劉甲秋,伊翠云

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

鋼絲螺套在復合材料機械連接中的應用研究

劉甲秋,伊翠云

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

鋼絲螺套具有很多優(yōu)良的特性，目前在民用及航空航天領域應用已十分廣泛，但是在復合材料機械連接中直接應用的報道還較少。本文針對1Cr18Ni9Ti材質鋼絲螺套(規(guī)格：6×1×10 mm)，在10 mm厚T700碳纖維增強復合材料中的應用進行了探索，進行了抗拉試驗，通過調整墊片尺寸，得到拉脫力約為10 kN～14 kN。并對鋼絲螺套在復合材料機械連接中的應用前景進行了展望。

T700碳纖維復合材料；鋼絲螺套；機械連接

1 引 言

由于復合材料具有高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設計等優(yōu)勢，因而越來越多的應用在航空航天領域，顯示出無可比擬的巨大應用潛力。復合材料正在迅速發(fā)展成為航天航空工業(yè)的基本結構材料。和金屬件一樣，復合材料各零部件間也要通過連接而成為一個整體。復合材料的連接方式有粘接、機械連接和混合連接。由于機械連接時機械緊周件容易拆卸，拆卸時不易損傷復合材料結構件，所以機械連接在航天復合材料結構件中應用廣泛。如F-16垂尾、F-18機翼，AV-SB機翼和前機身。B-1水平安定面等的復合材料構件均采用機械連接[1]。復臺材料的機械連接與金屬相比，在連接部位更容易產(chǎn)生局部破壞，主要原因是復合材料結構件的機械緊固連接的應力-應變曲線呈線性關系，應力集中大，所以復臺材料結構件的機械連接工藝就有其特殊性，主要特點如下[2]：①開孔部位強度局部降低，需局部補強；②復合材料的延伸率較低，開孔部位應力相對集中，孔邊易過早出現(xiàn)擠壓破壞；③機械連接時必須考慮復合材料的成型工藝方法。

由于復合材料是由若干層材料疊合構成，在一些需要反復拆卸安裝使用的部件中，很容易導致機械連接的螺牙損壞，然而對于某些不得不由自身提供連接螺紋的復合材料結構件來說，解決復合材料結構螺紋聯(lián)接的強度不足是一個重要的問題。鋼絲螺套用高精度、高強度、表面光潔的菱形不銹鋼絲精確成形而成，為高精度的內(nèi)外螺紋同心體。鋼絲螺套是提高復合材料螺紋聯(lián)接強度的一種非常好的方法，在安裝完成后可以形成滿足相關標準的內(nèi)螺紋并提高力學性能；而且相對于依靠安裝金屬埋件提高螺紋強度的復合材料件來說，具有很好的減重效果。

2 鋼絲螺套提高連接強度的原理及分類

2.1 鋼絲螺套作用的原理

鋼絲螺套是用冷軋的菱形絲精確形成的螺旋線圈，為內(nèi)外螺紋同心體，其一端帶有沿徑向彎曲的安裝柄。鋼絲螺套(也稱為絲套、螺套、螺紋擴套)是一種內(nèi)外螺紋緊固件，可嵌入金屬或非金屬材料上開成高強度、耐磨損具有互換性的標準螺紋，也可用于修復磨損或損壞的內(nèi)螺紋孔。鋼絲螺套實際上是一個嵌入物, 即螺釘與螺孔間的中間體。鋼絲螺套的形式見圖1[3]。

圖1 鋼絲螺套示意圖

標準的內(nèi)螺紋存在螺紋加工的角度誤差和牙距誤差，導致螺栓和基體內(nèi)螺紋之間的接觸面很小，從而導致基體螺紋的受力不均，降低了螺紋聯(lián)接的強度。將鋼絲螺套旋入特制的內(nèi)螺紋中，則形成符合標準內(nèi)螺紋的螺孔，便可以與相應等級的螺栓相配合。鋼絲螺套的菱形截面嵌入復合材料結構中，它的外型面與復合材料結構過盈配合。由于鋼絲螺套是一個彈性元件，它可以使螺栓和基體內(nèi)螺紋之間形成彈性連接，消除了內(nèi)外螺紋之間的螺距差，使載荷均勻分布，可以大幅度提高螺紋連接強度。在低強度制件的內(nèi)螺紋內(nèi)旋入鋼絲螺套后，在螺釘擰緊過程中與其產(chǎn)生相對運動的不再是低強度材料的機件螺牙，取而代之的是鋼絲螺套的螺牙。鋼絲螺套螺牙強度高，光潔度好，不會被螺釘?shù)穆菁y所損傷，有效地保護了低強度材料機件的螺紋，提高了螺紋連接件的強度和使用壽命, 普通螺紋連接、鋼絲螺套連接示意見圖2[4]。

為了使鋼絲螺套充分發(fā)揮它的強度優(yōu)勢，合理的選用鋼絲螺套結構可從以下兩方面考慮[5]：

(1)合理地選用鋼絲螺套旋合長度。與普通螺紋一樣，應使螺栓材料的抗拉強度和基體材料的抗剪強度相等，即等強度條件：

圖2 普通螺紋連接、鋼絲螺套連接示意圖

式中 ：σb—螺栓材料抗拉強度;d—螺栓螺紋內(nèi)徑;τ—基體材料的剪切強度;D—基體底孔螺紋大徑；b—基體底孔螺紋牙根寬度。

(2)采取有效措施防止鋼絲螺套連接的接觸腐蝕

鋼絲螺套結構同其它金屬零件一樣，也存在著接觸腐蝕問題。當其在比較惡劣的工作環(huán)境中，或使用溫度過高，或不恰當?shù)幕w材料，都會導致鋼絲螺套連接件件的接觸腐蝕。從而影響鋼絲螺套連接強度的有效發(fā)揮。

2.2 鋼絲螺套的分類

按使用功能分類，鋼絲螺套可分為普通型鋼絲螺套和鎖緊型鋼絲螺套。普通型鋼絲螺套是由多圈螺旋線圈組成，各種低強度材料上使用它都能增強螺紋聯(lián)接的強度，與加襯套來增加螺紋聯(lián)接強度的方法相比較，可以減少50%附加部分的體積，這樣重量就較輕，普通型鋼螺套又可分為有無折斷槽兩種，有折斷槽的絲套用于通孔，無折斷槽的絲套用于盲孔。鎖緊型鋼絲螺套除了具有普通型的優(yōu)點外，還可以得到比普通型鋼絲螺套更牢固的螺紋連接。鎖緊型鋼絲螺套具有自鎖力矩和抗松動性能，能把螺釘鎖緊在螺孔中，可以不用螺母和止動墊圈。這一特性是由鎖緊型鋼絲螺套具有幾圈多邊形結構的制動自鎖作用產(chǎn)生的。

3 鋼絲螺套在碳纖維復合材料中應用研究

碳纖維具有比強度、比模量高、耐腐蝕等優(yōu)點，是制備高性能復合材料的最理想增強材料之一。目前，碳纖維復合材料在航空航天領域應用的較多。進入21世紀以來，復合材料技術在軍用和民用飛行器上的應用不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，從2003～ 2008年的5年期間,航空航天領域碳纖維復合材料的增長達到123%，平均每年增長約25%。碳纖維復合材料在航天領域主要應用于導彈、彈頭、彈體、火箭箭體、發(fā)動機殼體的結構部件，以及大型衛(wèi)星結構體、太陽能電池陣、天線等的主承力結構件[6]。

在碳纖維復合材料結構中應用最廣泛的為T700碳纖維增強的復合材料件，T700碳纖維增強的復合材料其力學性能見表1。在航空航天領域，復合材料件與其他零件進行機械連接時，如果必須由復合材料件提供連接螺紋，通常會在復合材料零件中預埋、粘接螺套或托板螺母來實現(xiàn)，但是如果連接螺紋較多的話，在這種情況下會增加產(chǎn)品重量，而且會對后續(xù)加工帶來一定的困難。如果直接在復合材料件上攻螺紋會增加刮花、磨損和螺紋剪切的危險，尤其是當考慮到螺紋孔的可重用性時，情況確實如此，因為較小的螺紋更容易破壞復合材料這一“軟質”材料。

表1 T700碳纖維增強的復合材料其力學性能(層合板)

針對復合材料件的機械連接問題，本文嘗試在復合材料零件中鑲嵌鋼絲螺套的方法來解決這一問題，并且進行了鋼絲螺套的拉脫力試驗。采用的材料為T700碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料層合板，厚度10 mm；鋼絲螺套材質為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為6×1×10；考慮到復合材料的層間性能較差，試驗時采用大墊片，加載速率為加載速率5 mm/min。鋼絲螺套安裝到復合材料件中之后見圖3。

當墊片較小時，其破壞形式為復合材料螺紋失效，鋼絲螺套拔出，載荷約為10 kN；當墊片較大，能夠對復合材料件的變形具有一定限制的情況下，其破壞形式為復合材料層間開裂，載荷約約為14 kN。通過試驗發(fā)現(xiàn)以下幾個因素對試驗結果影響較大：①試驗過程中使用墊片的尺寸。墊片可以避免復合材料基體的局部應力過大的情況出現(xiàn)，可以使螺紋上的應力更好的分配，從而提高產(chǎn)品的承載能力；②鋼絲螺套安裝過程中對復合材料螺紋損傷情況直接影響到安裝鋼絲螺套后產(chǎn)品的承載能力；③復合材料件的厚度影響。雖然安裝鋼絲螺套后能夠使載荷和應力分布比較均勻，但是還是會存在軸向力沿著螺紋方向逐漸減小的情況存在，所以厚度對產(chǎn)品的承載能力影響也較大；④復合材料的層間性能直接影響到鋼絲螺套的安裝強度，復合材料基體上的螺紋越小，其影響越大。

圖3 復合材料件安裝鋼絲螺套后示意圖

4 結 語

鋼絲螺套具有很多優(yōu)良的特性，目前在民用及航空航天領域應用已十分廣泛，但是在復合材料的機械連接中的應用還鮮有報道。隨著復合材料研究的進一步深入，復合材料層間性能的進一步提升，鋼絲螺套在復合材料機械連接方面的直接應用會逐漸增多，從而可以進一步拓寬復合材料的應用領域、進一步發(fā)揮復合材料的減重特性。

[1] 呂建坤.飛機復合材料結構件的連接技術[J].航空制造工程,1995(4):25-26.

[2] 胡寶剛.復合材料結構件的機械連接工藝[J].導彈與航天運載技術,1995(6):46-47.

[3] 王梅芝.衛(wèi)星總裝中鋼絲螺套裝配工藝[J].航天器環(huán)境工程,2008,12(1):598-599.

[4] 譚錦皇,毛正榮,李軍.鋼絲螺套用于提高鋁材螺紋聯(lián)接強度的試驗研究[J].鋁加工,2012(5):39-40.

[5] 張惠清.鋼絲螺套的連接強度及其正確選用[J].金城科技,1994(1):12-13.

[6] 益小蘇，張明，安學鋒，等.先進航空樹脂基復合材料研究與應用進展[J].工程塑料應用,2009,37(10):72-73.

The Application of Steel Wire Lo Sets in Composite Mechanical Connection

LIU Jiaqiu，YI Cuiyun

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Steel wire lo sets has many excellent characteristics, the applications in the civil and aerospace fields has been very widely. But the report about composite mechanical connection is less. In this paper, we researched the application of 1Cr18Ni9Ti steel wire Lo sets(specification: 6×1×10mm) in 10 mms thick T700 carbon fiber reinforced composites and the tensile test. By adjusting gasket size, we obtain the pull-out force of about 10 kN～14 kN.In the end of this paper, we discussed the application prospect of steel wire Lo sets in the composite mechanical connection.

T700 carbon fiber reinforced composites ；steel wire lo sets；mechanical connection

2015-01-21)

劉甲秋(1985-)，男，黑龍江人，碩士、工程師。研究方向：復合材料工藝研究。 E-mail：liujiaqiu2007@126.com.