查朝暉　溫楠

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

談?wù)労教烊饘僮枣i螺母標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施*
——鎖緊性能及相關(guān)試驗(yàn)要求

查朝暉溫楠

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)自鎖螺母標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，從術(shù)語(yǔ)、鎖緊性能、試驗(yàn)方法等三個(gè)方面對(duì)航天行業(yè)全金屬自鎖螺母標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施進(jìn)行解讀。

航天緊固件；自鎖螺母；鎖緊性能；力矩。

全金屬自鎖螺母是國(guó)內(nèi)外航空航天產(chǎn)品上使用最廣的一類自鎖緊固件。它有各種不同的型式，如：六角、雙六角等外扳擰結(jié)構(gòu)的螺母，各種固定托板、游動(dòng)托板螺母等。航天行業(yè)系列標(biāo)準(zhǔn)QJ 3079《全金屬自鎖螺母》就規(guī)定了22個(gè)不同結(jié)構(gòu)型式的產(chǎn)品。

全金屬自鎖螺母的結(jié)構(gòu)型式雖然很多，但大多數(shù)都是靠螺母壓扁收口使之具備鎖緊功能。通過(guò)自鎖螺母鎖緊部位的螺紋與螺栓旋合時(shí)，受到螺栓螺紋的擠壓而恢復(fù)原狀，螺母產(chǎn)生彈性變形和彈性變形力，因?yàn)閺椥宰冃瘟?duì)螺栓螺紋的干涉作用，產(chǎn)生阻止旋轉(zhuǎn)的摩擦力矩，從而具備鎖緊的能力。因此，鎖緊性能是這種螺母最主要的技術(shù)指標(biāo)。自鎖螺母的鎖緊性能要求通常包括：永久變形、常溫下鎖緊力矩、熱暴露后的鎖緊力矩 （高溫用）、冷暴露后的鎖緊力矩 （低溫用），并通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行考核，以驗(yàn)證其鎖緊性能是否滿足要求。

航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 3079.1-1998《全金屬自鎖螺母第1部分：通用規(guī)范》規(guī)定，螺栓螺母15次擰入擰出循環(huán)中，以第1次擰入最大力矩值和第15次擰出最小力矩值來(lái)判斷螺母的鎖緊性能是否合格。根據(jù)多年型號(hào)使用經(jīng)驗(yàn)，參考美軍標(biāo)NASM 25027-1999《250℃，450℃和800℃的自鎖螺母》、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5858：2000《航空航天最高工作溫度小于或等于425℃的自鎖螺母采購(gòu)規(guī)范》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 3005：2004《航空航天自鎖螺母，MJ螺紋，鎳基合金NIP101HT（wasploy）等級(jí)：1210MPa（室溫）/ 730℃技術(shù)規(guī)范》，2011年對(duì)QJ 3079-1998進(jìn)行了全面修訂。其中，分標(biāo)準(zhǔn)QJ 3079.1A-2011在術(shù)語(yǔ)、對(duì)自鎖螺母鎖緊性能考核以及在試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法等方面都有變化。標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施近5年，筆者就QJ 3079.1A實(shí)施中應(yīng)注意的問(wèn)題談?wù)効捶ā?/p>

1　術(shù)語(yǔ)方面

QJ 3079.1A中，用到了三個(gè)重要的術(shù)語(yǔ)，即擰入自鎖力矩、擰出松動(dòng)力和安裝力矩。這是隨著航天試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)改造與更新，有了施加軸向力的設(shè)備，可以嚴(yán)格按照ISO標(biāo)準(zhǔn)或美軍標(biāo)的規(guī)定進(jìn)行鎖緊性能試驗(yàn)，而這樣的試驗(yàn)結(jié)果更符合自鎖螺母實(shí)際的裝配情況，對(duì)型號(hào)設(shè)計(jì)選用更具有指導(dǎo)意義。

a）擰入自鎖力矩 （self-locking torque）——在沒有軸向力的情況下，克服螺紋間的動(dòng)摩擦所需的力矩。該力矩就是過(guò)去常用到的 “擰入最大力矩”，嚴(yán)格地說(shuō)，應(yīng)該稱為 “自鎖力矩”，但為了與過(guò)去的 “擰入力矩”加以聯(lián)系，同時(shí)考慮通常都是在擰入方向測(cè)得，所以新版標(biāo)準(zhǔn)在自鎖力矩之前冠以 “擰入”二字。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在15次擰入擰出循環(huán)或3次擰入擰出循環(huán)過(guò)程中，測(cè)得的自鎖力矩均不得超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值。該力矩過(guò)大，不會(huì)影響螺母的防松效果，但會(huì)影響裝配，因此在保證鎖緊的條件下，該力矩限定了最大值。

b）擰出松動(dòng)力矩（breakaway torque）——在沒有軸向力的情況下，克服螺紋間的靜摩擦所需的力矩。該力矩與過(guò)去的擰出最小力矩不同，只強(qiáng)調(diào)沿?cái)Q出方向測(cè)得，沒有明確是克服動(dòng)摩擦還是靜摩擦所需的力矩。克服動(dòng)摩擦所需的力矩要比克服靜摩擦小得多。在測(cè)量擰入自鎖力矩和擰出松動(dòng)力矩之間，要施加安裝力矩，所以在測(cè)量擰出松動(dòng)力矩的時(shí)候，一定要先擰出半圈以上，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，再測(cè)量松動(dòng)時(shí)克服靜摩擦所需的力矩。該力矩應(yīng)在螺母的鎖緊區(qū)仍然完全與螺栓旋合、在無(wú)軸向力的情況下進(jìn)行測(cè)定。該力矩只控制最小值，在15次擰入擰出循環(huán)或3次擰入擰出循環(huán)過(guò)程中，測(cè)得的自鎖力矩均不得低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值。該力矩過(guò)小，會(huì)影響螺母的防松效果，所以該力矩越大越好。

c）安裝力矩（seating torque）。按 ISO7481《航空航天—最高工作溫度小于或等于425℃的自鎖螺母—試驗(yàn)方法》和 EN3004《航空航天——自鎖螺母，MJ螺紋，耐熱鋼FE-PA2601 （A286）—等級(jí)：1100MPa（室溫）/650℃—技術(shù)規(guī)范》、EN3005的規(guī)定，安裝力矩定義為 “施加給螺母或螺栓的、使組件產(chǎn)生或增加軸向力的擰緊力矩”，按照美國(guó) SAE標(biāo)準(zhǔn) AS1310的定義，該力矩是 “使支承面貼合到位所需的力矩，該力矩只能在擰入方向測(cè)得”。

2　鎖緊性能要求

2.1試驗(yàn)項(xiàng)目要求

常溫下的鎖緊性能試驗(yàn)分為15次擰入擰出循環(huán)、3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)和1次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)，螺母在常溫下進(jìn)行15次擰入擰出循環(huán)的試驗(yàn)主要用于鑒定檢驗(yàn)，3次擰入擰出循環(huán)和1次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)主要用于質(zhì)量一致性檢驗(yàn)。見表1。

表1　國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)項(xiàng)目要求

熱暴露后鎖緊性能試驗(yàn)是為了模擬在高溫條件下的螺母工作情況，需先將螺母套筒與螺栓擰緊在一起，并施加一定的預(yù)緊力，將擰緊狀態(tài)的組件置于最高工作溫度下持續(xù)保溫6h。國(guó)外各自鎖螺母標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱暴露后循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)有所不同。其中，NASM 25027-1999標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行15次循環(huán)試驗(yàn)，EN 3005：2004和 ISO 5858：2000則分別進(jìn)行5次和3次循環(huán)試驗(yàn)。

QJ 3079.1-1998規(guī)定，無(wú)論是鑒定檢驗(yàn)，還是質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，都要求做15次擰入擰出循環(huán)的鎖緊力矩試驗(yàn)，包括第一次擰入最大力矩值和第15次擰出最小力矩值，均需滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。根據(jù)航天系統(tǒng)多年生產(chǎn)、檢測(cè)金屬自鎖螺母的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自鎖力矩的最大值不一定出現(xiàn)在第1次擰入擰出循環(huán)，而且第一次擰入擰出循環(huán)及第2、3次擰入擰出循環(huán)測(cè)出的擰出松動(dòng)力矩值對(duì)自鎖螺母鎖緊機(jī)構(gòu)的質(zhì)量保證更有判定意義。QJ 3079.1A規(guī)定的鑒定檢驗(yàn)和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)的項(xiàng)目要求見表2。

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施中需要注意以下幾點(diǎn)。

表2　QJ 3079.1A規(guī)定的鑒定檢驗(yàn)和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)

a）15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)與3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)。15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)非常耗時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)螺母不應(yīng)超過(guò)30r/min的旋轉(zhuǎn)速度，且其溫度不能超過(guò)45℃，通常一個(gè)自鎖螺母完成15次擰入擰出循環(huán)要30min左右。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，若第3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)的擰出松動(dòng)力矩不合格，那么第15次的擰出松動(dòng)力矩也不合格。從大量15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)曲線可以看出，同批自鎖螺母只要材料性能符合要求，收口制造工藝穩(wěn)定，擰出松動(dòng)力矩在第二次或第三次擰入擰出循環(huán)后，擰出松動(dòng)力矩衰減比較緩慢。因此，QJ 3079.1A將質(zhì)量一致性檢驗(yàn)由 15次循環(huán)改為3次循環(huán)試驗(yàn)，這也與歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 3004和 EN 3005的要求是一致的。另外，本文表2序號(hào)2所列試驗(yàn)項(xiàng)目，是用15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)的前3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為它的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，但序號(hào)1和序號(hào)2試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的表10的規(guī)定。

b）永久變形試驗(yàn)，即永久變形鎖緊力矩試驗(yàn)，這實(shí)際是考核自鎖螺母對(duì)不同螺紋精度螺栓的適應(yīng)能力。試驗(yàn)時(shí)，先用最大螺紋芯棒擰入螺母，測(cè)出擰入自鎖力矩，其值不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值。然后旋出自鎖螺母，再用最小螺紋芯棒擰入螺母，測(cè)出擰出松動(dòng)力矩，其值不能小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值。這個(gè)試驗(yàn)也可叫做 “雙芯棒力矩試驗(yàn)”。最大螺紋芯棒接近配用螺栓螺紋的最大實(shí)體尺寸，最小螺紋芯棒相當(dāng)于配用螺栓螺紋的最小實(shí)體尺寸。進(jìn)行永久變形試驗(yàn)的成本很高，因?yàn)榕溆眯景袈菁y的精度很高，最大芯棒和最小芯棒的制造公差都很小，需要磨削加工。所以只有鑒定檢驗(yàn)才進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。

c）熱暴露后的3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)。自鎖螺母高溫鎖緊力矩試驗(yàn)是考核自鎖螺母在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高工作溫度時(shí)的鎖緊性能，按理，試驗(yàn)應(yīng)在相應(yīng)工作溫度下進(jìn)行，但因?yàn)槭艿皆囼?yàn)條件限制，只能經(jīng)熱暴露后在常溫下進(jìn)行。所謂熱暴露，就是將自鎖螺母和螺栓，裝到與螺母材料相同的套筒上，施加一定的預(yù)緊力，然后將螺母螺栓組件置于螺母的最高工作溫度 （如230℃）下持續(xù)6h，取出，冷卻到常溫后，再進(jìn)行常溫下的鎖緊力矩試驗(yàn)，測(cè)得的最大擰入自鎖力矩和最小松動(dòng)力矩符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值即為合格。

2.2鎖緊力矩要求

QJ 3079.1A規(guī)定以上試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中的表10要求。實(shí)施中應(yīng)注意理解表10中的注解內(nèi)容，特別是注解e、f，均為3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)中擰出松動(dòng)最小值。以M6規(guī)格的自鎖螺母為例，15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)中要求擰出松動(dòng)力矩最小值不得小于0.35N·m，而3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)中，考核的是第1次擰出松動(dòng)力矩不得小于0.70N·m，第2、3次擰出松動(dòng)力矩最小值不得小于0.40N·m。這是因?yàn)閺拇罅?5次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)曲線可以看出，若第1次擰出松動(dòng)力矩小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值 （即注解e），基本就可以判斷自鎖螺母鎖緊機(jī)構(gòu)質(zhì)量有問(wèn)題。若第1次勉強(qiáng)合格，而第2、3次擰出松動(dòng)力矩衰減得比較厲害，不能滿足3次擰入擰出試驗(yàn)中第2次和第3次次擰出松動(dòng)力矩最小值 （即注解f），不用做到15次一定會(huì)出現(xiàn)擰出松動(dòng)力矩最小值小于0.35N·m的情況。而前三次擰出松動(dòng)力矩合格，后面再增加擰入擰出循環(huán)次數(shù)，擰出松動(dòng)力矩衰減就比較緩慢。基于這些試驗(yàn)曲線和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，QJ 3079.1A給出了表10自鎖螺母鎖緊力矩的要求。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證要求

3.1安裝力矩施加要求

安裝力矩是施加給螺紋緊固件的并使其產(chǎn)生或增加軸向力的擰緊力矩，施加這個(gè)力矩的目的是模仿自鎖螺母實(shí)際裝配的情況，比不產(chǎn)生軸向力的15次純擰入擰出對(duì)自鎖螺母鎖緊機(jī)構(gòu)的考核力度更加嚴(yán)苛。

國(guó)外自鎖螺母標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)螺母強(qiáng)度等級(jí)來(lái)確定安裝力矩要求，如ISO 5858將螺母劃分為6個(gè)等級(jí)（450MPa、600MPa、900MPa、1100MPa、1250MPa、1550MPa），強(qiáng)度等級(jí)不同則安裝力矩也相應(yīng)不同。

QJ 3079.1A根據(jù)ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的規(guī)定確定安裝力矩要求。多循環(huán)試驗(yàn)，即15次或3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)，每一次要將螺母擰到裝有襯套的芯棒上，測(cè)量并記錄螺母旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的擰入自鎖力矩。然后，繼續(xù)擰緊螺母，使螺母的支承面與套筒貼合，并施加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安裝力矩，之后，擰松螺母卸掉軸向力 （螺母和芯棒間的軸向力為零），停止轉(zhuǎn)動(dòng)。然后繼續(xù)擰出，測(cè)量并記錄擰動(dòng)螺母時(shí)的擰出松動(dòng)力矩。這一要求的關(guān)鍵在于施加了安裝力矩。因?yàn)槭┘影惭b力矩會(huì)產(chǎn)生軸向力，這種情況更符合實(shí)際自鎖螺母的使用工況，試驗(yàn)結(jié)果更有實(shí)際意義。

3.2取值范圍

QJ 3079.1A規(guī)定多循環(huán)試驗(yàn)，即15次或3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)。擰入自鎖力矩值為全部15次或3次擰入擰出循環(huán)中擰入自鎖力矩的最大值；而擰出松動(dòng)力矩，15次和3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)的擰出松動(dòng)力矩取值范圍有所不同。15次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)，取全部試驗(yàn)中15次擰出松動(dòng)力矩的最小值，3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)取第1次擰出松動(dòng)力矩的最小值，以及第2次和第3次擰出松動(dòng)力矩的最小值。

QJ 3079.1A規(guī)定螺母鎖緊性能數(shù)值均符合ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的規(guī)定。鎖緊性能試驗(yàn)方法也與ISO和EN相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相同。

3.3試驗(yàn)芯棒要求

QJ 3079.1A對(duì)于常溫下的多次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)用芯棒，參考ISO標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)芯棒的中徑給出了單獨(dú)的要求，其中徑下限值與GB/T 197-2003《普通螺紋 公差》中5h外螺紋的中徑下限值完全相同，只是公差帶范圍為GB/T 197-2003標(biāo)準(zhǔn)中5h螺栓的一半。永久變形試驗(yàn)用最大螺紋芯棒的中徑為最小螺紋芯棒中徑加芯棒公差帶。芯棒公差帶由 ISO 7481 MJ螺紋芯棒公差帶占螺栓螺紋中徑公差帶的比列推導(dǎo)而出。最小螺紋芯棒螺紋中徑等于相應(yīng)規(guī)格螺栓螺紋中徑減螺栓螺紋公差帶。

4　結(jié)束語(yǔ)

QJ 3079.1A規(guī)定的全金屬自鎖螺母的鎖緊性能鑒定檢驗(yàn)項(xiàng)目與美軍標(biāo)NASM 25027、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5858和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 3005：2004的規(guī)定是完全一致的。質(zhì)量一致性檢驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)航天系統(tǒng)多年生產(chǎn)、驗(yàn)收檢驗(yàn)全金屬自鎖螺母的經(jīng)驗(yàn)，確定為3次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)，而沒有選擇ISO 5858中規(guī)定的“1次擰入擰出循環(huán)試驗(yàn)”。采用的自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)方法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5858和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 3004的規(guī)定完全一致，只是ISO 5858用的是MJ螺紋芯棒，航天標(biāo)準(zhǔn)用的是M螺紋芯棒，但設(shè)計(jì)原理與MJ螺紋芯棒相同，鎖緊性能數(shù)值均符合 ISO 5858、ISO 7481 和EN 3004的要求。

航天行業(yè)全金屬自鎖螺母新標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施將近5年，通過(guò)鑒定檢驗(yàn)和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，對(duì)航天型號(hào)用自鎖螺母產(chǎn)品起到了很好的質(zhì)量把關(guān)作用。航天標(biāo)準(zhǔn)緊固件研究與檢測(cè)中心可以通過(guò)復(fù)驗(yàn)檢測(cè)，將約6%的鎖緊性能不合格的自鎖螺母產(chǎn)品排除出型號(hào)裝配現(xiàn)場(chǎng)，基本能夠確保螺紋連接的質(zhì)量與可靠性。

查朝暉 （1962年—），女，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事航天通用零部件標(biāo)準(zhǔn)化工作。

更正

《航天標(biāo)準(zhǔn)化》2016年第2期袁靜和包勇撰寫的 《淺析軍用電子元器件的分類及命名現(xiàn)狀》1.1條第一段中 “電子元件又稱有源器件 （或被動(dòng)件），電子器件又可以稱作無(wú)源器件 （或主動(dòng)件）”應(yīng)修改為 “電子元件又稱無(wú)源器件 （或主動(dòng)件），電子器件又可以稱作有源器件 （或被動(dòng)件）”。特此更正。由于作者疏忽給讀者帶來(lái)困擾，敬請(qǐng)諒解，同時(shí)感謝讀者對(duì)本文的關(guān)注。

*本文源于國(guó)防科技技術(shù)基礎(chǔ)課題 （B0320××1200-5）。