張雪峰，劉婭婷，陳春明，王帥飛，佟文敏, 王 婕

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京首航科學技術開發(fā)有限公司，北京 100076；3.四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100)

0 引言

楔形螺紋作為一種具有斜面齒型特點的新型特種螺紋結構，具有顯著的6萬次振動循環(huán)不松脫的高防松特性，在國內外高速鐵路運輸裝備、地面車輛裝備和航空航天工業(yè)等民用和國防領域具有廣泛的應用。針對楔形螺紋結構，張永華等對楔形螺紋的牙型、尺寸公差、內外螺紋的配合位置、螺紋絲錐等提出了詳細要求；國內外標準對楔形螺紋的基本牙型和工作原理等進行了詳細分析；劉遠模用解析幾何方法討論了楔形螺紋的直徑、塞規(guī)牙頂寬度和公差帶等問題。

隨著楔形螺紋緊固件的廣泛應用，其固有的螺栓齒頂與楔形螺紋斜面線接觸模式，存在無潤滑狀態(tài)下線面接觸磨損大等現(xiàn)象，尤其是在由于大直徑薄壁結構變形，導致的圓周周向對中不佳的使用環(huán)境中，存在磨屑引發(fā)螺紋磨損、黏滯冷焊等風險。與此同時，14Cr17Ni2材料作為馬氏體不銹鋼中一種高強、高韌的材料，在航天產品上的應用日益廣泛，是生產楔形螺紋緊固件的一種較優(yōu)選擇。隨著航天工程應用的不斷拓展，針對14Cr17Ni2不銹鋼材料楔形螺紋連接過程中易受潤滑因素的影響，引起預緊力波動和螺紋磨損等現(xiàn)象，非常有必要進行潤滑狀態(tài)下的楔形螺紋扭拉特性研究。

本文選取GH4169高溫合金螺栓與14Cr17Ni2不銹鋼螺母在不同潤滑條件、相同安裝力矩條件下進行50次扭拉性能試驗，對不同潤滑條件下的扭拉系數(shù)、預緊力和螺紋磨損情況等進行試驗研究，探索規(guī)律以進一步提高螺紋連接結構的可靠性。

1 楔形螺紋結構模型與潤滑方式

1.1 結構模型

楔形螺紋結構模型如圖1所示，其大徑上有一個30°斜面，具有斜面齒型的特點。當螺栓螺紋與螺母螺紋結合緊密時，螺栓的普通螺紋牙尖就緊緊地頂在螺母楔形螺紋30°楔形斜面上，在30°斜面的力學轉化作用下，產生較普通螺紋更大的預緊力，即產生相同螺栓軸向力的作用下，楔形螺紋螺母與普通螺紋螺栓之間產生的作用力為2，是普通螺紋的1.7倍，具有更好的緊固連接效果。在振動試驗中，較傳統(tǒng)3萬次振動循環(huán)不松脫，具有6萬次甚至9萬次振動循環(huán)不松脫的防松優(yōu)勢。與此同時，從圖1中可以看出，螺栓齒頂與楔形螺紋斜面之間，與傳統(tǒng)的面接觸方式不同，為線接觸模式。在無潤滑狀態(tài)下，線接觸磨損的磨屑在多次反復安裝中會存在堆積風險。

圖1 楔形螺紋結構模型Fig.1 Structure model of wedge thread

1.2 力學模型

在“螺栓+加持材料+螺母”的組合安裝結構中，安裝力矩轉化為螺栓螺母螺旋副產生的摩擦力矩、螺栓頭底部接觸面的接觸摩擦力矩和螺旋副正壓力水平分力產生的分力矩。在螺栓螺母結構組合中增加涂覆鍍層、油脂等潤滑因子后，會造成扭拉系數(shù)減小，使螺紋旋合面的摩擦力矩減小。在總安裝力矩不變的情況下，螺栓預緊力正壓力將增加。其力學模型為

式中,為擰緊力矩；為軸向拉力；為螺紋外徑；螺紋平均直徑；為螺紋上升角；tg=π，其中為螺距；為螺紋摩擦角;tg=，其中為螺栓與螺母間的摩擦系數(shù)；為螺母與其支撐面間的摩擦系數(shù)；為螺栓下底圓直徑。

1.3 潤滑方式

在機械產品中，增加潤滑環(huán)節(jié)可以有效減少機械接觸摩擦，預防咬死，提高裝配效率，保證結構連接的質量和可靠性。緊固件類產品中常用的潤滑劑為二硫化鉬、十六醇、中性潤滑脂和銀鍍層等。其中，二硫化鉬是一種銀灰色光澤的黑色粉末，六方晶系結晶。在緊固件類產品的使用中，一般將二硫化鉬與環(huán)氧類熱固性樹脂、固化劑、稀釋劑等進行充分混合，通過噴涂或浸泡的方式使其附著在緊固件表面，加熱固化后在其表面上形成二硫化鉬干膜潤滑層，常用于自鎖螺母的潤滑。十六醇是一種極性蠟類潤滑劑，以干膜形態(tài)黏附在緊固件表面，常用于環(huán)槽鉚釘、抽芯鉚釘和高鎖緊固件的潤滑。中性潤滑脂作為一種螺紋潤滑劑，在潤滑和防腐方面具有良好的使用效果，一般在裝配前涂在螺紋上。銀鍍層潤滑可在870℃環(huán)境下使用，是一種良好的高溫潤滑劑，可有效提升高溫潤滑性。

鑒于楔形螺紋緊固件主要在常溫條件下進行裝配，通常需進行大批量裝配，以實現(xiàn)20次以上反復拆裝，基于常用的中性潤滑脂和二硫化鉬潤滑方式，提出螺栓表面涂潤滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面僅螺紋涂MoS與螺栓表面整體涂MoS等4種潤滑方式進行對比試驗研究。

2 試驗件與試驗方法

2.1 試驗材料和試驗件

試驗選取GH4169高溫合金作為螺栓材料，14Cr17Ni2不銹鋼作為螺母材料生產相關試驗件。試驗件包括4組GH4169高溫合金M8×60 螺栓和M8×1.25的14Cr17Ni2不銹鋼楔形螺紋螺母，夾持材料為鋁合金。試驗件狀態(tài)如表1所示，對潤滑部位、潤滑介質、夾持材料和配合的試驗件狀態(tài)等進行了說明。

表1 試驗件狀態(tài)

2.2 試驗方法

參照GB/T16823.3-2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗》方法，利用扭拉試驗機進行不同潤滑方式下50次擰入擰出扭拉試驗，以探索扭拉系數(shù)、螺栓預緊力等參數(shù)隨擰入次數(shù)的變化規(guī)律。重點觀察潤滑因素對扭拉系數(shù)和螺栓連接預緊力的影響。試驗過程中，每次循環(huán)施加預定裝配力矩35 N·m，測定螺栓螺母組合緊固件在擰緊過程中的扭拉系數(shù)，同時獲取特定連接狀態(tài)下的扭拉關系曲線。扭拉試驗結束后，對螺栓螺紋的磨損情況進行觀察和對比分析。

3 試驗結果分析

3.1 扭拉系數(shù)的影響

潤滑因素對GH4169高溫合金材料與14Cr17Ni2不銹鋼材料間扭拉系數(shù)影響的試驗，按照螺栓表面涂潤滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面僅螺紋涂MoS與螺栓表面整體涂MoS等4種潤滑方式，進行50次擰入擰出扭拉試驗，對扭拉系數(shù)進行測量。

扭拉系數(shù)的變化能夠反映出各種潤滑狀態(tài)下螺栓螺紋旋合過程中摩擦情況的變化規(guī)律，進而反映出預緊力的變化規(guī)律。扭拉系數(shù)測量結果如表2所示?？梢钥闯?，螺栓表面僅螺紋涂MoS狀態(tài)下扭拉系數(shù)最大，前5次扭拉系數(shù)平均值為0.456，前10次扭拉系數(shù)平均值為0.462，差值波動小于0.01，具有較好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；螺栓表面整體涂MoS狀態(tài)下扭拉系數(shù)最小，前5次扭拉系數(shù)平均值為0.17，前10次扭拉系數(shù)平均值為0.2，具有一定的波動離散性；螺栓表面涂潤滑脂和螺母表面涂MoS狀態(tài)下，扭拉系數(shù)平均值介于上述兩種潤滑狀態(tài)區(qū)間，具有一定的離散波動性。

表2 不同潤滑條件下的扭拉系數(shù)

螺栓表面僅螺紋涂MoS和螺栓表面整體涂MoS，區(qū)別在于螺栓頭接觸端面有無潤滑，其對比可以看出，螺栓頭接觸端面的摩擦對扭拉系數(shù)存在較大的影響，通過整體涂MoS可以有效降低扭拉系數(shù)，即實現(xiàn)較小安裝力矩下的等效預緊力。

螺母表面涂MoS的扭拉系數(shù)介于螺栓表面僅螺紋涂MoS和螺栓表面整體涂MoS之間，可實現(xiàn)與螺栓表面僅螺紋涂MoS相當?shù)念A緊力效果，有利于在螺母大批量生產過程中，進行MoS涂覆工藝準備和生產。相比涂覆MoS，螺栓表面涂潤滑脂同樣可實現(xiàn)較好的預緊，可在單次操作中進行潤滑操作。

扭拉系數(shù)測量曲線如圖2～5所示。從數(shù)據(jù)曲線中可以看出，螺栓表面僅螺紋涂MoS時，扭拉系數(shù)值曲線較平穩(wěn)，50次擰入擰出后扭拉系數(shù)值波動較??；螺栓表面整體涂MoS時，起始扭拉系數(shù)值最小，其次為螺母表面涂MoS，螺栓表面僅螺紋涂MoS時最大。

圖2 扭拉系數(shù)Fig.2 Torsion and tension factor

圖3 扭拉系數(shù)Fig.3 Torsion and tension factor

圖4 扭拉系數(shù)Fig.4 Torsion and tension factor

圖5 扭拉系數(shù)Fig.5 Torsion and tension factor

3.2 預緊力的影響

利用扭拉試驗機進行GH4169高溫合金螺栓與14Cr17Ni2不銹鋼楔形螺紋螺母，在不同潤滑條件、相同安裝力矩條件下的扭拉試驗，對螺栓預緊力進行測量，其對比數(shù)據(jù)如表3所示，不用潤滑狀態(tài)，相同安裝力矩下的預緊力對比如圖6所示。

表3 不同潤滑狀態(tài)下的預緊力

圖6 預緊力對比Fig.6 Comparison of the pre-tightening force

從試驗數(shù)據(jù)和對比圖中可以看出，螺栓表面僅螺紋涂MoS狀態(tài)下預緊力最小，前5次預緊力平均值為9.95 kN，前10次預緊力平均值為9.88 kN，差值小于0.1 kN，具有較好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；螺栓表面整體涂MoS狀態(tài)下預緊力最大，前5次預緊力平均值為27.13 kN，前10次預緊力平均值為23.26 kN，具有一定的離散波動性；螺栓表面整體涂MoS，較螺栓表面僅螺紋涂MoS狀態(tài)可有效擴大潤滑接觸面積，在相同的安裝力矩下，可取得相比其他潤滑方式更大的預緊力。

螺栓表面涂潤滑脂和螺母表面涂MoS狀態(tài)下，預緊力平均值介于上述兩種潤滑狀態(tài)之間，具有一定的離散波動性。在不同潤滑條件下預緊力有較大的變化范圍，相同安裝力矩下，試驗測量的預緊力最大相差2.7倍，扭拉系數(shù)的測量結果對比相一致，即螺栓表面僅螺紋涂MoS狀態(tài)下扭拉系數(shù)最大，螺栓表面整體涂MoS狀態(tài)下扭拉系數(shù)最小。

3.3 螺栓螺紋磨損分析

利用扭拉試驗機進行GH4169高溫合金材料螺栓與14Cr17Ni2不銹鋼楔形螺紋螺母，在不同潤滑條件、相同安裝力矩條件下的50次擰入擰出扭拉試驗，對50次擰入擰出試驗后螺栓螺紋的磨損情況進行檢查，如圖7～10所示。從檢查情況可以看出，螺栓表面涂潤滑脂時，試驗螺栓表面磨損最輕，幾乎無磨損；其次為螺栓僅螺紋涂MoS和螺栓表面整體涂MoS，再次為螺母涂MoS。從試驗結果可以看出，在單次使用操作中，可利用螺栓表面涂潤滑脂方式保護螺栓螺紋；在反復拆裝的使用環(huán)境和涂覆MoS的狀態(tài)下，為有效保證結構連接可靠、潤滑的有效性和反復拆裝性，可通過限制使用次數(shù)的方式保護螺栓螺紋。

圖7 螺栓涂潤滑脂螺栓磨損情況Fig.7 Wear of screw bolt under the condition that the screw bolt was greased

圖8 螺母涂MoS2螺栓磨損情況Fig.8 Wear of screw bolt under the condition that the nut was coated with MoS2

圖9 螺栓(僅螺紋)涂MoS2螺栓磨損情況Fig.9 Wear of screw bolt under the condition that only the thread of screw bolt was coated with MoS2

圖10 螺栓(整體)涂MoS2螺栓磨損情況Fig.10 Wear of screw bolt under the condition that the whole screw bolt was coated with MoS2

4 結論

針對無潤滑狀態(tài)下楔形螺紋緊固件線面接觸磨損大現(xiàn)象，開展了螺栓表面涂潤滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面僅螺紋涂MoS與螺栓表面整體涂MoS等4種潤滑方式下的扭拉性能試驗。

從試驗結果可以看出，螺栓表面涂潤滑脂時，試驗螺栓螺紋磨損最輕。螺栓表面僅螺紋涂MoS時，扭拉系數(shù)值一致性最好。螺母表面涂MoS有利于楔形螺紋螺母的大批量生產和質量一致性保證。