摘 要:新型盲鉚自鎖螺母在鎖緊性能試驗(yàn)中數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,通過對(duì)盲鉚自鎖螺母的安裝形式、 結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)過程進(jìn)行受力分析,找出了問題的主要原因是:試驗(yàn)工裝夾具設(shè)計(jì)不合理、緊固件在試 驗(yàn)過程中出現(xiàn)螺紋損壞以及同軸度偏差較大。為此設(shè)計(jì)了一種既符合標(biāo)準(zhǔn)要求,又能提高該螺母 鎖緊性能試驗(yàn)準(zhǔn)確性的免安裝試驗(yàn)工裝夾具,可為其他的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)提供思路。

關(guān)鍵詞:緊固件;盲鉚自鎖螺母;鎖緊性能;夾具設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TG751.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)05-0070-04

盲鉚自鎖螺母是一種利用螺母鉚裝變形和螺紋 緊固原理裝配的自鎖螺母,與傳統(tǒng)緊固件裝配需要 接觸結(jié)構(gòu)和接頭部位兩側(cè)相比,盲鉚自鎖螺母只需 要進(jìn)入接頭一側(cè)即可。盲鉚自鎖螺母具有安裝時(shí)無 需進(jìn)行熱焊、安裝成本低、安裝過程對(duì)結(jié)構(gòu)表面損傷 風(fēng)險(xiǎn)低 且 非 常 適 合 近 端 結(jié) 構(gòu) 部 位 使 用 等 諸 多 優(yōu) 點(diǎn)[1],是塑料、玻璃和復(fù)合材料等較軟材料裝配螺母 的理想選擇。

1 盲鉚自鎖螺母與普通螺母的區(qū)別

從圖1可以看出:盲鉚自鎖螺母的結(jié)構(gòu)和外形 同常規(guī)的內(nèi)螺紋緊固件相比有很大的差別,盲鉚自 鎖螺母通體為管狀,且接觸肩部帶有一個(gè)(76±1)° 的錐面,外圓為不規(guī)則的橢圓。

盲鉚自鎖螺母在安裝方式上也與普通螺母有很 大的差別:普通螺母直接和螺栓配合,需施加一定的 扭矩達(dá)到緊固作用;盲鉚自鎖螺母需要先將管狀的 螺母插入預(yù)先制好的孔中并旋入心軸,再用抽槍對(duì) 心軸施加軸向拉力,使螺母產(chǎn)生永久變形(鼓包)而 固定在零部件上,最后使用配套的螺栓和螺母配合并施加安裝扭矩達(dá)到緊固效果。

2 盲鉚自鎖螺母鎖緊性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)該類盲鉚自鎖螺母的鎖緊性能指標(biāo),從 編號(hào)為 NAS1734,規(guī)格為4L6的同一批次產(chǎn)品中隨 機(jī)抽取5個(gè)試樣進(jìn)行鎖緊力矩、松脫力矩試驗(yàn)。試 驗(yàn)條件均為室溫,試驗(yàn)設(shè)備均為某國(guó)產(chǎn)自鎖螺母鎖 緊性能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)夾具為傳統(tǒng)的開槽套筒。試驗(yàn) 方法 依 據(jù) NASM 1312-31FastenerTestMethods Method 31 Torque 的 要 求,試 驗(yàn) 的 技 術(shù) 條 件 為 NASM 25027—2012 Nut,Self-locking,250°F, 450°F,and800°F。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

鎖緊和松脫力矩的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,標(biāo)準(zhǔn) NASM25027—2012中要求的鎖緊 和 松 脫 力 矩 為 0.3955~3.39N·m。

從表1可以看出:鎖緊力矩在0.77~3.26N·m 內(nèi)波 動(dòng),波 動(dòng) 極 差 可 達(dá) 2.49 N·m;松 脫 力 矩 在 0.47~3.08N·m 內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)極差可達(dá)2.61N·m, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常不穩(wěn)定。

2.3 問題分析

觀察試驗(yàn)過程,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)造成 試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因有以下兩個(gè)方面。

2.3.1 螺紋損傷

該類盲鉚自鎖螺母需要進(jìn)行軸向載荷和鎖緊性 能等力學(xué)性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段會(huì)選取和螺 母同規(guī)格,及和螺母外形相配的特制工裝夾具,并將 螺母預(yù)安裝在該工裝夾具上形成一個(gè)整體。由于鎖 緊性能試驗(yàn)主要檢查的是螺紋收口的質(zhì)量和自鎖性 能的一致性,而在抽槍時(shí)產(chǎn)生的拉力作用下,收口部 位的鎖緊結(jié)構(gòu)和螺紋會(huì)造成損傷,從而對(duì)鎖緊力矩 值的測(cè)量產(chǎn)生不良影響,影響試驗(yàn)結(jié)果的一致性和 有效性,且可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量合格與否產(chǎn)生誤判,直接影響實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè) 量系統(tǒng)的有效性。由于盲鉚自鎖螺母在安裝過程中 螺紋已經(jīng)不再是初始狀態(tài),因此無法準(zhǔn)確地判定該 螺母初始狀態(tài)的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 扭矩同軸度

盲鉚自鎖螺母的結(jié)構(gòu)外形和普通螺母外形存在 較大的差異,普通的套筒無法對(duì)其進(jìn)行定位安裝,目 前試驗(yàn)采用的是開槽套筒+手工修銼橢圓錐面的方 式對(duì)托板螺母進(jìn)行限位(見圖2)。由于手工修銼的 方式無法保證試樣修銼部位兩側(cè)材料的去除量完全 對(duì)稱,且用傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法也難以準(zhǔn)確地測(cè)量修銼 尺寸,因此在試驗(yàn)過程中,螺母和心棒的中心線偏移 與產(chǎn)生的力矩(M)不同軸,從而影響試驗(yàn)鎖緊力矩 測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性,進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。從 受力分析來看,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)具備一定的對(duì)中自調(diào)節(jié)能 力,當(dāng)不同軸角度(α)很小時(shí),通過扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng) 對(duì)中,試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。但當(dāng)不同軸角 度超過試驗(yàn)機(jī)自調(diào)節(jié)能力時(shí),試樣所受的總力矩就不 再是單一的 M,而是由兩個(gè)相互垂直的 Mτ(法相扭 矩)和 Mn(徑向扭矩)構(gòu)成[2]。試樣的受力分析如 圖3所示[3],力矩的計(jì)算方法如式(1)所示。

當(dāng)0°<α<90°時(shí),M 為總力矩,也就是扭轉(zhuǎn)試 驗(yàn)機(jī)實(shí)際測(cè)到的總力矩將大于螺母軸向產(chǎn)生的實(shí)際鎖緊力矩。隨著心棒的不斷擰入,Mn 會(huì)越來越大, 最終會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3 試驗(yàn)工裝夾具的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更真實(shí)、準(zhǔn)確,研究設(shè)計(jì)了一套 全新的試驗(yàn)夾具。夾具的設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)問題: ① 試樣裝夾同軸度不滿足試驗(yàn)要求的問題;② 如 何能在安裝的過程中有效地保護(hù)螺紋,使其保持原 有狀態(tài)的問題。

目前,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)兩端的夾持結(jié)構(gòu)多為三爪自 定心卡盤,該種卡盤利用了阿基米德螺旋線的等速 性進(jìn)行設(shè)計(jì),其最大優(yōu)點(diǎn)是保證工件夾緊后能與力 矩 裝 置 軸 線 保 持 較 高 的 同 軸 度[4]。 由 于 標(biāo) 準(zhǔn) NASM1312-31中要求:夾具力矩裝置軸線與試樣 軸線同軸度的全跳動(dòng)公差為0.254mm;力矩所在的 平面應(yīng)與試樣軸線垂直,偏差不大于3°。為保證同 軸度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,可將夾具的外形設(shè)計(jì)成橫截面 為正六邊形的柱體,并在正六邊形中心開孔,用于放 置螺母。由 于 30CrMnSiA 合 金 鋼 具 有 良 好 的 強(qiáng) 度、韌性以及切削性能,且抗疲勞性能較好[5],因此 夾具材料選用30CrMnSiA 合金鋼六方棒料,設(shè)備 選用普通車床或數(shù)控車削中心,通過鉆孔、擴(kuò)孔、精 鏜孔等工序進(jìn)行制孔加工。研究表明:將夾具六方 中心和中心孔同軸度壓縮到?0.05mm 范圍內(nèi),既 能保證用于放置螺母的孔的軸線和夾具六方中心的 同軸性,加工制造過程也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),又不會(huì)因干 涉量過大而導(dǎo)致螺母放入時(shí)螺母外圓桶變形過大。

將螺紋的中心孔按照盲鉚自鎖螺母的不同規(guī)格 和長(zhǎng)度進(jìn)行定制。將中心孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照螺母的 外形進(jìn)行精確加工,具體尺寸應(yīng)根據(jù)螺母底部到螺 紋起始端的圓桶外徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。由于過松的配 合無法進(jìn)行裝夾固定,過緊的配合又可能超過金屬 材料的變形能力,中心孔對(duì)軸在配合面上的徑向正 壓力顯著下降,因而造成松動(dòng)[6],所以?shī)A具和螺母的 配合形式選擇過渡配合或者干涉配合形式,夾具孔 徑公差控制在-0.1~0,使盲鉚自鎖螺母放入夾具 孔內(nèi)時(shí)能和中心孔產(chǎn)生緊配合,并將螺母外圓桶產(chǎn) 生的徑向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化成較大的靜摩擦力矩,有助于 防止試驗(yàn)過程中螺母隨心棒旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)固定螺 母的作用。經(jīng)過研究,最終設(shè)計(jì)了一套專門用于此 類盲鉚自鎖螺母力矩試驗(yàn)的工裝夾具(見圖4)。

該套夾具既可省去抽槍安裝的工序,從而避免了安裝過程中工具對(duì)螺紋的破壞。同時(shí),螺母76° 的橢圓錐肩部可以落在夾具 A(長(zhǎng)半軸)、B(短半 軸)尺寸組成的橢圓孔內(nèi),再利用中心孔的過渡或干 涉配合可以有效地防止螺母轉(zhuǎn)動(dòng),起到了固定的作 用。由于螺栓在擰入過程中給螺母施加一個(gè)向里的 力,擰出過程中有扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的后座作為支撐,托板 螺母也不會(huì)脫出(見圖5)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與設(shè)計(jì)改進(jìn)

重新抽取5個(gè)同規(guī)格的螺母試樣,在相同的試 驗(yàn)環(huán)境下,采用新設(shè)計(jì)的工裝夾具再次進(jìn)行鎖緊力 矩、松脫力矩試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

在驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的夾具能有效地解決 前期試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,安裝也非常方便。但是出現(xiàn) 了一個(gè)新問題:按照原試驗(yàn)方法,螺母需要進(jìn)行安裝,螺母在安裝過程中會(huì)因永久變形而產(chǎn)生一個(gè)鼓包,這 個(gè)鼓包和螺母的76°橢圓錐面能夠很牢固地固定住夾 具,不會(huì)產(chǎn)生螺母從夾具中脫出的情況;使用新夾具 后省略了安裝工作,螺母是直接放在孔里的,除了過 渡或干涉配合外沒有其他專門的固定措施,螺母在反 復(fù)擰入、擰出過程中還是有脫出的情況發(fā)生。

經(jīng)過研究分析,造成這種情況的主要原因是:最 初設(shè)計(jì)夾具時(shí),夾具厚度是參考螺母夾層厚度來設(shè) 計(jì)的,沒有充分考慮實(shí)際使用時(shí)夾具厚度對(duì)試驗(yàn)過 程的影響。夾具在螺母體外圓桶面上產(chǎn)生的摩擦力 與接觸面積和孔內(nèi)壁的干涉量有密切關(guān)系。由于過 渡和干涉配合條件下螺母外圓桶和夾具中心孔的應(yīng) 變量非常微小,因此可考慮將緊配合干涉量在夾具 中心孔或螺母外圓桶上產(chǎn)生的應(yīng)力簡(jiǎn)化為與應(yīng)變的 線性關(guān)系(這是由于夾具材料采用的是熱處理強(qiáng)度 大小于1100 MPa的30CrMnSiA 合金鋼,而螺母 材料為304或305不銹鋼),即采用σN= EεN(σN 為 螺母體上的應(yīng)力;E 為螺母材料的彈性模量;εN 為 螺母體上的產(chǎn)生應(yīng)變)近似。因此主要的應(yīng)變發(fā)生 在螺母外圓桶上,若忽略76°圓錐肩的接觸部分,則 靜摩擦力在螺母體上產(chǎn)生的靜摩擦扭矩(Mf)如式 (2)所示。

式中:fN 為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜 摩擦力;D 為 螺 母 外 圓 桶 直 徑 或 夾 具 內(nèi) 孔 公 稱 內(nèi) 徑;μ 為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜摩 擦系數(shù);f 為夾具內(nèi)孔干涉量與內(nèi)孔應(yīng)變之間的系 數(shù);εN 為夾具內(nèi)孔的應(yīng)變量;Δε 為夾具內(nèi)孔設(shè)計(jì)干 涉量;H 為夾具內(nèi)孔與螺母外圓桶接觸面厚度;EN 為螺母材料的彈性模量。

由式(2)可以看出,在其他參數(shù)基本不變的情況 下,由于最初設(shè)計(jì)的夾層厚度與螺母外圓桶的接觸 面積(S=πD×H)太小,緊配合產(chǎn)生的摩擦力不足 以抵抗螺母鎖緊試驗(yàn)時(shí)心棒擰入、擰出與螺紋之間 產(chǎn)生的摩擦力矩以及鎖緊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的鎖緊力矩之 和。因此,螺母在反復(fù)擰入、擰出的過程中容易產(chǎn)生 滑動(dòng)而脫出。

最終通 過 研 究,決 定 對(duì) H 和 Δε 進(jìn) 行 適 當(dāng) 調(diào) 整,增大夾具中心孔與螺母外圓桶之間的接觸面積, 進(jìn)而增大緊配合產(chǎn)生的摩擦力,以解決螺母擰入、擰 出過程的脫出問題(見圖6)。

完成夾具改進(jìn)后,再次隨機(jī)抽取5個(gè)螺母試樣, 在相同的試驗(yàn)環(huán)境件下再次進(jìn)行鎖緊力矩、松脫力矩試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可以看出:加深中心孔的深度等于是增 大了夾具與螺母外圓桶之間的接觸面積,增大接觸 面積進(jìn)而增大摩擦阻力避免了螺母脫出情況的發(fā) 生。通過對(duì)試驗(yàn)夾具的改進(jìn)設(shè)計(jì),有效地解決了力 矩試驗(yàn)中遇到的新問題。通過對(duì)不同規(guī)格螺母的試 驗(yàn),無論是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性還是試驗(yàn)一次成功 率上都較之前的試驗(yàn)方法有了很大的提升。

在自主開展試驗(yàn)的同時(shí),調(diào)取該產(chǎn)品國(guó)外同行 質(zhì)量證明文件中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)同 一規(guī)格的盲鉚自鎖螺母的新夾具試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)和 國(guó)外同行試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為接近,這也從另一方面驗(yàn)證 了這種基于外形結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)工裝夾具設(shè)計(jì)的 有效性[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)新型盲鉚自鎖螺母在鎖緊性能試驗(yàn)中遇到 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的實(shí)際工程問題,開展了較為 深入的研究,通過對(duì)現(xiàn)有的試驗(yàn)過程進(jìn)行分析,找出 了數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的原因?yàn)?試驗(yàn)工裝夾具設(shè)計(jì)不合 理,緊固件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)螺紋損壞以及同軸度 偏差較大的問題。根據(jù)該類新型標(biāo)準(zhǔn)件的新結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用靜摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩抵抗螺母鎖緊結(jié) 構(gòu)的鎖緊力矩的原理,研究設(shè)計(jì)了一種專用試驗(yàn)工 裝夾具。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行優(yōu)化 改進(jìn)。該試驗(yàn)夾具目前已經(jīng)在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了推 廣,有效地提升了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,避免了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量 的誤判,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

新型工裝夾具的設(shè)計(jì)為提高其他新型標(biāo)準(zhǔn)件試 驗(yàn)的準(zhǔn)確性打開了思路,針對(duì)新型標(biāo)準(zhǔn)件的不斷出 現(xiàn),應(yīng)打破傳統(tǒng)的工作思路,根據(jù)新型標(biāo)準(zhǔn)件的特 點(diǎn),找到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法,提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,更 好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

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<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>5期(pp:70-73)>