談談航天全金屬自鎖螺母標準的實施*
——鎖緊性能及相關試驗要求

查朝暉　溫楠

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

談談航天全金屬自鎖螺母標準的實施*
——鎖緊性能及相關試驗要求

查朝暉溫楠

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

文摘：在對比分析國內外相關自鎖螺母標準試驗項目、試驗方法的基礎上，從術語、鎖緊性能、試驗方法等三個方面對航天行業全金屬自鎖螺母標準的實施進行解讀。

航天緊固件；自鎖螺母；鎖緊性能；力矩。

全金屬自鎖螺母是國內外航空航天產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、雙六角等外扳擰結構的螺母，各種固定托板、游動托板螺母等。航天行業系列標準QJ 3079《全金屬自鎖螺母》就規定了22個不同結構型式的產品。

全金屬自鎖螺母的結構型式雖然很多，但大多數都是靠螺母壓扁收口使之具備鎖緊功能。通過自鎖螺母鎖緊部位的螺紋與螺栓旋合時，受到螺栓螺紋的擠壓而恢復原狀，螺母產生彈性變形和彈性變形力，因為彈性變形力對螺栓螺紋的干涉作用，產生阻止旋轉的摩擦力矩，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指標。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），并通過相應的試驗進行考核，以驗證其鎖緊性能是否滿足要求。

航天行業標準QJ 3079.1-1998《全金屬自鎖螺母第1部分：通用規范》規定，螺栓螺母15次擰入擰出循環中，以第1次擰入最大力矩值和第15次擰出最小力矩值來判斷螺母的鎖緊性能是否合格。根據多年型號使用經驗，參考美軍標NASM 25027-1999《250℃，450℃和800℃的自鎖螺母》、國際標準ISO 5858：2000《航空航天最高工作溫度小于或等于425℃的自鎖螺母采購規范》和歐洲標準EN 3005：2004《航空航天自鎖螺母，MJ螺紋，鎳基合金NIP101HT（wasploy）等級：1210MPa（室溫）/ 730℃技術規范》，2011年對QJ 3079-1998進行了全面修訂。其中，分標準QJ 3079.1A-2011在術語、對自鎖螺母鎖緊性能考核以及在試驗項目、試驗方法等方面都有變化。標準已實施近5年，筆者就QJ 3079.1A實施中應注意的問題談談看法。

1　術語方面

QJ 3079.1A中，用到了三個重要的術語，即擰入自鎖力矩、擰出松動力和安裝力矩。這是隨著航天試驗設備的技術改造與更新，有了施加軸向力的設備，可以嚴格按照ISO標準或美軍標的規定進行鎖緊性能試驗，而這樣的試驗結果更符合自鎖螺母實際的裝配情況，對型號設計選用更具有指導意義。

a）擰入自鎖力矩 （self-locking torque）——在沒有軸向力的情況下，克服螺紋間的動摩擦所需的力矩。該力矩就是過去常用到的 “擰入最大力矩”，嚴格地說，應該稱為 “自鎖力矩”，但為了與過去的 “擰入力矩”加以聯系，同時考慮通常都是在擰入方向測得，所以新版標準在自鎖力矩之前冠以 “擰入”二字。標準規定，在15次擰入擰出循環或3次擰入擰出循環過程中，測得的自鎖力矩均不得超過標準規定的最大值。該力矩過大，不會影響螺母的防松效果，但會影響裝配，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。該力矩與過去的擰出最小力矩不同，只強調沿擰出方向測得，沒有明確是克服動摩擦還是靜摩擦所需的力矩。克服動摩擦所需的力矩要比克服靜摩擦小得多。在測量擰入自鎖力矩和擰出松動力矩之間，要施加安裝力矩，所以在測量擰出松動力矩的時候，一定要先擰出半圈以上，停止轉動，再測量松動時克服靜摩擦所需的力矩。該力矩應在螺母的鎖緊區仍然完全與螺栓旋合、在無軸向力的情況下進行測定。該力矩只控制最小值，在15次擰入擰出循環或3次擰入擰出循環過程中，測得的自鎖力矩均不得低于標準規定的最小值。該力矩過小，會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—試驗方法》和 EN3004《航空航天——自鎖螺母，MJ螺紋，耐熱鋼FE-PA2601 （A286）—等級：1100MPa（室溫）/650℃—技術規范》、EN3005的規定，安裝力矩定義為 “施加給螺母或螺栓的、使組件產生或增加軸向力的擰緊力矩”，按照美國 SAE標準 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得”。

2　鎖緊性能要求

2.1試驗項目要求

常溫下的鎖緊性能試驗分為15次擰入擰出循環、3次擰入擰出循環試驗和1次擰入擰出循環試驗，螺母在常溫下進行15次擰入擰出循環的試驗主要用于鑒定檢驗，3次擰入擰出循環和1次擰入擰出循環試驗主要用于質量一致性檢驗。見表1。

表1　國內外標準有關自鎖螺母鎖緊性能試驗項目要求

熱暴露后鎖緊性能試驗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，并施加一定的預緊力，將擰緊狀態的組件置于最高工作溫度下持續保溫6h。國外各自鎖螺母標準規定的熱暴露后循環試驗次數有所不同。其中，NASM 25027-1999標準要求進行15次循環試驗，EN 3005：2004和 ISO 5858：2000則分別進行5次和3次循環試驗。

QJ 3079.1-1998規定，無論是鑒定檢驗，還是質量一致性檢驗，都要求做15次擰入擰出循環的鎖緊力矩試驗，包括第一次擰入最大力矩值和第15次擰出最小力矩值，均需滿足標準規定。根據航天系統多年生產、檢測金屬自鎖螺母的經驗發現，自鎖力矩的最大值不一定出現在第1次擰入擰出循環，而且第一次擰入擰出循環及第2、3次擰入擰出循環測出的擰出松動力矩值對自鎖螺母鎖緊機構的質量保證更有判定意義。QJ 3079.1A規定的鑒定檢驗和質量一致性檢驗的項目要求見表2。

標準實施中需要注意以下幾點。

表2　QJ 3079.1A規定的鑒定檢驗和質量一致性檢驗

a）15次擰入擰出循環試驗與3次擰入擰出循環試驗。15次擰入擰出循環試驗非常耗時，按標準規定，試驗螺母不應超過30r/min的旋轉速度，且其溫度不能超過45℃，通常一個自鎖螺母完成15次擰入擰出循環要30min左右。大量的試驗數據表明，若第3次擰入擰出循環試驗的擰出松動力矩不合格，那么第15次的擰出松動力矩也不合格。從大量15次擰入擰出循環試驗曲線可以看出，同批自鎖螺母只要材料性能符合要求，收口制造工藝穩定，擰出松動力矩在第二次或第三次擰入擰出循環后，擰出松動力矩衰減比較緩慢。因此，QJ 3079.1A將質量一致性檢驗由 15次循環改為3次循環試驗，這也與歐洲標準 EN 3004和 EN 3005的要求是一致的。另外，本文表2序號2所列試驗項目，是用15次擰入擰出循環試驗的前3次試驗數據作為它的試驗的數據，但序號1和序號2試驗數據必須同時滿足標準中的表10的規定。

b）永久變形試驗，即永久變形鎖緊力矩試驗，這實際是考核自鎖螺母對不同螺紋精度螺栓的適應能力。試驗時，先用最大螺紋芯棒擰入螺母，測出擰入自鎖力矩，其值不能超過標準規定的最大值。然后旋出自鎖螺母，再用最小螺紋芯棒擰入螺母，測出擰出松動力矩，其值不能小于標準規定的最小值。這個試驗也可叫做 “雙芯棒力矩試驗”。最大螺紋芯棒接近配用螺栓螺紋的最大實體尺寸，最小螺紋芯棒相當于配用螺栓螺紋的最小實體尺寸。進行永久變形試驗的成本很高，因為配用芯棒螺紋的精度很高，最大芯棒和最小芯棒的制造公差都很小，需要磨削加工。所以只有鑒定檢驗才進行該項試驗。

c）熱暴露后的3次擰入擰出循環試驗。自鎖螺母高溫鎖緊力矩試驗是考核自鎖螺母在標準規定的最高工作溫度時的鎖緊性能，按理，試驗應在相應工作溫度下進行，但因為受到試驗條件限制，只能經熱暴露后在常溫下進行。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6h，取出，冷卻到常溫后，再進行常溫下的鎖緊力矩試驗，測得的最大擰入自鎖力矩和最小松動力矩符合標準規定值即為合格。

2.2鎖緊力矩要求

QJ 3079.1A規定以上試驗項目數據應符合標準中的表10要求。實施中應注意理解表10中的注解內容，特別是注解e、f，均為3次擰入擰出循環試驗中擰出松動最小值。以M6規格的自鎖螺母為例，15次擰入擰出循環試驗中要求擰出松動力矩最小值不得小于0.35N·m，而3次擰入擰出循環試驗中，考核的是第1次擰出松動力矩不得小于0.70N·m，第2、3次擰出松動力矩最小值不得小于0.40N·m。這是因為從大量15次擰入擰出循環試驗曲線可以看出，若第1次擰出松動力矩小于標準規定值 （即注解e），基本就可以判斷自鎖螺母鎖緊機構質量有問題。若第1次勉強合格，而第2、3次擰出松動力矩衰減得比較厲害，不能滿足3次擰入擰出試驗中第2次和第3次次擰出松動力矩最小值 （即注解f），不用做到15次一定會出現擰出松動力矩最小值小于0.35N·m的情況。而前三次擰出松動力矩合格，后面再增加擰入擰出循環次數，擰出松動力矩衰減就比較緩慢。基于這些試驗曲線和國際標準、歐洲標準的規定，QJ 3079.1A給出了表10自鎖螺母鎖緊力矩的要求。

3　試驗驗證要求

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生或增加軸向力的擰緊力矩，施加這個力矩的目的是模仿自鎖螺母實際裝配的情況，比不產生軸向力的15次純擰入擰出對自鎖螺母鎖緊機構的考核力度更加嚴苛。

國外自鎖螺母標準根據螺母強度等級來確定安裝力矩要求，如ISO 5858將螺母劃分為6個等級（450MPa、600MPa、900MPa、1100MPa、1250MPa、1550MPa），強度等級不同則安裝力矩也相應不同。

QJ 3079.1A根據ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的規定確定安裝力矩要求。多循環試驗，即15次或3次擰入擰出循環試驗，每一次要將螺母擰到裝有襯套的芯棒上，測量并記錄螺母旋轉過程中的擰入自鎖力矩。然后，繼續擰緊螺母，使螺母的支承面與套筒貼合，并施加標準規定的安裝力矩，之后，擰松螺母卸掉軸向力 （螺母和芯棒間的軸向力為零），停止轉動。然后繼續擰出，測量并記錄擰動螺母時的擰出松動力矩。這一要求的關鍵在于施加了安裝力矩。因為施加安裝力矩會產生軸向力，這種情況更符合實際自鎖螺母的使用工況，試驗結果更有實際意義。

3.2取值范圍

QJ 3079.1A規定多循環試驗，即15次或3次擰入擰出循環試驗。擰入自鎖力矩值為全部15次或3次擰入擰出循環中擰入自鎖力矩的最大值；而擰出松動力矩，15次和3次擰入擰出循環試驗的擰出松動力矩取值范圍有所不同。15次擰入擰出循環試驗，取全部試驗中15次擰出松動力矩的最小值，3次擰入擰出循環試驗取第1次擰出松動力矩的最小值，以及第2次和第3次擰出松動力矩的最小值。

QJ 3079.1A規定螺母鎖緊性能數值均符合ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的規定。鎖緊性能試驗方法也與ISO和EN相應標準相同。

3.3試驗芯棒要求

QJ 3079.1A對于常溫下的多次擰入擰出循環試驗用芯棒，參考ISO標準的相關規定，對芯棒的中徑給出了單獨的要求，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標準中5h螺栓的一半。永久變形試驗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而出。最小螺紋芯棒螺紋中徑等于相應規格螺栓螺紋中徑減螺栓螺紋公差帶。

4　結束語

QJ 3079.1A規定的全金屬自鎖螺母的鎖緊性能鑒定檢驗項目與美軍標NASM 25027、國際標準ISO 5858和歐洲標準EN 3005：2004的規定是完全一致的。質量一致性檢驗項目，根據航天系統多年生產、驗收檢驗全金屬自鎖螺母的經驗，確定為3次擰入擰出循環試驗，而沒有選擇ISO 5858中規定的“1次擰入擰出循環試驗”。采用的自鎖螺母鎖緊性能試驗方法與國際標準ISO 5858和歐洲標準EN 3004的規定完全一致，只是ISO 5858用的是MJ螺紋芯棒，航天標準用的是M螺紋芯棒，但設計原理與MJ螺紋芯棒相同，鎖緊性能數值均符合 ISO 5858、ISO 7481 和EN 3004的要求。

航天行業全金屬自鎖螺母新標準已實施將近5年，通過鑒定檢驗和質量一致性檢驗，對航天型號用自鎖螺母產品起到了很好的質量把關作用。航天標準緊固件研究與檢測中心可以通過復驗檢測，將約6%的鎖緊性能不合格的自鎖螺母產品排除出型號裝配現場，基本能夠確保螺紋連接的質量與可靠性。

查朝暉 （1962年—），女，高級工程師，現從事航天通用零部件標準化工作。

更正

《航天標準化》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狀》1.1條第一段中 “電子元件又稱有源器件 （或被動件），電子器件又可以稱作無源器件 （或主動件）”應修改為 “電子元件又稱無源器件 （或主動件），電子器件又可以稱作有源器件 （或被動件）”。特此更正。由于作者疏忽給讀者帶來困擾，敬請諒解，同時感謝讀者對本文的關注。

*本文源于國防科技技術基礎課題 （B0320××1200-5）。