張曉斌，于建政，賈曉嬌，單壟壟，唐霄漢，申慶援

（1.航天精工股份有限公司，天津 300300）2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

航空航天飛行器部段之間通常是由緊固件連接完成的，結(jié)構(gòu)連接的可靠性取決于螺栓、螺母的安裝質(zhì)量[1]。擰緊力矩是保證安裝質(zhì)量的重要手段，在缺乏安裝擰緊力矩指導(dǎo)的條件下，工人在進行螺栓螺母類緊固件安裝時，容易出現(xiàn)螺栓轉(zhuǎn)動與擰斷螺栓的現(xiàn)象，在裝配現(xiàn)場，轉(zhuǎn)動和擰斷的螺栓可以更換，但沒有擰斷卻又處于極限狀態(tài)時，會給飛行器部段連接帶來極大的隱患。預(yù)緊力是安裝質(zhì)量的表現(xiàn)形式，在進行飛行器部件連接設(shè)計時，必須掌握擰緊力矩與預(yù)緊力的匹配關(guān)系[2]。

由于螺栓的工況條件復(fù)雜，擰緊力矩標準制定的難度較大，國內(nèi)外專門規(guī)定螺栓擰緊力矩的標準不多。隨著型號質(zhì)量工作的加強，航空航天飛行器型號設(shè)計單位對力矩控制技術(shù)越來越重視，呼吁開展擰緊力矩技術(shù)的研究。航天精工股份有限公司是國內(nèi)生產(chǎn)高端緊固件的龍頭企業(yè)，主要服務(wù)于我國的航空航天領(lǐng)域，有著雄厚的緊固件研發(fā)、制造和檢測能力[3]，公司下屬研究院積極響應(yīng)號召，開展某飛行器部段連接用緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系研究。

本文分析了某飛行器部段連接緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力的測試原理，以M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件為研究對象，著重研究了鈦合金緊固件在飛行器部段實際安裝環(huán)境下的擰緊力矩與預(yù)緊力的對應(yīng)關(guān)系，以及安裝次數(shù)與扭拉系數(shù)的變化規(guī)律。試驗采用扭拉試驗機完成螺栓、螺母擰緊力矩與預(yù)緊力的性能檢測，對最終使用的安裝力矩技術(shù)參數(shù)進行了表征。

1 試驗過程

1.1 測試原理

此次試驗的測試原理如圖1所示，通過軸力傳感器測定擰緊力矩與預(yù)緊力（夾緊力）之間的對應(yīng)關(guān)系，要求在有效力矩試驗過程中，試驗裝置不應(yīng)產(chǎn)生變形。為了更好的模擬現(xiàn)場裝配環(huán)境，在此次擰緊力矩和預(yù)緊力關(guān)系的試驗中，采用在試驗裝置上加實用墊片（即用實際裝配的基體材料加工成墊片），完全模擬出現(xiàn)場實際的裝配環(huán)境，以達到最佳的測試狀態(tài)。

圖1 試驗方案原理圖（被測試驗件安裝示意圖）Fig.1 Theory of the text method

1.2 試樣制備

本次試驗安排采用的螺栓、螺母材料分別為鈦合金TC4（噴涂鋁＋十六醇），TC4（脈沖陽極化）。涉及潤滑狀態(tài)有涂覆航空潤滑脂潤滑和不潤滑，研究的被連接的基體材料為LC9。螺栓螺母規(guī)格為M8、M10兩種，每組規(guī)格試樣螺栓與螺母各8件。

1.3 性能檢測與表征

本次試驗采用了型號為QBN100-L100的微機控制扭轉(zhuǎn)拉力試驗機，如圖2所示，具備拉力傳感器和扭力傳感器，通過雙通道應(yīng)變儀，利用計算機進行擰緊力矩與預(yù)緊力全過程記錄。開展M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件的擰緊力矩與預(yù)緊力的對應(yīng)關(guān)系測試，著重研究了模擬安裝環(huán)境下安裝次數(shù)對擰緊力矩、預(yù)緊力、扭拉系數(shù)的影響規(guī)律。

圖2 微機控制扭轉(zhuǎn)拉力試驗機Fig.2 Text machine of the experimentation

1.4 試驗方法

按照試驗原理，試驗需預(yù)先設(shè)置螺栓要達到的軸力目標值，該目標值為螺栓理論破壞拉力的50%～80%，通過專用的試驗設(shè)備測試出螺栓達到預(yù)設(shè)目標值時，對應(yīng)旋合擰入螺母的擰緊力矩。由于該測試過程是連續(xù)的，因此可通過最終測試得到的關(guān)系曲線，從中拾取如10%Fmax、20%Fmax、30%Fmax……所對應(yīng)的實際擰緊力矩數(shù)據(jù)。最終通過數(shù)據(jù)分析，得出螺栓螺母旋合安裝過程中，對螺母施加的擰緊力矩與螺栓產(chǎn)生的軸力之間的關(guān)系。

2 結(jié)果及分析

2.1 第1次擰入時擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線

M8、M10規(guī)格螺栓的8個子試樣在第一次擰入過程中，形成的擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線如圖3所示。試驗過程中，以螺栓理論破壞抗拉載荷的百分點（20%Fmax、30%Fmax、40%Fmax、50%Fmax、65%Fmax、75%Fmax、80%Fmax）作為試驗數(shù)據(jù)采集基點，圖中以“X”軸（軸向預(yù)緊力）表示，通過試驗測得的擰緊力矩，圖中以“Y”軸表示。由圖a、圖b可知，當“X”軸的預(yù)緊力記錄點在 10%Fmax～50%Fmax時，M8、M10規(guī)格的 8個子試樣得到的試驗曲線密集，呈良好的線性關(guān)系，表明試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定一致性好；當“X”軸的預(yù)緊力記錄點在50%Fmax以上時，M8、M10規(guī)格的8個子試樣試驗曲線相對離散，軸向預(yù)緊力越大，不同子樣對應(yīng)的擰緊力矩數(shù)據(jù)波動范圍越大。

2.2 擰入次數(shù)對擰入力矩與預(yù)緊力的影響

圖 4 為 M8規(guī)格（圖 4（a））、M10規(guī)格（圖 4（b））螺栓螺母8個旋合子試樣的第1次到第5次擰入測得的擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線（本次試驗對螺紋副的循環(huán)擰入暫定進行了5次），試驗過程中，以螺栓理論破壞抗拉載荷的百分點（20%Fmax、30%Fmax、40%Fmax、50%Fmax、65%Fmax、75%Fmax、80%Fmax）作為試驗數(shù)據(jù)采集基點，圖中以“X”軸（軸向預(yù)緊力）表示，通過試驗測得的擰緊力矩，圖中以“Y”軸表示。

圖3 第一次擰入時擰緊力矩與預(yù)緊力曲線Fig.3 Relationship between install moment and bolt stress of the first install

從曲線圖示關(guān)系可以看出，螺栓螺母在反復(fù)旋合5次試驗過程中，隨著擰入次數(shù)的增加，達到同樣軸向力時所需的擰緊力矩增加，同時線性關(guān)系出現(xiàn)一定程度的波動。螺栓在試驗過程中，螺紋表面狀態(tài)發(fā)生改變，提高了螺紋副之間的摩擦系數(shù)，從而增加螺紋副的摩擦力矩，研究表明，在安裝力矩中，螺紋副的摩擦力矩占其40%。因而當螺紋副摩擦性能發(fā)生改變時，擰緊力矩會出現(xiàn)明顯變化。

在圖4（b）中當進行第5次擰入試驗時，由于所需的擰緊力矩已經(jīng)超出設(shè)備量程，因此無法完成后面的數(shù)據(jù)采集，由前4次數(shù)據(jù)變化關(guān)系可以看出，隨著擰入次數(shù)的增加，達到同樣軸向力時所需的擰緊力矩增加，同時線性關(guān)系出現(xiàn)一定程度的波動，直至線性關(guān)系被破壞。

2.3 螺紋副的扭拉系數(shù)分析

在工程應(yīng)用中，扭拉關(guān)系常用簡化公式（1）進行計算[4]：

圖4 擰入次數(shù)對擰緊力矩與預(yù)緊力影響關(guān)系曲線Fig.4 Influence of install moment and bolt stress by install times

式中：M為對螺母施加的扭矩，單位為N·mm；F為由扭矩產(chǎn)生的螺栓軸向拉力，單位為N；d為螺紋的公稱直徑，單位為mm；K為扭拉系數(shù)，或者當量力矩系數(shù)。

這個近似的計算公式，嚴格來講，M和F是近似的直線關(guān)系，但此公式在工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用[5]。由于試驗測得第一次擰入時擰緊力矩與預(yù)緊力的曲線以及不同擰入次數(shù)擰緊力矩與預(yù)緊力的曲線均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，故適合采用簡化公式（1）進行扭拉系數(shù)的工程計算。

圖5、圖6分別為M8與M10規(guī)格螺栓螺紋副的擰入次數(shù)與對應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線圖。由圖5中（a）可知，M8規(guī)格螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系（Y=1.306X+1.277），斜率為 1.306，結(jié)合公式（1），M8 規(guī)格螺栓的扭拉系數(shù)為1.3609/8=0.16325。同理，圖6中M10規(guī)格螺栓的扭拉系數(shù)為0.0918。

圖5 M8規(guī)格螺紋副擰入次數(shù)與對應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Mutative rule of torsion modulus of M8 by install times

圖6 M10規(guī)格螺紋副擰入次數(shù)與對應(yīng)的扭拉系數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Mutative rule of torsion modulus of M10 by install times

在反復(fù)擰入過程中，隨著擰入次數(shù)的增加，M8、M10規(guī)格螺栓螺母的扭拉系數(shù)呈現(xiàn)遞增的變化趨勢（圖5（ b）、圖 6（ b））。

2.4 使用的安裝力矩參數(shù)

在實際裝配過程中，通常設(shè)定安裝力矩值，采用力矩扳手實現(xiàn)螺紋聯(lián)接副的可靠安裝[6]，根據(jù)上述螺栓螺母旋合試驗得出的數(shù)據(jù)，螺栓螺母反復(fù)循環(huán)使用次數(shù)對其擰緊力矩影響較大。為保證現(xiàn)場裝配的可操作性、可靠性，建議上述螺栓螺母的首次旋合裝配達到的預(yù)緊力不宜太大（超過50%Fmax擰緊力矩數(shù)據(jù)波動范圍較大，可靠性降低），螺紋副至多反復(fù)使用3次。

3 結(jié)論

本文以M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件為研究對象，研究了實際安裝環(huán)境下擰緊力矩與預(yù)緊力的對應(yīng)關(guān)系、扭拉系數(shù)隨安裝次數(shù)的變化規(guī)律，采用扭拉試驗機完成螺栓、螺母擰緊力矩與預(yù)緊力的檢測，表征了該型號產(chǎn)品的安裝技術(shù)參數(shù)，結(jié)論如下：

（1）M8、M10規(guī)格鈦合金緊固件螺紋副，在模擬實際安裝環(huán)境時，當螺栓預(yù)緊力達到10%Fmax～50%Fmax時，其擰緊力矩與預(yù)緊力呈良好的線性關(guān)系；當預(yù)緊力大于50%Fmax時，擰緊力矩數(shù)據(jù)波動范圍較大。

（2）鈦合金緊固件螺紋副隨著循環(huán)擰入次數(shù)的增加，若使螺栓達到相同的預(yù)緊力，所需的擰緊力矩呈遞增趨勢，反映螺紋副的扭拉系數(shù)也明顯遞增。

（3）建議M8、M10規(guī)格鈦合金螺栓螺母的首次旋合裝配達到的預(yù)緊力不宜太大（超過50%Fmax擰緊力矩數(shù)據(jù)波動范圍較大，可靠性降低），螺紋副至多反復(fù)使用3次。

[1] 李英亮. 緊固件概論[M]. 國防工業(yè)出版社, 2014.1：282-285.LI Yingliang. Fasteners basics[M]. National Defence Industry Press,2014：282-285.

[2] 楊育中. 緊固件連接設(shè)計手冊[M]. 國防工業(yè)出版社, 1990.YANG Yuzhong. Fastener connection design handbook[M]. National Defence Industry Press, 1990.

[3] 于建政, 寧廣西, 林忠亮, 等. 航空工業(yè)鈦合金緊固件失效分析研究進展[J]. 材料導(dǎo)報專輯, 2013(S1)：256.YU Jianzheng, NING Guangxi, LIN Zhongliang, et al. Research progress of aviation titanium alloy fastener failure analysis[J]. Material Review, 2013(S1)：256.

[4] 王先逵, 艾興. 機械加工工藝手冊[M]. 機械工業(yè)出版社,1998.WANG Xiankui, AI Xing. Machining technology handbook[M]. China Machine Press, 1998.

[5] DANN R T 著 . 對緊固件施加多大的預(yù)載荷[J]. 楊林, 譯.Machine Desigh, 1975, 47(20)：100.DANN R T. How much pre-load pressure the fasteners[J]. YANG Lin translated. Machine desigh, 1975, 47(20)：100.

[6] 皮之送. 螺紋聯(lián)接可靠性設(shè)計及其擰緊工藝研究[D]. 武漢理工大學, 2012.PI Zhisong. Threaded connection and tighten the reliability design technology research[D]. Wuhan University of Technology, 2012.