楔形內螺紋鎖鍵螺套鎖緊性能分析研究

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(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071)

0 引言

鎖鍵螺套是一類內外螺紋與偶數組鎖鍵一體的新型緊固件，與傳統鋼絲螺套緊固件相比，鎖鍵螺套在反復拆裝、受力較大和沖擊振動等使用環境中，具有與基體連接可靠、不脫出等顯著優勢，廣泛應用于航空、航天、鐵路機車和振動機械等對螺紋強度要求較高的產品，以及鋁合金、鎂合金等基體材料強度較弱的安裝環境[1-2]。

對于緊固件而言，提高自身的鎖緊性能[3-4]是緊固件連接的必然要求[5]，自鎖緊固件主要采用參數要素優化方法提高自身的鎖緊性能。全金屬自鎖螺母通過調整收口量優化鎖緊力矩提高鎖緊性能[6]；變壓型螺紋通過優化螺紋牙型尺寸，獲取最佳鎖緊性能[7]。同時，有學者通過材料力學[8]、力學性能數據[8]、優化收口量[9]、鎖緊力矩影響要素優化[10-11]等方法對鎖緊性能的影響要素和規律等進行研究。

本文針對鎖鍵螺套鎖緊性能試驗中，出現的不同規格鎖鍵螺套鎖緊性能差異等試驗現象，利用現象分析和樣本試驗的方法，對可能的影響要素進行辨識并進行試驗研究，確定鎖鍵螺套鎖緊性能的影響要素和規律，為產品優化設計奠定基礎。

1 鎖鍵螺套結構

鎖鍵螺套由自鎖螺套和鎖鍵兩部分組成，結構形式如圖1所示。自鎖螺套為空心圓柱型套體，具有內螺紋和外螺紋，外螺紋為普通螺紋，內螺紋為30°楔形防松螺紋。螺套左端頭部含有4個一定深度的“U”型開口長槽，用于鎖鍵的安裝導引與安裝鎖緊。零件狀態下，鎖鍵插入螺套中；當鎖鍵螺套旋入基體預制螺紋孔后，將鎖鍵沿螺套“U”型開口長槽敲入螺套基體，利用鎖鍵和螺套之間的過盈配合，實現鎖緊,為基體螺栓連接提供連接接口。鎖鍵螺套的材料一般選用14Cr17Ni2，具有較強的材料強度。鎖鍵螺套內外螺紋設計的特點在于，通過螺套自身較強材料的內螺紋實現與連接緊固件的配合;通過螺套自身的外螺紋實現與鋁基、鎂基材料的螺紋連接，提升連接強度；與此同時，鎖鍵螺套自身的鎖鍵通過過盈配合實現與基體的嵌入，限制周向轉動，提升螺套與基體的連接強度，具有較高的連接效率。

圖1 鎖鍵螺套結構設計Fig.1 Struture design of lock nut

2 鎖緊性能分析

2.1 影響要素辨識

鎖鍵螺套試驗組件由試驗螺栓、楔形鎖鍵螺套和基體塊等部分組成。選取RLM5、RLM6和RLM12等不同規格及不同長度(6.8mm/10mm/12mm)的鎖鍵螺套進行鎖緊性能測試。試驗結果如圖2所示。由圖2分析可知，與規格RLM5與RLM12的鎖鍵螺套相比，RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能的鎖緊性能差，規格RLM5×6.8的鎖緊性能最好。其中RLM指楔形內螺紋，5為內螺紋公稱直徑，6.8為螺套長度。

圖2 鎖鍵螺套鎖緊性能檢測結果Fig.2 Test result of locking performance

圖3為規格RLM5×6.8鎖鍵螺套試驗夾緊力-扭矩曲線，圖4為規格RLM5×6.8鎖鍵螺套試驗角度-扭矩-夾緊力曲線，圖5為規格RLM6×6.8鎖鍵螺套試驗夾緊力-扭矩曲線，圖6為規格RLM6×6.8鎖鍵螺套試驗角度-扭矩-夾緊力曲線。對比分析RLM5×6.8和RLM6×6.8的試驗夾緊力-扭矩曲線和試驗角度-扭矩-夾緊力曲線可知，兩者的夾緊力-扭矩圖存在顯著差異。同時通過對RLM6×6.8的鎖緊試驗過程觀察，發現RLM6×6.8的鎖鍵螺套與基體發生了比較明顯的相對轉動。

圖3 RLM5×6.8鎖鍵螺套夾緊力-扭矩曲線Fig.3 Pretightening force-torque relationship of RLM5×6.8

圖4 規格RLM5×6.8鎖鍵螺套角度-扭矩-夾緊力曲線Fig.4 Angle-pretightening force-torque relationship of RLM5×6.8

圖5 RLM6×6.8鎖鍵螺套夾緊力-扭矩曲線Fig.5 Pretightening force-torque relationship of RLM6×6.8

圖6 規格RLM6×6.8鎖鍵螺套角度-扭矩-夾緊力曲線Fig.6 Angle-pretightening force-torque relationship of RLM6×6.8

鎖緊性能試驗過程中，預緊力和扭矩傳遞過程復雜。通過分析試驗曲線、觀察試驗過程以及與其他楔形螺紋緊固件鎖緊性能數據分析(其他一體型的楔形內螺紋緊固件鎖緊性能擰出力矩占擰入力矩80%以上)，RLM6鎖鍵螺套鎖緊性能較差，可能和鎖鍵螺套與基體之間配合松緊程度有關。

分析鎖緊螺套安裝后的結構，影響鎖鍵螺套與基體配合松緊程度的主要要素有：鎖鍵長度、鎖鍵過盈量和鎖鍵數量、基體材料和基體螺紋精度等。

2.2 影響分析

(1)鎖鍵長度影響

由于鎖鍵螺套的鎖鍵長度影響基體與鎖鍵螺套之間的間隙，表1比較了在其他試驗條件相同的情況下，鎖鍵螺套鎖鍵長度不同時，鎖鍵螺套鎖緊性能檢測結果。由表1分析結果表明，鎖鍵長度較長的鎖鍵螺套鎖緊性能優于鎖鍵長度較短的鎖鍵螺套的鎖緊性能，鎖鍵長度較短的鎖鍵螺套的最小擰出力矩較鎖鍵長度較長的鎖鍵螺套的最小擰出力矩少28.3%，即鎖鍵長度越長,鎖鍵螺套的鎖緊性能越好。

表1 鎖鍵長度不同時RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗結果Tab.1 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different length

(2)鎖鍵過盈量及鎖鍵數量影響

表2為鎖鍵螺套過盈量的設計參數，從表中可以看出，RLM12與RLM6鎖鍵螺套的過盈量是相同的，RLM5的鎖鍵螺套的過盈量大于其他規格的鎖鍵螺套。但RLM12的鎖鍵螺套的鎖鍵數量為4，RLM6的鎖鍵螺套的鎖鍵數量為2，故RLM12的鎖鍵螺套的鎖緊性能優于RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能。RLM5的鎖鍵螺套的鎖鍵數量為2，RLM6的鎖鍵螺套的鎖鍵數量為2，故RLM5的鎖鍵螺套的鎖緊性能優于RLM6的鎖鍵螺套的鎖緊性能。

表2 鎖鍵螺套過盈量Tab.2 Interference amount of lock nut

(3)基體螺紋精度的影響

采用螺紋止規分別檢測了基體的螺紋，檢測結果均合格。但發現RLM6鎖鍵螺套的基體螺紋較RLM5鎖鍵螺套的基體螺紋松。基體內螺紋的大小可能是結果差異的重要因素。為進一步證實，將規格為RLM5×6.8的試驗件基體進行攻絲處理，處理后基體中徑和大徑增大。表3比較了在其他試驗條件相同的情況下，RLM5×6.8鎖鍵螺套基體與做攻絲處理的鎖緊性能試驗結果。從表3可以看出，其他試驗條件相同的情況下，基體做攻絲處理的鎖鍵螺套較基體未做攻絲處理的鎖鍵螺套的最小擰出力矩少20.0%，由此可見，基體螺紋與鎖鍵螺套間隙越大，鎖緊性能越差。

表3 RLM5×6.8鎖鍵螺套基體與做攻絲處理的鎖緊性能試驗結果Tab.3 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different substrate material

(4)基體材料的影響

為分析基體材料對鎖鍵螺套鎖緊性能的影響，對比分析了基體材料為鋼和鋁時鎖鍵螺套的鎖緊性能，試驗結果如表4所示。從表4可以看出，基體材料對鎖鍵螺套的鎖緊性影響不顯著。通過對試驗觀察及試驗曲線分析，不同規格不同基體材料組合試驗過程中鎖鍵都會在擰入或擰出過程中發生一定角度的轉動，這是由于鎖鍵本身的剛度及配合間隙造成的，配合間隙大的組合更加明顯。

表4 基體材料為鋼和鋁時RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗結果Tab.4 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different substrate material

(5)試驗速度的影響

為分析扭拉機轉速對鎖鍵螺套鎖緊性能的影響，進行了鎖緊性能對比試驗，試驗采用鎖鍵較短的鎖鍵螺套，基體材料選用鋼，扭拉機轉速分別為4r/min(GB/T16823.3-1997推薦的試驗轉速為4r/min)與10r/min(GB/T16823.3-2010推薦的M3-M16規格的試驗轉速為10r/min～40r/min)[12-13]，試驗結果如表5所示。分析試驗結果可知，扭拉機轉速對鎖鍵螺套的鎖緊性能檢測結果有影響。鑒于試驗速度的選取參考人工操作的旋轉速度(約10r/min)，因此建議參考人工操作速度進行試驗，試驗結果將更具參考意義和借鑒性。

表5 不同扭拉機轉速時RLM5×6.8鎖鍵螺套的鎖緊性能試驗結果Tab.5 Test result of RLM5×6.8 locking performance with different test speed

3 結束語

楔形內螺紋鎖鍵螺套作為可靠使用的鎖緊緊固件，在螺紋強度要求較高和反復拆裝等使用環境中廣泛應用，是提升鋁基基體材料連接能力的重要緊固件。本文以楔形內螺紋鎖鍵螺套鎖緊性能影響要素為研究對象，對鎖緊性能影響要素進行了試驗研究。主要結論如下：

1)鎖鍵螺套與基體的安裝間隙、鎖鍵長度、試驗速度、規格及鎖鍵數量等因素，均會影響鎖鍵螺套的鎖緊性能。

2)鎖鍵螺套與鋁合金基體螺紋配合較松，將會導致鎖鍵螺套鎖緊性衰減；基體螺紋與鎖鍵螺套間隙越大，鎖緊性能越差。

3)在鎖鍵過盈量一定的情況下，基體材料對鎖鍵螺套的鎖緊性能影響不顯著。

4)鎖鍵長度越長，鎖鍵螺套的鎖緊性能越好。

5)鎖鍵與基體過盈量大，鎖鍵數量越多，鎖緊性能越好；試驗轉速建議參考人工操作速度進行。