摘 要:新型盲铆自锁螺母在锁紧性能试验中数据波动较大,通过对盲铆自锁螺母的安装形式、 结构和试验过程进行受力分析,找出了问题的主要原因是:试验工装夹具设计不合理、紧固件在试 验过程中出现螺纹损坏以及同轴度偏差较大。为此设计了一种既符合标准要求,又能提高该螺母 锁紧性能试验准确性的免安装试验工装夹具,可为其他的标准件试验夹具的设计提供思路。
关键词:紧固件;盲铆自锁螺母;锁紧性能;夹具设计
中图分类号:TG751.9 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)05-0070-04
盲铆自锁螺母是一种利用螺母铆装变形和螺纹 紧固原理装配的自锁螺母,与传统紧固件装配需要 接触结构和接头部位两侧相比,盲铆自锁螺母只需 要进入接头一侧即可。盲铆自锁螺母具有安装时无 需进行热焊、安装成本低、安装过程对结构表面损伤 风险低 且 非 常 适 合 近 端 结 构 部 位 使 用 等 诸 多 优 点[1],是塑料、玻璃和复合材料等较软材料装配螺母 的理想选择。
1 盲铆自锁螺母与普通螺母的区别
从图1可以看出:盲铆自锁螺母的结构和外形 同常规的内螺纹紧固件相比有很大的差别,盲铆自 锁螺母通体为管状,且接触肩部带有一个(76±1)° 的锥面,外圆为不规则的椭圆。
盲铆自锁螺母在安装方式上也与普通螺母有很 大的差别:普通螺母直接和螺栓配合,需施加一定的 扭矩达到紧固作用;盲铆自锁螺母需要先将管状的 螺母插入预先制好的孔中并旋入心轴,再用抽枪对 心轴施加轴向拉力,使螺母产生永久变形(鼓包)而 固定在零部件上,最后使用配套的螺栓和螺母配合并施加安装扭矩达到紧固效果。
2 盲铆自锁螺母锁紧性能试验
2.1 试验方法
为检验该类盲铆自锁螺母的锁紧性能指标,从 编号为 NAS1734,规格为4L6的同一批次产品中随 机抽取5个试样进行锁紧力矩、松脱力矩试验。试 验条件均为室温,试验设备均为某国产自锁螺母锁 紧性能试验机,试验夹具为传统的开槽套筒。试验 方法 依 据 NASM 1312-31FastenerTestMethods Method 31 Torque 的 要 求,试 验 的 技 术 条 件 为 NASM 25027—2012 Nut,Self-locking,250°F, 450°F,and800°F。
2.2 试验结果
锁紧和松脱力矩的试验结果如表1所示,标准 NASM25027—2012中要求的锁紧 和 松 脱 力 矩 为 0.3955~3.39N·m。
从表1可以看出:锁紧力矩在0.77~3.26N·m 内波 动,波 动 极 差 可 达 2.49 N·m;松 脱 力 矩 在 0.47~3.08N·m 内波动,波动极差可达2.61N·m, 试验数据非常不稳定。
2.3 问题分析
观察试验过程,对试验数据进行分析,发现造成 试验数据不稳定的原因有以下两个方面。
2.3.1 螺纹损伤
该类盲铆自锁螺母需要进行轴向载荷和锁紧性 能等力学性能试验。在试验的准备阶段会选取和螺 母同规格,及和螺母外形相配的特制工装夹具,并将 螺母预安装在该工装夹具上形成一个整体。由于锁 紧性能试验主要检查的是螺纹收口的质量和自锁性 能的一致性,而在抽枪时产生的拉力作用下,收口部 位的锁紧结构和螺纹会造成损伤,从而对锁紧力矩 值的测量产生不良影响,影响试验结果的一致性和 有效性,且可能导致试验结果不符合标准要求,对产品质量合格与否产生误判,直接影响实验室环境测 量系统的有效性。由于盲铆自锁螺母在安装过程中 螺纹已经不再是初始状态,因此无法准确地判定该 螺母初始状态的性能是否满足标准要求。
2.3.2 扭矩同轴度
盲铆自锁螺母的结构外形和普通螺母外形存在 较大的差异,普通的套筒无法对其进行定位安装,目 前试验采用的是开槽套筒+手工修锉椭圆锥面的方 式对托板螺母进行限位(见图2)。由于手工修锉的 方式无法保证试样修锉部位两侧材料的去除量完全 对称,且用传统的检验方法也难以准确地测量修锉 尺寸,因此在试验过程中,螺母和心棒的中心线偏移 与产生的力矩(M)不同轴,从而影响试验锁紧力矩 测量结果的真实性,进而导致试验结果不准确。从 受力分析来看,扭转试验机具备一定的对中自调节能 力,当不同轴角度(α)很小时,通过扭转试验机的自动 对中,试验结果的影响可以忽略不计。但当不同轴角 度超过试验机自调节能力时,试样所受的总力矩就不 再是单一的 M,而是由两个相互垂直的 Mτ(法相扭 矩)和 Mn(径向扭矩)构成[2]。试样的受力分析如 图3所示[3],力矩的计算方法如式(1)所示。
当0°<α<90°时,M 为总力矩,也就是扭转试 验机实际测到的总力矩将大于螺母轴向产生的实际锁紧力矩。随着心棒的不断拧入,Mn 会越来越大, 最终会影响试验数据的真实性。
3 试验工装夹具的设计
3.1 设计思路
为了使试验数据更真实、准确,研究设计了一套 全新的试验夹具。夹具的设计主要解决两个问题: ① 试样装夹同轴度不满足试验要求的问题;② 如 何能在安装的过程中有效地保护螺纹,使其保持原 有状态的问题。
目前,扭转试验机两端的夹持结构多为三爪自 定心卡盘,该种卡盘利用了阿基米德螺旋线的等速 性进行设计,其最大优点是保证工件夹紧后能与力 矩 装 置 轴 线 保 持 较 高 的 同 轴 度[4]。 由 于 标 准 NASM1312-31中要求:夹具力矩装置轴线与试样 轴线同轴度的全跳动公差为0.254mm;力矩所在的 平面应与试样轴线垂直,偏差不大于3°。为保证同 轴度达到标准要求,可将夹具的外形设计成横截面 为正六边形的柱体,并在正六边形中心开孔,用于放 置螺母。由 于 30CrMnSiA 合 金 钢 具 有 良 好 的 强 度、韧性以及切削性能,且抗疲劳性能较好[5],因此 夹具材料选用30CrMnSiA 合金钢六方棒料,设备 选用普通车床或数控车削中心,通过钻孔、扩孔、精 镗孔等工序进行制孔加工。研究表明:将夹具六方 中心和中心孔同轴度压缩到?0.05mm 范围内,既 能保证用于放置螺母的孔的轴线和夹具六方中心的 同轴性,加工制造过程也相对容易实现,又不会因干 涉量过大而导致螺母放入时螺母外圆桶变形过大。
将螺纹的中心孔按照盲铆自锁螺母的不同规格 和长度进行定制。将中心孔的内部结构按照螺母的 外形进行精确加工,具体尺寸应根据螺母底部到螺 纹起始端的圆桶外径进行合理设计。由于过松的配 合无法进行装夹固定,过紧的配合又可能超过金属 材料的变形能力,中心孔对轴在配合面上的径向正 压力显著下降,因而造成松动[6],所以夹具和螺母的 配合形式选择过渡配合或者干涉配合形式,夹具孔 径公差控制在-0.1~0,使盲铆自锁螺母放入夹具 孔内时能和中心孔产生紧配合,并将螺母外圆桶产 生的径向压应力转化成较大的静摩擦力矩,有助于 防止试验过程中螺母随心棒旋转,从而实现固定螺 母的作用。经过研究,最终设计了一套专门用于此 类盲铆自锁螺母力矩试验的工装夹具(见图4)。
该套夹具既可省去抽枪安装的工序,从而避免了安装过程中工具对螺纹的破坏。同时,螺母76° 的椭圆锥肩部可以落在夹具 A(长半轴)、B(短半 轴)尺寸组成的椭圆孔内,再利用中心孔的过渡或干 涉配合可以有效地防止螺母转动,起到了固定的作 用。由于螺栓在拧入过程中给螺母施加一个向里的 力,拧出过程中有扭转试验机的后座作为支撑,托板 螺母也不会脱出(见图5)。
3.2 试验验证与设计改进
重新抽取5个同规格的螺母试样,在相同的试 验环境下,采用新设计的工装夹具再次进行锁紧力 矩、松脱力矩试验,试验数据如表2所示。
在验证过程中发现新设计的夹具能有效地解决 前期试验中出现的问题,安装也非常方便。但是出现 了一个新问题:按照原试验方法,螺母需要进行安装,螺母在安装过程中会因永久变形而产生一个鼓包,这 个鼓包和螺母的76°椭圆锥面能够很牢固地固定住夹 具,不会产生螺母从夹具中脱出的情况;使用新夹具 后省略了安装工作,螺母是直接放在孔里的,除了过 渡或干涉配合外没有其他专门的固定措施,螺母在反 复拧入、拧出过程中还是有脱出的情况发生。
经过研究分析,造成这种情况的主要原因是:最 初设计夹具时,夹具厚度是参考螺母夹层厚度来设 计的,没有充分考虑实际使用时夹具厚度对试验过 程的影响。夹具在螺母体外圆桶面上产生的摩擦力 与接触面积和孔内壁的干涉量有密切关系。由于过 渡和干涉配合条件下螺母外圆桶和夹具中心孔的应 变量非常微小,因此可考虑将紧配合干涉量在夹具 中心孔或螺母外圆桶上产生的应力简化为与应变的 线性关系(这是由于夹具材料采用的是热处理强度 大小于1100 MPa的30CrMnSiA 合金钢,而螺母 材料为304或305不锈钢),即采用σN= EεN(σN 为 螺母体上的应力;E 为螺母材料的弹性模量;εN 为 螺母体上的产生应变)近似。因此主要的应变发生 在螺母外圆桶上,若忽略76°圆锥肩的接触部分,则 静摩擦力在螺母体上产生的静摩擦扭矩(Mf)如式 (2)所示。
式中:fN 为夹具内孔与螺母外圆桶接触面之间的静 摩擦力;D 为 螺 母 外 圆 桶 直 径 或 夹 具 内 孔 公 称 内 径;μ 为夹具内孔与螺母外圆桶接触面之间的静摩 擦系数;f 为夹具内孔干涉量与内孔应变之间的系 数;εN 为夹具内孔的应变量;Δε 为夹具内孔设计干 涉量;H 为夹具内孔与螺母外圆桶接触面厚度;EN 为螺母材料的弹性模量。
由式(2)可以看出,在其他参数基本不变的情况 下,由于最初设计的夹层厚度与螺母外圆桶的接触 面积(S=πD×H)太小,紧配合产生的摩擦力不足 以抵抗螺母锁紧试验时心棒拧入、拧出与螺纹之间 产生的摩擦力矩以及锁紧结构产生的锁紧力矩之 和。因此,螺母在反复拧入、拧出的过程中容易产生 滑动而脱出。
最终通 过 研 究,决 定 对 H 和 Δε 进 行 适 当 调 整,增大夹具中心孔与螺母外圆桶之间的接触面积, 进而增大紧配合产生的摩擦力,以解决螺母拧入、拧 出过程的脱出问题(见图6)。
完成夹具改进后,再次随机抽取5个螺母试样, 在相同的试验环境件下再次进行锁紧力矩、松脱力矩试验,试验数据如表3所示。
从表3可以看出:加深中心孔的深度等于是增 大了夹具与螺母外圆桶之间的接触面积,增大接触 面积进而增大摩擦阻力避免了螺母脱出情况的发 生。通过对试验夹具的改进设计,有效地解决了力 矩试验中遇到的新问题。通过对不同规格螺母的试 验,无论是从试验数据的稳定性还是试验一次成功 率上都较之前的试验方法有了很大的提升。
在自主开展试验的同时,调取该产品国外同行 质量证明文件中的试验数据与其进行对比,发现同 一规格的盲铆自锁螺母的新夹具试验所得的数据和 国外同行试验数据更为接近,这也从另一方面验证 了这种基于外形结构的标准件试验工装夹具设计的 有效性[7]。
4 结语
针对新型盲铆自锁螺母在锁紧性能试验中遇到 的试验数据波动较大的实际工程问题,开展了较为 深入的研究,通过对现有的试验过程进行分析,找出 了数据波动较大的原因为:试验工装夹具设计不合 理,紧固件在试验过程中出现螺纹损坏以及同轴度 偏差较大的问题。根据该类新型标准件的新结构特点,利用静摩擦力产生的摩擦力矩抵抗螺母锁紧结 构的锁紧力矩的原理,研究设计了一种专用试验工 装夹具。经过试验验证,发现设计缺陷并进行优化 改进。该试验夹具目前已经在试验过程中进行了推 广,有效地提升了试验的准确性,避免了对产品质量 的误判,保证了产品的质量。
新型工装夹具的设计为提高其他新型标准件试 验的准确性打开了思路,针对新型标准件的不断出 现,应打破传统的工作思路,根据新型标准件的特 点,找到更准确的试验方法,提升试验的准确性,更 好地控制产品质量。
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