拔銷器手動(dòng)拔銷螺紋咬死故障分析與防控

徐漢中，王寅虎，呂 蒙，周 楠，焦勝海

拔銷器手動(dòng)拔銷螺紋咬死故障分析與防控

徐漢中，王寅虎，呂 蒙，周 楠，焦勝海

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

為解決拔銷器螺紋咬死故障，通過失效分析和機(jī)理研究，從配合螺紋公差帶設(shè)計(jì)、螺紋材料選擇、螺紋表面處理及潤滑劑使用四個(gè)方面提出了防止螺紋咬死控制措施，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效解決了拔銷器反復(fù)拆裝過程的螺紋咬死現(xiàn)象，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

拔銷器；螺紋咬死；控制

0 引 言

拔銷器是活塞式作動(dòng)器的一種，用于有效載荷的鎖定和分離，如降落傘的脫離、太陽帆板的釋放、小型裝置的連接分離。拔銷器未工作時(shí)利用銷軸固定有效載荷，并承受較大的橫向載荷，工作時(shí)利用它的點(diǎn)火器裝藥燃燒或爆炸產(chǎn)生的能量使銷軸回縮，以達(dá)到解鎖分離的目的?？紤]到勤務(wù)處理需要，拔銷器可通過旋轉(zhuǎn)螺紋副，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)拔銷功能。由于拔銷器結(jié)構(gòu)簡單、連接固定可靠、分離時(shí)后座力小，屬于強(qiáng)連接、弱解鎖機(jī)構(gòu)，因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

然而某裝置配套拔銷器在手動(dòng)拔銷時(shí)，出現(xiàn)部分產(chǎn)品螺紋咬死、無法手動(dòng)拔銷的故障。為尋找拔銷器咬死原因、研究螺紋副咬死機(jī)理，本文對(duì)拔銷器螺紋副咬死機(jī)理進(jìn)行分析研究，結(jié)合螺紋設(shè)計(jì)原理和摩擦學(xué)理論，從螺紋公差帶設(shè)計(jì)、螺紋材料、螺紋表面處理及潤滑劑4個(gè)方面分析螺紋咬死的機(jī)理，并提出針對(duì)性改善措施，為業(yè)內(nèi)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

拔銷器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡如圖1所示。解鎖工作時(shí)，點(diǎn)火器點(diǎn)火輸出高溫高壓燃?xì)?，燃?xì)庾饔迷阡N軸的活塞上，克服有效載荷負(fù)載、彈簧彈力、銷軸與殼體之間的摩擦力、銷桿自身的重力（非失重條件）使銷桿回縮，完成解鎖功能。

圖1 拔銷器結(jié)構(gòu)示意

手動(dòng)拔銷時(shí)，擰動(dòng)螺母使螺母沿蓋的螺紋向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中螺母頂住螺釘帶動(dòng)銷軸向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)拔銷功能，拔銷到位示意見圖2。

圖2 手動(dòng)拔銷到位示意

2 失效產(chǎn)品試驗(yàn)分析和機(jī)理研究

2.1 失效零件

選取2件故障拔銷器（編號(hào)分別為1#、2#），其中1#螺母與螺桿發(fā)生卡滯，手動(dòng)不能旋轉(zhuǎn)，2#螺母與螺桿手動(dòng)旋轉(zhuǎn)較為困難。2件拔銷器螺母與螺桿未見明顯偏軸現(xiàn)象，該產(chǎn)品螺母與螺桿表面特征如表1所示。

表1 螺母與螺桿表面特征

Tab.1 Peculiarity of Retraction Actuator

位置材料表處方式螺紋尺寸熱處理硬度 螺桿30CrMnSiAFe/Ap.Ni12M12×1-6HHRC32～37 螺母30CrMnSiAFe/Ap.Ni12M12×1-6HHRC32～37

2.2 鍍層厚度及基體硬度分析

對(duì)鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量，1#螺桿鍍層厚度約為13~14 μm，螺母鍍層厚度約為12~14 μm，2#螺桿鍍層厚度約為14~16 μm，螺母鍍層厚度約為10~12 μm，與設(shè)計(jì)要求相符。

對(duì)2件試樣螺栓與螺母硬度進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見表2，由表2可知，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

表2 顯微硬度測(cè)試結(jié)果（HV0.2）

Tab.2 Hardness Test Results of Microscope

位置序號(hào)平均換算為HRC 12345 1#螺母34736634735335935436.2 1#螺桿36434734934535935336.1 2#螺母36136636835736136337.2 2#螺桿35734336834134735135.9

注：HV0.2和HRC是材料硬度的不同表示方法

將2件拔銷器進(jìn)行解剖，觀察螺紋的微觀形貌，典型微觀形貌如圖3~7所示。從微觀形貌圖中可以看出：2件拔銷器匹配螺紋微觀形貌較為相似，損傷區(qū)域均呈周向磨損形貌，損傷較輕區(qū)域可見周向犁溝，損傷較重區(qū)域可見物質(zhì)轉(zhuǎn)移、堆積現(xiàn)象，整個(gè)損傷區(qū)未見嵌入的外來多余物存在；局部區(qū)域可見鍍層剝落現(xiàn)象，邊界處鍍層與基體存在明顯縫隙，鍍層斷口呈脆性斷裂特征。

圖3 螺桿螺紋表面鍍層剝落形貌

圖4 螺母螺紋表面鍍層剝落形貌

圖5 1#匹配螺紋鍍層剝落剖面形貌

圖6 2#匹配螺紋損傷、變形及鍍層剝落剖面形貌

圖7 螺紋損傷區(qū)域磨損及物質(zhì)轉(zhuǎn)移、堆積形貌

對(duì)收集的金屬屑進(jìn)行能譜（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）成分分析，檢測(cè)結(jié)果為：被檢金屬屑中約90%是Ni，最大尺寸為544×110 μm；剩余10%是含F(xiàn)e、O元素的氧化物，最大尺寸為 176×158 μm。

結(jié)果表明：未損傷區(qū)域含有Ni及少量P、Fe元素，為正常鍍層成分，損傷區(qū)域含有Fe、Ni、Cr、Mn、Si、P元素，表明該部位暴露出了基體，所有損傷區(qū)域未見其它異常元素存在。

2.3 機(jī)理討論

SEM分析結(jié)果表明匹配螺紋剖面均有部分區(qū)域可見鍍層剝落現(xiàn)象，表明該區(qū)域鍍層與基體的結(jié)合力較差。分解后觀察結(jié)果表明兩件拔銷器匹配螺紋宏觀、微觀形貌相似：所有螺紋均存在不同程度的損傷痕跡，損傷區(qū)域呈周向磨損形貌，可見周向犁溝、物質(zhì)轉(zhuǎn)移及堆積現(xiàn)象，未見外來多余物存在，具有典型的粘著磨損形貌特征。

因此拔銷器螺母與螺桿發(fā)生卡滯的原因是由于二者螺紋表面鍍層與基體的結(jié)合力較差，拔銷過程中在摩擦力作用下鍍層剝落形成多余物，使匹配螺紋摩擦阻力增大，進(jìn)而發(fā)生粘著磨損，導(dǎo)致螺紋副卡滯。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 螺紋公差帶的設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)GB/T 197-2003可知[1]：為了保證內(nèi)、外螺紋間有足夠的螺紋接觸高度，建議螺紋零件內(nèi)、外螺紋配合的公差帶宜優(yōu)先采用H/g、H/h、G/h這3種配合：H/h配合最小間隙為0，用于沒有鍍層時(shí)；H/g和G/h具有保證間隙，可應(yīng)用于鍍層。

表3中給出了故障拔銷器的螺母和蓋的螺紋尺寸，鍍鎳后其內(nèi)、外螺紋配合為H/h，這種配合的最小間隙為0。在螺紋表面質(zhì)量加工粗糙和鍍層不均勻，則螺紋容易出現(xiàn)咬死的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 螺母和蓋的鍍鎳前和鍍鎳后的螺紋尺寸

Tab.3 Thread Specification of Thread

零件名稱螺紋尺寸 鍍鎳前鍍鎳后 螺母M12×1-6GM12×1-6H 蓋M12×1-6h-D(12~18μm)M12×1-6h

因此將蓋的鍍后螺紋尺寸要求更改為M12×1-6G，螺母的螺紋尺寸不變。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后，加大了鍍鎳后內(nèi)、外螺紋的間隙，一方面能有效防止螺紋咬死，另一方面能提高螺紋連接的疲勞強(qiáng)度[2]。

3.2 螺母與蓋的選材改進(jìn)

拔銷器的螺母與蓋的材料均是30CrMnSiA，并且硬度也相同（均為HRC32~37），即同種材料、相同硬度。根據(jù)摩擦學(xué)理論[3]，金屬摩擦副的互溶性對(duì)粘著磨損有很大的影響，互溶性越大，粘著磨損傾向較大。同種材料之間進(jìn)行摩擦?xí)r的磨損量比異種材料摩擦?xí)r的磨損量大很多，這是因?yàn)橥N材料原子排列方式（晶格）相同、原子尺寸大小相同，互溶性較強(qiáng)，在正應(yīng)力的作用下接觸面原子易發(fā)生相互擴(kuò)散，有更高的粘著傾向，導(dǎo)致粘著后咬死?？赏ㄟ^以下方式改進(jìn)：

a）改進(jìn)螺紋副配合間硬度。

相同材料的螺紋配合時(shí)，如果它們的硬度不同，在一定程度上也能降低螺紋咬死的風(fēng)險(xiǎn)。參考其他類似拔銷器，蓋的硬度為HRC32~37，螺母的硬度為HRC27~32，在3000發(fā)拔銷器應(yīng)用中，均未出現(xiàn)螺紋咬死問題。因此通過調(diào)整相關(guān)熱處理制度，改變螺母的硬度，使其略低于螺桿硬度。

b）更換螺母材料。

把螺母的材料更換為不銹鋼13Cr11Ni2W2MoV，該材料具有較高的強(qiáng)度，而且在大氣中、高溫H2S中以及在氧化性介質(zhì)中都具有較好的耐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)。根據(jù)GJB 2294（航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范）可知[4]，選擇合理的熱處理制度，13Cr11Ni2W2MoV的力學(xué)性能和硬度均能滿足該拔銷器的設(shè)計(jì)要求。

在螺母和螺桿設(shè)計(jì)中，一般設(shè)計(jì)是螺母的失效載荷不低于螺栓的破壞載荷[5]。由于13Cr11Ni2W2MoV的強(qiáng)度比30CrMnSiA高，因此建議把螺母的材料更換為不銹鋼13Cr11Ni2W2MoV。螺母更換不銹鋼后，一方面解決了相同材料互溶性大的問題，可以降低螺母與蓋之間咬死的風(fēng)險(xiǎn)，另外一方面提高了螺母的耐蝕性能，從而可以減薄螺母表面鍍鎳層，這也為螺紋公差帶留出了額外間隙。

3.3 表面處理改進(jìn)

該拔銷器的螺母和蓋表面都采用了化學(xué)鍍雙層膜（Ni-Cu-P/Ni-P雙層合金）的方式，由實(shí)際開展的驗(yàn)證試驗(yàn)及失效分析可知，多次擰拔銷器的螺母和蓋之間的螺紋時(shí)，發(fā)現(xiàn)鍍鎳層的脫落，化學(xué)鍍鎳層結(jié)合力不夠好?？赏ㄟ^一下方法改進(jìn)：

a）提高鍍層結(jié)合力。

根據(jù)QJ 405B-2005[6]中認(rèn)為對(duì)于直徑≥10 mm的30CrMnSiA等高強(qiáng)度鋼螺栓不宜采用鍍鋅工藝。而達(dá)克羅涂層硬度較低、耐磨性不好，由文獻(xiàn)[7]可知，在螺紋緊固件中螺紋2次擰合時(shí)就會(huì)出現(xiàn)表面擦傷的缺陷。

采用超聲波化學(xué)鍍鎳有利于提高鍍鎳層的結(jié)合力[8~11]的原因有以下2項(xiàng)：1）超聲波會(huì)導(dǎo)致鍍液與基體的界面處形成空化作用，有利于提高還原劑的還原性能；2）超聲波對(duì)鍍液的空化作用可使氣泡進(jìn)一步生成和擴(kuò)大，然后在急速的氣泡崩潰期間，產(chǎn)生瞬間高溫，增強(qiáng)分子碰撞，增加活化分子數(shù)目，促進(jìn)化學(xué)沉積并提高鍍層與基體間的結(jié)合力。文獻(xiàn)[12]的研究表明超聲波化學(xué)鍍層組織致密，胞狀結(jié)構(gòu)細(xì)化，可顯著提高基體與鍍層的結(jié)合力。

b）在耐蝕性能允許的情況下，適當(dāng)減小鍍層厚度。

鍍層厚度的減小一方面可以為螺母與蓋之間預(yù)留更多配合間隙，另一方面薄的鍍層，其膜的強(qiáng)度高，能降低零件表面的摩擦系數(shù)[3]，從而有效降低螺紋發(fā)生粘著磨損風(fēng)險(xiǎn)。

c）提高蓋的螺紋表面粗糙度設(shè)計(jì)要求。

螺紋表面粗糙度對(duì)螺紋咬死具有重要的影響，螺紋表面越粗糙，則摩擦系數(shù)越大，消耗的能量越大，更易引起磨損，從而影響到機(jī)械傳動(dòng)效率及零件的使用壽命。

實(shí)際加工中，外螺紋的加工相對(duì)于內(nèi)螺紋更加容易，所以可以要求提高外螺紋的表面質(zhì)量。

在GB/T 1181-1998[13]中，其表面質(zhì)量要求外螺紋牙型表面粗糙度值不得大于1.6 μm，內(nèi)螺紋牙型表面粗糙度值≤3.2 μm。所以改進(jìn)后外螺紋牙型表面粗糙度值≤1.6 μm。

此外，螺紋表面粗糙度值減小也有利于提高化學(xué)鍍層的結(jié)合力[12]。

3.4 螺紋之間增加潤滑劑

該拔銷器的螺母與蓋的螺紋之間沒有涂用任何潤滑劑，螺紋表面存在擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。在特定的載荷或溫度下，金屬間就有可能存在咬合風(fēng)險(xiǎn)，致使在裝配或拆卸過程中發(fā)生卡咬，因此可在螺紋副之間增加潤滑處理。

潤滑在緊固件的螺紋連接中是一種常用技術(shù)，可以減小扭矩系數(shù)差異率，提高扭矩利用率，獲得均勻穩(wěn)定的螺栓軸向預(yù)緊力，而且合適的潤滑劑不僅能夠起到順暢裝配的作用，還能夠防止裝配或拆卸時(shí)螺栓發(fā)生咬死。

本文選用特12、特221號(hào)潤滑脂，這兩者都是常用的潤滑脂，適用于與腐蝕性介質(zhì)接觸的摩擦組合件，如金屬與金屬或金屬與橡膠的接觸面上，起潤滑和密封作用，可在-60～150 ℃下使用，適用于一般緊固件連接的潤滑。

4 改進(jìn)效果分析

更改措施如下：a）調(diào)整螺紋配合等級(jí)，蓋的鍍后螺紋尺寸要求更改為M12×1-6g，螺母的螺紋尺寸不變；b）螺母材料改為13Cr11Ni2W2MoV，熱處理硬度HRC32～37，蓋材料30CrMnSiA，熱處理硬度提高至HRC45～50，鍍鎳層厚度由12～18 μm改為8～12 μm；c）提高蓋的螺紋表面粗糙度設(shè)計(jì)要求（值≤1.6 μm）；d）螺母與蓋間螺紋上涂抹一層特12精密儀表脂。具體更改內(nèi)容見表4，對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表4 拔銷器更改措施

Tab.4 Retracting Actuator Improvement Measure

序號(hào)組件/零件更改前更改后 1拔銷器螺母與蓋之間螺紋上未涂抹潤滑脂螺母與蓋之間螺紋上均勻涂抹一層特12號(hào)精密儀表脂 2螺母材料材料30CrMnSiA13Cr11Ni2W2MoV 3蓋熱處理硬度HRC32～37HRC45～50 4螺母尺寸M12×1-6HM12×1-6G 5外螺紋粗糙度3.21.6 6鍍鎳層厚度/μm12～188～12

4.1 改進(jìn)前手動(dòng)拔銷試驗(yàn)

原設(shè)計(jì)狀態(tài)產(chǎn)品反復(fù)進(jìn)行手動(dòng)拔銷，觀察螺母與蓋的螺紋受損情況；試驗(yàn)結(jié)果是拔銷次數(shù)越多，受損越嚴(yán)重，產(chǎn)生的金屬屑越多，如圖8所示。其中1發(fā)產(chǎn)品在20次反復(fù)手動(dòng)拔銷后螺紋明顯卡滯。

圖8 原設(shè)計(jì)狀態(tài)反復(fù)手動(dòng)拔銷試驗(yàn)照片

4.2 改進(jìn)后手動(dòng)拔銷試驗(yàn)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后配合螺紋上涂特12精密儀表脂。共進(jìn)行5發(fā)試驗(yàn)，每發(fā)產(chǎn)品反復(fù)手動(dòng)拔銷100次，手動(dòng)拔銷輕松，無金屬摩擦聲，無金屬屑掉落，擰動(dòng)過程中無卡滯感覺，拔銷100次后在體視鏡下觀察，螺紋鍍層未受損，見圖9。

圖9 涂潤滑脂反復(fù)手動(dòng)拔銷100次試驗(yàn)情況

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，螺紋處涂特12精密儀表脂降低螺紋間摩擦系數(shù)，更改螺紋公差帶、適當(dāng)增大螺紋間隙，更改螺紋副相關(guān)零件硬度，提高蓋外螺紋光潔度，可解決螺紋咬死問題。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某拔銷器螺紋咬死故障，對(duì)其進(jìn)行了失效分析和潛在風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了防止螺紋咬死控制措施；同時(shí)針對(duì)采取的措施進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證工作。通過驗(yàn)證，從配合螺紋公差帶設(shè)計(jì)、螺紋材料選擇、螺紋表面處理及潤滑劑使用4個(gè)方面著手，有效解決了拔銷器這種存在反復(fù)拆裝過程的螺紋咬死現(xiàn)象，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量控制。

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Analysis and Prevention of Retracting Actuator Screw Thread Galling

Xu Han-zhong, Wang Yin-hu, Lyu Meng, Zhou Nan, Jiao Sheng-hai

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

In order to solve the problem of screw thread galling when retracting actuator is assembled, the mechanism of screw thread galling is analyzed, a series of preventative measurements such as thread tolerances design、thread material choose、thread surface treatment and lubricant used are proposed and validated by experiments. Through this work, the problem of screw thread galling can be prevented and controlled during retracting actuator is assembled. This can improve the reliability and quality of product.

retracting actuator; screw thread galling; quality control

TJ761.7

A

1004-7182(2020)01-0118-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200121

2018-12-14；

2019-03-23

徐漢中（1975-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛鸸ぱb置技術(shù)。

王寅虎（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榛鸸ぱb置技術(shù)。

呂 蒙（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榛鸸ぱb置技術(shù)。

周 楠（1991-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榛鸸ぱb置技術(shù)。

焦勝海（1976-），男，研究員，主要研究方向?yàn)門F總體技術(shù)。