螺栓擰緊工況對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)預(yù)緊力的影響

王楚凡，安魯陵，蔡躍波，岳烜德，楊浩然

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中存在著大量機械連接[1]。目前國內(nèi)飛機制造廠對于CFRP結(jié)構(gòu)螺栓連接主要通過轉(zhuǎn)矩法來施加預(yù)緊力。預(yù)緊力過大容易導(dǎo)致復(fù)材結(jié)構(gòu)的損傷，預(yù)緊力過小則容易導(dǎo)致復(fù)材結(jié)構(gòu)的松脫。因此對于螺栓連接預(yù)緊力的控制顯得尤為重要。

國外學(xué)者長期以來對金屬結(jié)構(gòu)螺栓連接的機理、預(yù)緊力控制、螺紋摩擦性能、螺紋處應(yīng)力分布等方面展開了廣泛的研究。在此基礎(chǔ)上結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)件在實際螺栓擰緊時的復(fù)雜工況，國內(nèi)外學(xué)者利用DOE試驗、正交試驗等試驗方法對復(fù)雜工況下影響轉(zhuǎn)矩法擰緊結(jié)果的各種因素展開了深入研究[2-8]。研究結(jié)果普遍表明螺栓連接中的材料、接觸表面摩擦狀態(tài)、擰緊轉(zhuǎn)速等因素對預(yù)緊力的控制存在一定影響。其中接觸表面的摩擦狀態(tài)、擰緊轉(zhuǎn)速與擰緊工藝的實施相關(guān)。

FRIEDRICH C等[9-11]研究了3種潤煥狀態(tài)下CFRP結(jié)構(gòu)螺栓連接擰緊的T-F曲線，發(fā)現(xiàn)達到同一目標(biāo)預(yù)緊力時的擰緊轉(zhuǎn)矩值相差較大。可見針對金屬結(jié)構(gòu)螺栓連接的擰緊研究已經(jīng)有了比較成熟的理論體系與研究成果，但針對CFRP結(jié)構(gòu)件需要特別考慮。CFRP的各向異性特點決定了其應(yīng)力情況相比金屬材料要復(fù)雜得多，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[12-14]。如果直接照搬金屬結(jié)構(gòu)中螺紋連接的設(shè)計、裝配原則是不合適的[3]。

本文針對航空CFRP結(jié)構(gòu)螺栓連接的擰緊工況，利用DOE試驗從擰緊轉(zhuǎn)矩與總摩擦系數(shù)兩個角度，分析了擰緊工況對于預(yù)緊力的影響，并從工藝角度為預(yù)緊力的控制提出建議。

1 轉(zhuǎn)矩法原理

目前在飛機CFRP結(jié)構(gòu)的裝配過程中，主要依賴于轉(zhuǎn)矩法所建立的轉(zhuǎn)矩-預(yù)緊力對應(yīng)關(guān)系，即

T=KFD

(1)

式中：F為目標(biāo)預(yù)緊力；K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；D為螺栓的公稱直徑；T為擰緊轉(zhuǎn)矩。

MOTOSH N[15]認(rèn)為轉(zhuǎn)矩T在驅(qū)動緊固件擰緊時，一部分轉(zhuǎn)矩需要克服緊固件支撐端面與被連接件端面的摩擦，一部分轉(zhuǎn)矩需要克服螺紋之間的摩擦，剩余的轉(zhuǎn)矩則為連接結(jié)構(gòu)提供了預(yù)緊力，如式(2)所示。

T=Tp+Tt+Tb

(2)

式中：Tp為作用于螺紋牙的轉(zhuǎn)矩；Tt為螺紋間摩擦轉(zhuǎn)矩；Tb為支撐端面摩擦轉(zhuǎn)矩。

在德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2230[16]中該公式可以具體表達為

T=F[0.16p+0.58μtd2+0.5μbdu]

(3)

式中：p為螺紋螺距；d2為螺紋中徑；du為支撐端面摩擦轉(zhuǎn)矩的等效直徑；μt為螺紋摩擦系數(shù)；μb為支撐面摩擦系數(shù)。

在ISO16047[17]中提出了摩擦系數(shù)的簡化公式，假定螺紋摩擦系數(shù)μt與支撐面摩擦系數(shù)μb一致，用總摩擦系數(shù)μm來評估螺栓螺母在擰緊時總體的摩擦行為[2]。擰緊轉(zhuǎn)矩與總摩擦系數(shù)可以表示為：

T=F[0.16p+0.58μmd2+0.5μmdu]

(4)

(5)

由此可見，根本上是摩擦決定了轉(zhuǎn)矩-預(yù)緊力之間的對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)公式(4)，變量T與μm共同影響了最終輸出F的大小。因此，后文將從T與μm兩個角度，分析不同擰緊工況對T與μm的影響，從而進一步揭示擰緊工況對預(yù)緊力值的影響規(guī)律。

2 試驗研究

2.1 試驗試樣與試驗平臺設(shè)計

試驗選航空用NAS6705螺栓與NASM1805螺母作為研究對象，直徑為7.937 5 mm(5/16英寸)，材料為A286。被連接件為鋪疊22層的T800/X850板，總厚度為4.2mm。為簡化裝夾操作，參照ASTM D5961[18]中對拉伸試樣的規(guī)定，在200×300mm的矩形CFRP板上設(shè)計試驗試樣(圖1)，并完成了相應(yīng)的立式螺栓擰緊試驗平臺的設(shè)計與制造(圖2)。

圖1 200×300mm CFRP材料層壓板試樣

圖2 立式螺栓擰緊試驗平臺

該試驗平臺由框架單元、夾持單元、止動單元3個模塊組成。擰緊試驗平臺的測量系統(tǒng)主要由擰緊軸、轉(zhuǎn)矩傳感器、壓力傳感器組成。擰緊軸為Atlas公司生產(chǎn)的固定式直柄擰緊軸，型號為QST62-350CT-T50，可提供最大為350 Nm的擰緊轉(zhuǎn)矩，擰緊軸的最高轉(zhuǎn)速可達220 r/min。擰緊軸配有相應(yīng)的控制器以及編程軟件，可實現(xiàn)對擰緊轉(zhuǎn)矩、角度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的編程控制。轉(zhuǎn)矩傳感器與壓力傳感器均選用德國B.I.W寶宜威公司的梅思泰克傳感器。

2.2 DOE試驗設(shè)計

本文主要通過DOE試驗設(shè)計來研究不同擰緊工況對螺栓擰緊的影響，并可以有效地分析出影響預(yù)緊力的關(guān)鍵因素。相比控制變量法，DOE試驗設(shè)計方法可以大大減少試驗成本，縮短試驗周期。

結(jié)合實際裝配工況，主要考慮4種因素：擰緊轉(zhuǎn)速、螺紋表面灰塵、貼合面密封、擰緊部位。擰緊轉(zhuǎn)速主要考慮20 r/min與200 r/min兩種情況[5]。螺栓庫房經(jīng)過長期保存后容易附著灰塵，工人在裝配前往往會使用抹布對螺紋處進行清理，試驗考慮擦拭與不擦拭螺紋兩種狀態(tài)。在飛機CFRP結(jié)構(gòu)的裝配中，貼合面與貼合面之間需要涂覆密封膠進行密封。試驗考慮密封與不密封兩種情況，選用Naftoseal MC-780密封膠。此外，在實際擰緊裝配時需要根據(jù)裝配件的內(nèi)外部空間狀況來確定擰緊螺母或是螺栓頭，試驗考慮擰緊螺母、螺栓兩種情況。因素與水平對照如表1所示，試驗方案如表2所示，A至D列為工況安排，共計24次試驗，試驗結(jié)果如表2中的其余列所示。擰緊目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為實際生產(chǎn)轉(zhuǎn)矩18.6 N·m。DOE試驗主要關(guān)注3個響應(yīng)：擰緊轉(zhuǎn)矩T、預(yù)緊力F、緊固件的總摩擦系數(shù)μm。

表1 試驗因素水平對應(yīng)情況

試驗所用NASM1805螺母為自鎖螺母，螺紋在咬合時發(fā)生干涉，螺栓螺紋需要做功克服收口變形后螺母螺紋的自鎖轉(zhuǎn)矩Tlock。結(jié)合文獻[19]可得出自鎖螺母擰緊時的轉(zhuǎn)矩-預(yù)緊力關(guān)系式

Tr=T-Tlock=KFD

(6)

式中：Tr為參與計算的有效轉(zhuǎn)矩。根據(jù)試驗結(jié)果，擰緊螺栓頭與螺母時的自鎖轉(zhuǎn)矩Tlock會略有不同，分別為4 N·m與3 N·m，可能是擰緊螺栓頭時螺栓光桿與孔壁間產(chǎn)生了額外的摩擦。計算結(jié)果如表2所示。

3 擰緊工況對預(yù)緊力的影響分析

3.1 過擰現(xiàn)象

根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)試驗測得的擰緊轉(zhuǎn)矩T在17.7～19.3 N·m之間，相比目標(biāo)轉(zhuǎn)矩18.6 N·m正負最大偏差分別為3.8%與-4.8%。這表明在不同擰緊工況的作用下，螺栓連接得到的擰緊轉(zhuǎn)矩值存在偏差，而這一點在以往的很多研究中沒有被考慮。

表2 DOE試驗方案及對應(yīng)結(jié)果

為了進一步分析不同因素對擰緊轉(zhuǎn)矩T的影響規(guī)律，以T為響應(yīng)，利用Minitab軟件對試驗結(jié)果進行處理分析。對響應(yīng)擰緊轉(zhuǎn)矩T做Pareto圖，分析各項效應(yīng)的顯著性，見圖3。Pareto圖是將各效應(yīng)的t檢驗所獲得的t值作為橫坐標(biāo)，按照絕對值的大小排列起來，根據(jù)選定的顯著性水平α，給出t的臨界值，絕對值超過該臨界值的效應(yīng)將被選中。本試驗的顯著性水平α為0.05。擰緊轉(zhuǎn)速對擰緊轉(zhuǎn)矩T的影響最顯著，是唯一超出臨界值2.120的因素。

圖3 各因素對T的顯著性影響

從主效應(yīng)圖4中可以看出，由轉(zhuǎn)矩傳感器測出的擰緊轉(zhuǎn)矩T值的平均水平約為18.3 N·m，轉(zhuǎn)矩傳感器與擰緊軸間存在一定測量誤差。圖中擰緊轉(zhuǎn)矩的增幅在各因素中最大，而擰緊部位的不同則對最終的擰緊轉(zhuǎn)矩T基本沒有什么影響。從擰緊軸的動能角度分析：一方面擰緊軸的轉(zhuǎn)速越大，最終擰緊軸到達目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時的動能也就越大，慣性效應(yīng)更顯著，從而產(chǎn)生“過擰”現(xiàn)象，即實際擰緊轉(zhuǎn)矩T會超過目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。另一方面擰緊軸的規(guī)格越大、質(zhì)量越大則最終擰緊完成時所產(chǎn)生的動能也越大，也容易產(chǎn)生“過擰”現(xiàn)象。

圖4 擰緊轉(zhuǎn)矩T的主效應(yīng)圖

3.2 摩擦狀態(tài)的變化

根據(jù)圖5可以看出，對于總摩擦系數(shù)μm影響最顯著的因素是擰緊部位，其次是擰緊轉(zhuǎn)速和貼合面密封與否，而是否擦拭螺栓則對于μm的影響不明顯。結(jié)合總摩擦系數(shù)μm的主效應(yīng)圖6，對于擰緊部位來說，擰緊螺母時的μm相比擰緊螺栓頭時，下降了約30%；對于擰緊轉(zhuǎn)速，μm也有顯著下降的趨勢；此外貼合面密封膠的涂覆也導(dǎo)致了μm的下降。而由于螺紋表面經(jīng)過了鈍化處理，是否擦拭螺紋表面并不會改變螺紋表面狀態(tài)。所以，對摩擦系數(shù)的影響不大。

圖5 各因素對μm的顯著性影響

圖6 總摩擦系數(shù)μm的主效應(yīng)圖

需要特別指出，在貼合面涂覆密封膠的情況下，貼合面間的密封膠在裝配壓緊后易被擠出，附著于孔壁內(nèi),如圖7(a)所示。當(dāng)螺栓從孔壁中穿過時，容易附著一部分密封膠于螺紋上，如圖7(b)所示。且隨著擰緊過程推進，CFRP板間的夾緊力不斷增加，多余密封膠從孔壁間被擠出。隨著螺紋間的相對運動，被擠出的密封膠會逐漸擴散至光桿區(qū)域，如圖7(c)所示。在實際裝配操作過程中確實存在類似的密封膠卷入螺紋的現(xiàn)象，使螺紋間的摩擦狀態(tài)發(fā)生改變。因此，接下來主要針對轉(zhuǎn)速、螺紋處密封膠、擰緊部位展開進一步分析。

圖7 密封膠對螺栓連接的影響

對于螺紋處有密封膠的情況，由于密封膠為黏彈性流體，因此在螺紋間構(gòu)成了混合潤滑。密封膠的卷入改善了螺紋間的接觸形式，使總摩擦系數(shù)得到降低。

根據(jù)圖6，隨著擰緊轉(zhuǎn)速的增加，總摩擦系數(shù)降低。對此，主要分螺紋間有、無密封膠兩種狀態(tài)進行分析。在有密封膠的情況下，即圖5(b)中顯著的轉(zhuǎn)速與密封膠的二階交互效應(yīng)，構(gòu)成了前文所述的混合潤滑狀態(tài)，結(jié)合潤滑運動表面的通用特性曲線——Stribeck曲線進行分析，如圖8所示，HS的表達式可以簡化為

(7)

式中：η為潤滑介質(zhì)的黏度；v為速度；Fn為法向載荷。結(jié)合圖8分析，在混合潤滑階段，相同載荷下轉(zhuǎn)速越大，HS越大，相應(yīng)的摩擦系數(shù)f趨向于降低。

圖8 Stribeck曲線圖

有密封膠情況下，文獻[20]利用經(jīng)驗公式(8)來驗證擰緊轉(zhuǎn)速對摩擦效應(yīng)的效應(yīng)：

μ=μ0e-cv

(8)

式中：μ0為靜摩擦系數(shù)；v為速度；c為常數(shù)。隨著擰緊轉(zhuǎn)速增加總摩擦系數(shù)降低，與試驗結(jié)果相符。

擰緊部位不同之所以對總摩擦系數(shù)μm的影響最顯著，主要是由于在擰緊螺栓頭時，螺栓光桿處與孔壁間產(chǎn)生了劇烈摩擦，從而增加了擰緊過程中整體的摩擦效應(yīng)。根據(jù)飛機CFRP結(jié)構(gòu)裝配相關(guān)要求[21]，螺栓光桿與CFRP板孔壁之間的間隙約為50 μm。盡管在擰緊螺栓頭時會有部分密封膠卷入到光桿處，但仍然無法避免光桿與孔壁間的劇烈摩擦。如圖9所示，無論光桿處是否有密封膠，CFRP板孔壁與光桿表面的摩擦效應(yīng)都導(dǎo)致光桿表面的鎘鍍層產(chǎn)生了一定程度的磨損。

圖9 孔壁對螺栓光桿的磨損情況

3.3 預(yù)緊力F的變化規(guī)律

據(jù)前文分析可知，擰緊轉(zhuǎn)矩T與總摩擦系數(shù)μm共同決定了最終的預(yù)緊力大小。所以，最終結(jié)合3.1節(jié)與3.2節(jié)的分析結(jié)果，對預(yù)緊力F的DOE試驗結(jié)果進行分析。

根據(jù)響應(yīng)為F的Pareto圖10，可以看出預(yù)緊力F的顯著性規(guī)律與總摩擦系數(shù)μm的顯著性趨勢基本一致，預(yù)緊力F總體的t檢驗值要大于總摩擦系數(shù)μm。從主效應(yīng)圖11來看，各因素對預(yù)緊力F的影響趨勢與對摩擦系數(shù)μm的影響趨勢相反，這與公式(4)中定義的F-μm關(guān)系相符。

圖10 響應(yīng)為預(yù)緊力F時的Pareto圖

圖11 預(yù)緊力F的主效應(yīng)圖

當(dāng)貼合面密封膠被卷入螺紋中時，螺紋間進入混合摩擦狀態(tài)，摩擦效應(yīng)減弱，更多的擰緊轉(zhuǎn)矩T直接作用于螺紋牙斜面，從而導(dǎo)致預(yù)緊力較大。擰緊轉(zhuǎn)速越大，一方面摩擦系數(shù)μm減小，密封膠卷入后便進入混合潤滑狀態(tài)；另一方面擰緊時容易發(fā)生“過擰”現(xiàn)象導(dǎo)致擰緊轉(zhuǎn)矩T增大，密封膠的卷入則會加強過擰的趨勢，兩方面共同導(dǎo)致預(yù)緊力增大。在擰緊螺栓頭時，由于光桿與孔壁間存在較大摩擦，一方面減弱了由于慣性作用可能發(fā)生的“過擰”趨勢，如圖4所示；另一方面增大了擰緊時的摩擦效應(yīng)，更多擰緊轉(zhuǎn)矩T被消耗于克服摩擦做功，從而導(dǎo)致預(yù)緊力F較低。而當(dāng)密封膠卷入光桿處后可以在一度上改善摩擦，但仍有磨損現(xiàn)象發(fā)生。

取總摩擦系數(shù)的最大值與最小值(試驗組10、22)，作出整個擰緊過程的T-F理論曲線，如圖12所示。在轉(zhuǎn)矩為[17.7 N·m,19.3 N·m]的區(qū)間內(nèi)，便是根據(jù)DOE試驗所推算的預(yù)緊力的散差區(qū)域。

圖12 DOE試驗中的預(yù)緊力散差

4 結(jié)語

1)擰緊轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的偏差原，主要是由于過高的轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致擰緊軸擰緊時的動能較高，慣性效應(yīng)顯著，達到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子仍然沒有停止轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生“過擰”現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)緊力過大。

2)總摩擦系數(shù)μm產(chǎn)生偏差的原因，一方面總摩擦系數(shù)較高，是由于制孔誤差，螺栓光桿與復(fù)材板孔壁間存在較為劇烈的摩擦；另一方面總摩擦系數(shù)較低，一是由于密封膠卷入螺紋后改善了螺紋間的潤滑狀態(tài)，二是由于高轉(zhuǎn)速時摩擦表面層的性質(zhì)發(fā)生了改變，三是在高轉(zhuǎn)速與密封膠的交互作用下螺紋間的密封膠分?jǐn)偭烁嗲邢蜃枇亩鴾p弱了摩擦效應(yīng)。

3)擰緊轉(zhuǎn)矩T與總摩擦系數(shù)μm的偏差共同導(dǎo)致了預(yù)緊力F的偏差。因此，控制預(yù)緊力的實質(zhì)就是要控制擰緊轉(zhuǎn)矩T與總摩擦系數(shù)μm，可通過降低擰緊轉(zhuǎn)速、控制密封膠涂覆用量與涂覆區(qū)域、針對不同擰緊部位設(shè)計不同目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值等手段，使兩個變量處于穩(wěn)定狀態(tài)。