某渦槳發動機游星架螺母咬死故障研究

易 海 陳 凱 夏華騰 蔡煜航

中國航發南方工業有限公司 湖南 株洲 412002

1 前言

某渦槳發動機工廠試車分解過程中經常發生游星架螺紋咬死故障，導致螺母報廢，游星架螺紋不同程度的損傷(見表1)。對于該故障，長期以來一致未能找到很好的預防和避免方法，給公司造成了較大損失，用戶極為不滿。

表1 螺母報廢情況

2 裝配結構分析

如圖1箭頭所示，在游星架上裝完球軸承后，再擰入螺母，用防止游星架上球軸承軸向竄動；在螺母和軸承之間裝有游星架鎖片，通過鎖片卡爪防止螺母松動。

圖1 游星架結構

3 故障樹及原因分析

對游星架螺母咬死故障原因進行分析，繪制故障樹，主要由下述幾方面造成。

X1：螺母材質、硬度、外觀缺陷；

X2：螺母螺紋尺寸超差；

X3：游星架螺紋材質、硬度、外觀缺陷；

X4：游星架螺紋尺寸超差；

X5：裝配過程中螺紋上有多余物；

X6：裝配擰緊角度(力矩)過大。

4 歷史故障措施制定情況

歷史上為預防該游星架螺紋咬死問題，曾制定了多條措施。

(1)螺母、游星架增加用5-10倍放大鏡檢查螺紋外觀質量(不應有毛刺)；

(2)按《關于去除螺紋毛刺的技術規范》對游星架及螺母螺紋增加起始不完整螺紋清理，在工藝規程上進行細化；

(3)增大游星架螺紋鎖片槽倒角。

(4)對庫存零件，用10倍放大鏡檢查，并對有問題零件進行去除毛刺；

(5)入廠驗收增加用10倍放大鏡檢查內容；

(6)對游星架及螺母螺紋加工細化，增加起始不完整螺紋清理；

(8)增加游星架螺紋鎖片槽倒角。

(9)設計發出更改單完成游星架鎖片槽倒角改進的更改。

5 設計復查

經查設計圖紙，游星架和螺母螺紋尺寸均為M95×1.5-6h/H，同時對設計技術狀態更改情況進行了清查，未發現與故障相關的設計更改，設計尺寸不合理X1可排除。

對游星架螺母鎖緊的相關零件進行復查，游星架和螺母采用扭角法裝配，游星架螺母在外圓面上均勻開有12槽，兩槽之間的夾角為30°(圖2)。游星架螺母的擰緊力矩角為25°±5°，但設計未規定初始角度(力矩)，該螺母表面采取化學氧化，與其余螺母對比(如槳軸螺母表面鍍銀)，螺紋擰緊時，摩擦力大，不利于螺紋間潤滑，故設計要求不合理X2因素不可排除。

圖2 螺母

6 零件加工過程復查情況

6.1 游星架加工情況復查

6.1.1 復查以往制定措施執行到位情況

6.1.2 確認游星架螺紋收口、碰傷、毛刺等情況 對裝機零件進行檢查，發現一件游星架螺紋處有輕微的毛刺，對倉庫的零件退回加工單位重新復查。

6.1.3 復查游星架螺紋硬度 材料為40CrNiMoA，設計硬度HBd＝3.6-3.3(實測為3.4-3.6，符合要求)，螺紋為磨削加工，表面粗糙度Ra0.4，檢驗檢查合格。

6.1.4 復查螺紋、螺距、牙型等是否合格

6.1.5 游星架復查結論 從上述復查過程可以看出，除X4中螺紋毛刺因素外，其余因素均可排除。

6.2 螺母加工情況復查

6.2.1 復查原措施是否執行到位 原措施共2條。

(1)螺母用5-10倍放大鏡檢查螺紋外觀質量(不應有毛刺)；

(2)對螺母螺紋增加起始不完整螺紋清理，在工藝規程上進行細化；

根據上述措施，螺母檢驗工序增加了用5倍放大鏡檢查螺紋外觀質量，不應有毛刺要求，并要求用白手套檢查整個螺紋應無刮紗感。

6.2.2 螺母螺紋進、出口碰傷、毛刺情況 現場對19Z4、19Z5批次用螺紋量規進行復檢，復檢結果均合格。用5倍放大鏡檢查螺紋外觀質量，零件均無碰傷、毛刺。

6.2.3 復查螺紋硬度、粗糙度 螺母材料為40CrNiMoA，鍛件，不需進行熱處理，設計硬度HRC30-37(實測HRc35.0～35.3，符合要求)，螺紋加工完成后進入檢驗工序，檢驗工序對粗糙度要求為Ra1.6，經檢驗粗糙度合格，之后零件再進行化學氧化，氧化后螺紋表面光滑，無凹凸點。

6.2.4 復查螺紋加工過程的工藝、設備、刀具、程序等 經清查，兩批次零件加工過程中工藝未進行更改，一直使用90年代的老工藝。現場加工使用設備未發生變化，刀具未更改；銑工去除不完整螺紋使用程序未更改。

6.2.5 鉗工去毛刺工序復查 鉗工工序規定去除螺紋進出口毛刺，現場使用銼刀和筆式風槍進行去除，螺紋毛刺用砂紙去除。

表2 游星架以往措施執行情況

表3 游星架螺紋復查情況

但鉗工工序不夠細化，未明確如何去除，用什么工具去除。

6.2.6 復查螺紋、螺距、牙型等是否合格 在裝配現場復查螺母，發現螺紋齒頂寬沿周向發生變化，為進一步了解情況。故送三件游星架螺母在螺紋綜合檢查儀上進行檢查，所有尺寸基本合格。結果如下：從螺紋牙型圖中可以看出，螺紋齒頂寬不一致，沿圓周方向有明顯變化，對宇航工藝進行咨詢，齒頂寬變化大原因為螺紋小徑在加工螺紋前已加工到位，后面再次裝夾找正誤差所致，即為小徑和中徑不同心所致。

表4 螺母新件尺寸檢查情況

6.2.7 螺母復查結論 除毛刺外，螺母材質、硬度超差X3因素可排除，螺母螺紋尺寸超差X4因素不可排除。

7 裝配過程復查情況

根據故障樹情況，對裝配工藝進行復查。

7.1 復查裝配工藝要求 裝配要求見表2。

圖3 螺紋牙型

表5 設計及工藝規程上的要求

7.2 裝配細化要求 2019年以來，為預防游星架螺紋咬死故障，裝配車間對螺母裝配過程進行了細化。

7.2.1 清洗 游星架、螺母應清洗干凈，螺紋中不允許有多余物。

7.2.2 檢查

(1)螺母裝配前，用10倍放大鏡目視檢查，戴白手套刮試游星架及螺母螺紋，應無阻滯，無毛刺、飛邊、卡疤等缺陷。如檢查螺紋出現毛刺等問題，退庫處理。

(2)如連續出現兩臺及以上游星架或螺母螺紋質量不合格情況，通知質改室將情況上報相關單位處理。

7.2.3 裝配

(1)螺紋表面應涂航空滑油。

(2)試裝：將螺母擰緊，使零件端面貼緊后，施加力矩預緊，角度要求：10°～15°，然后分下螺母用汽油清洗游星架螺紋、螺母螺紋，保證螺紋干凈。

(3)正式裝配：按裝配工藝規程要求進行裝配。

注：裝配過程中，如出現角度已到達30°，仍未使鎖緊墊圈鎖片對螺母保險槽，可通過更換鎖緊墊圈或螺母的方式，滿足擰緊要求，不允許出現過力矩/角度擰緊現象。

7.3 裝配復查結論 從裝配復查情況看，故障樹中X5(多余物)和X6(裝配力矩超差)因素可排除。

8 原因及分析

從以上復查數據可以得出螺母咬死的主要原因：

設計要求不合理、游星架螺紋有毛刺、螺母螺紋小徑和中徑不同心，螺母螺紋有毛刺。

小徑和中徑不同心，導致牙頂寬度變化大。螺母裝配時，伴隨力矩愈來愈大，牙頂寬度窄的一側有尖邊，加上牙頂側面受力大，變形顯著，牙頂切割游星架螺紋牙側，或者牙頂直接剝落，故造成螺母咬死(見圖4和圖5)。

圖4 正常咬合狀態

9 解決措施及效果

9.1 措施

(1)完善擰緊要求，增加擰緊時初始力矩(角度)大??；

(2)細化工藝規程，將游星架、螺母去毛刺工序定為關鍵工序，明確打磨工具等要求；

圖5 牙型半角發生變化以及牙頂寬度過窄時咬合狀態

(3)加強螺母加工質量，加工螺紋時，找正內孔或與小徑一起加工，保證螺紋和小徑的同心。

(4)裝配過程中，如出現角度已到達30°，仍未使鎖緊墊圈鎖片對螺母保險槽，需通過換螺母滿足對槽要求時，需重新對換下的螺母以及游星架螺紋進行檢查：對螺母以及游星架螺紋目視檢查，并戴白紗布手套刮試游星架及螺母螺紋，應無阻滯，無毛刺、飛邊、卡疤等缺陷。

9.2 效果 采用以上措施后，螺母咬死故障基本未出現，效果良好，證明故障分析機理清晰，定位準確，措施得當。這種分析方法可以推廣到類似螺母咬死故障分析上。