

表2 措施驗(yàn)證試驗(yàn)

通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出：

（1）作為臨時(shí)處理措施，產(chǎn)品出現(xiàn)無法正常鎖緊的故障現(xiàn)象后，將自由端螺釘更換為增加1 mm 且更改材料的螺釘后，仍能夠繼續(xù)正常鎖緊解鎖150次以上。

（2）自由端螺釘加長(zhǎng)1 mm，垂直鎖緊解鎖500多次后出現(xiàn)無法鎖緊的故障現(xiàn)象，滿足實(shí)際使用。

（3）自由端螺釘加長(zhǎng)1 mm，偏斜鎖緊解鎖460次以上出現(xiàn)無法鎖緊的故障現(xiàn)象，通過采用較長(zhǎng)的螺釘?shù)犊杀苊馄辨i緊的情況發(fā)生。

（4）采用0.5 N·m 的力矩進(jìn)行鎖緊及解鎖時(shí)，產(chǎn)品的鎖緊及解鎖次數(shù)略微降低，但仍可滿足產(chǎn)品實(shí)際使用的要求。

綜合上述驗(yàn)證結(jié)果可以得出采取自由端螺釘加長(zhǎng)1 mm 且更改材料的措施有效。

7 結(jié)束語

通過復(fù)查分析，發(fā)生螺釘無法鎖緊的原因是：產(chǎn)品對(duì)接鎖緊時(shí)，鎖緊螺釘與安裝螺釘螺紋有效嚙合長(zhǎng)度較小，且螺紋前端2牙螺紋配合間隙大，承載能力不足，在鎖緊和解鎖外力的作用下，螺牙逐漸磨損加劇，最終導(dǎo)致螺釘無法正常鎖緊。而且鎖緊螺釘與安裝螺釘?shù)牟牧弦恢拢菁y副硬度不良，導(dǎo)致在使用過程中脫扣不明顯可見。通過采取加長(zhǎng)自由端螺釘長(zhǎng)度、控制螺釘止規(guī)嚙合牙數(shù)和更改螺釘材料的措施，可以避免類似問題再次發(fā)生。