分享：盲鉚自鎖螺母鎖緊性能試驗工裝夾具設計
摘 要:新型盲鉚自鎖螺母在鎖緊性能試驗中數(shù)據(jù)波動較大,通過對盲鉚自鎖螺母的安裝形式、 結構和試驗過程進行受力分析,找出了問題的主要原因是:試驗工裝夾具設計不合理、緊固件在試 驗過程中出現(xiàn)螺紋損壞以及同軸度偏差較大。為此設計了一種既符合標準要求,又能提高該螺母 鎖緊性能試驗準確性的免安裝試驗工裝夾具,可為其他的標準件試驗夾具的設計提供思路。
關鍵詞:緊固件;盲鉚自鎖螺母;鎖緊性能;夾具設計
中圖分類號:TG751.9 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)05-0070-04
盲鉚自鎖螺母是一種利用螺母鉚裝變形和螺紋 緊固原理裝配的自鎖螺母,與傳統(tǒng)緊固件裝配需要 接觸結構和接頭部位兩側相比,盲鉚自鎖螺母只需 要進入接頭一側即可。盲鉚自鎖螺母具有安裝時無 需進行熱焊、安裝成本低、安裝過程對結構表面損傷 風險低 且 非 常 適 合 近 端 結 構 部 位 使 用 等 諸 多 優(yōu) 點[1],是塑料、玻璃和復合材料等較軟材料裝配螺母 的理想選擇。
1 盲鉚自鎖螺母與普通螺母的區(qū)別
從圖1可以看出:盲鉚自鎖螺母的結構和外形 同常規(guī)的內螺紋緊固件相比有很大的差別,盲鉚自 鎖螺母通體為管狀,且接觸肩部帶有一個(76±1)° 的錐面,外圓為不規(guī)則的橢圓。
盲鉚自鎖螺母在安裝方式上也與普通螺母有很 大的差別:普通螺母直接和螺栓配合,需施加一定的 扭矩達到緊固作用;盲鉚自鎖螺母需要先將管狀的 螺母插入預先制好的孔中并旋入心軸,再用抽槍對 心軸施加軸向拉力,使螺母產(chǎn)生永久變形(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裝扭矩達到緊固效果。
2 盲鉚自鎖螺母鎖緊性能試驗
2.1 試驗方法
為檢驗該類盲鉚自鎖螺母的鎖緊性能指標,從 編號為 NAS1734,規(guī)格為4L6的同一批次產(chǎn)品中隨 機抽取5個試樣進行鎖緊力矩、松脫力矩試驗。試 驗條件均為室溫,試驗設備均為某國產(chǎn)自鎖螺母鎖 緊性能試驗機,試驗夾具為傳統(tǒng)的開槽套筒。試驗 方法 依 據(jù) NASM 1312-31FastenerTestMethods Method 31 Torque 的 要 求,試 驗 的 技 術 條 件 為 NASM 25027—2012 Nut,Self-locking,250°F, 450°F,and800°F。
2.2 試驗結果
鎖緊和松脫力矩的試驗結果如表1所示,標準 NASM25027—2012中要求的鎖緊 和 松 脫 力 矩 為 0.3955~3.39N·m。
從表1可以看出:鎖緊力矩在0.77~3.26N·m 內波 動,波 動 極 差 可 達 2.49 N·m;松 脫 力 矩 在 0.47~3.08N·m 內波動,波動極差可達2.61N·m, 試驗數(shù)據(jù)非常不穩(wěn)定。
2.3 問題分析
觀察試驗過程,對試驗數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)造成 試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因有以下兩個方面。
2.3.1 螺紋損傷
該類盲鉚自鎖螺母需要進行軸向載荷和鎖緊性 能等力學性能試驗。在試驗的準備階段會選取和螺 母同規(guī)格,及和螺母外形相配的特制工裝夾具,并將 螺母預安裝在該工裝夾具上形成一個整體。由于鎖 緊性能試驗主要檢查的是螺紋收口的質量和自鎖性 能的一致性,而在抽槍時產(chǎn)生的拉力作用下,收口部 位的鎖緊結構和螺紋會造成損傷,從而對鎖緊力矩 值的測量產(chǎn)生不良影響,影響試驗結果的一致性和 有效性,且可能導致試驗結果不符合標準要求,對產(chǎn)品質量合格與否產(chǎn)生誤判,直接影響實驗室環(huán)境測 量系統(tǒng)的有效性。由于盲鉚自鎖螺母在安裝過程中 螺紋已經(jīng)不再是初始狀態(tài),因此無法準確地判定該 螺母初始狀態(tài)的性能是否滿足標準要求。
2.3.2 扭矩同軸度
盲鉚自鎖螺母的結構外形和普通螺母外形存在 較大的差異,普通的套筒無法對其進行定位安裝,目 前試驗采用的是開槽套筒+手工修銼橢圓錐面的方 式對托板螺母進行限位(見圖2)。由于手工修銼的 方式無法保證試樣修銼部位兩側材料的去除量完全 對稱,且用傳統(tǒng)的檢驗方法也難以準確地測量修銼 尺寸,因此在試驗過程中,螺母和心棒的中心線偏移 與產(chǎn)生的力矩(M)不同軸,從而影響試驗鎖緊力矩 測量結果的真實性,進而導致試驗結果不準確。從 受力分析來看,扭轉試驗機具備一定的對中自調節(jié)能 力,當不同軸角度(α)很小時,通過扭轉試驗機的自動 對中,試驗結果的影響可以忽略不計。但當不同軸角 度超過試驗機自調節(jié)能力時,試樣所受的總力矩就不 再是單一的 M,而是由兩個相互垂直的 Mτ(法相扭 矩)和 Mn(徑向扭矩)構成[2]。試樣的受力分析如 圖3所示[3],力矩的計算方法如式(1)所示。
當0°<α<90°時,M 為總力矩,也就是扭轉試 驗機實際測到的總力矩將大于螺母軸向產(chǎn)生的實際鎖緊力矩。隨著心棒的不斷擰入,Mn 會越來越大, 最終會影響試驗數(shù)據(jù)的真實性。
3 試驗工裝夾具的設計
3.1 設計思路
為了使試驗數(shù)據(jù)更真實、準確,研究設計了一套 全新的試驗夾具。夾具的設計主要解決兩個問題: ① 試樣裝夾同軸度不滿足試驗要求的問題;② 如 何能在安裝的過程中有效地保護螺紋,使其保持原 有狀態(tài)的問題。
目前,扭轉試驗機兩端的夾持結構多為三爪自 定心卡盤,該種卡盤利用了阿基米德螺旋線的等速 性進行設計,其最大優(yōu)點是保證工件夾緊后能與力 矩 裝 置 軸 線 保 持 較 高 的 同 軸 度[4]。 由 于 標 準 NASM1312-31中要求:夾具力矩裝置軸線與試樣 軸線同軸度的全跳動公差為0.254mm;力矩所在的 平面應與試樣軸線垂直,偏差不大于3°。為保證同 軸度達到標準要求,可將夾具的外形設計成橫截面 為正六邊形的柱體,并在正六邊形中心開孔,用于放 置螺母。由 于 30CrMnSiA 合 金 鋼 具 有 良 好 的 強 度、韌性以及切削性能,且抗疲勞性能較好[5],因此 夾具材料選用30CrMnSiA 合金鋼六方棒料,設備 選用普通車床或數(shù)控車削中心,通過鉆孔、擴孔、精 鏜孔等工序進行制孔加工。研究表明:將夾具六方 中心和中心孔同軸度壓縮到?0.05mm 范圍內,既 能保證用于放置螺母的孔的軸線和夾具六方中心的 同軸性,加工制造過程也相對容易實現(xiàn),又不會因干 涉量過大而導致螺母放入時螺母外圓桶變形過大。
將螺紋的中心孔按照盲鉚自鎖螺母的不同規(guī)格 和長度進行定制。將中心孔的內部結構按照螺母的 外形進行精確加工,具體尺寸應根據(jù)螺母底部到螺 紋起始端的圓桶外徑進行合理設計。由于過松的配 合無法進行裝夾固定,過緊的配合又可能超過金屬 材料的變形能力,中心孔對軸在配合面上的徑向正 壓力顯著下降,因而造成松動[6],所以夾具和螺母的 配合形式選擇過渡配合或者干涉配合形式,夾具孔 徑公差控制在-0.1~0,使盲鉚自鎖螺母放入夾具 孔內時能和中心孔產(chǎn)生緊配合,并將螺母外圓桶產(chǎn) 生的徑向壓應力轉化成較大的靜摩擦力矩,有助于 防止試驗過程中螺母隨心棒旋轉,從而實現(xiàn)固定螺 母的作用。經(jīng)過研究,最終設計了一套專門用于此 類盲鉚自鎖螺母力矩試驗的工裝夾具(見圖4)。
該套夾具既可省去抽槍安裝的工序,從而避免了安裝過程中工具對螺紋的破壞。同時,螺母76° 的橢圓錐肩部可以落在夾具 A(長半軸)、B(短半 軸)尺寸組成的橢圓孔內,再利用中心孔的過渡或干 涉配合可以有效地防止螺母轉動,起到了固定的作 用。由于螺栓在擰入過程中給螺母施加一個向里的 力,擰出過程中有扭轉試驗機的后座作為支撐,托板 螺母也不會脫出(見圖5)。
3.2 試驗驗證與設計改進
重新抽取5個同規(guī)格的螺母試樣,在相同的試 驗環(huán)境下,采用新設計的工裝夾具再次進行鎖緊力 矩、松脫力矩試驗,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。
在驗證過程中發(fā)現(xiàn)新設計的夾具能有效地解決 前期試驗中出現(xiàn)的問題,安裝也非常方便。但是出現(xiàn) 了一個新問題:按照原試驗方法,螺母需要進行安裝,螺母在安裝過程中會因永久變形而產(chǎn)生一個鼓包,這 個鼓包和螺母的76°橢圓錐面能夠很牢固地固定住夾 具,不會產(chǎn)生螺母從夾具中脫出的情況;使用新夾具 后省略了安裝工作,螺母是直接放在孔里的,除了過 渡或干涉配合外沒有其他專門的固定措施,螺母在反 復擰入、擰出過程中還是有脫出的情況發(fā)生。
經(jīng)過研究分析,造成這種情況的主要原因是:最 初設計夾具時,夾具厚度是參考螺母夾層厚度來設 計的,沒有充分考慮實際使用時夾具厚度對試驗過 程的影響。夾具在螺母體外圓桶面上產(chǎn)生的摩擦力 與接觸面積和孔內壁的干涉量有密切關系。由于過 渡和干涉配合條件下螺母外圓桶和夾具中心孔的應 變量非常微小,因此可考慮將緊配合干涉量在夾具 中心孔或螺母外圓桶上產(chǎn)生的應力簡化為與應變的 線性關系(這是由于夾具材料采用的是熱處理強度 大小于1100 MPa的30CrMnSiA 合金鋼,而螺母 材料為304或305不銹鋼),即采用σN= EεN(σN 為 螺母體上的應力;E 為螺母材料的彈性模量;εN 為 螺母體上的產(chǎn)生應變)近似。因此主要的應變發(fā)生 在螺母外圓桶上,若忽略76°圓錐肩的接觸部分,則 靜摩擦力在螺母體上產(chǎn)生的靜摩擦扭矩(Mf)如式 (2)所示。
式中:fN 為夾具內孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜 摩擦力;D 為 螺 母 外 圓 桶 直 徑 或 夾 具 內 孔 公 稱 內 徑;μ 為夾具內孔與螺母外圓桶接觸面之間的靜摩 擦系數(shù);f 為夾具內孔干涉量與內孔應變之間的系 數(shù);εN 為夾具內孔的應變量;Δε 為夾具內孔設計干 涉量;H 為夾具內孔與螺母外圓桶接觸面厚度;EN 為螺母材料的彈性模量。
由式(2)可以看出,在其他參數(shù)基本不變的情況 下,由于最初設計的夾層厚度與螺母外圓桶的接觸 面積(S=πD×H)太小,緊配合產(chǎn)生的摩擦力不足 以抵抗螺母鎖緊試驗時心棒擰入、擰出與螺紋之間 產(chǎn)生的摩擦力矩以及鎖緊結構產(chǎn)生的鎖緊力矩之 和。因此,螺母在反復擰入、擰出的過程中容易產(chǎn)生 滑動而脫出。
最終通 過 研 究,決 定 對 H 和 Δε 進 行 適 當 調 整,增大夾具中心孔與螺母外圓桶之間的接觸面積, 進而增大緊配合產(chǎn)生的摩擦力,以解決螺母擰入、擰 出過程的脫出問題(見圖6)。
完成夾具改進后,再次隨機抽取5個螺母試樣, 在相同的試驗環(huán)境件下再次進行鎖緊力矩、松脫力矩試驗,試驗數(shù)據(jù)如表3所示。
從表3可以看出:加深中心孔的深度等于是增 大了夾具與螺母外圓桶之間的接觸面積,增大接觸 面積進而增大摩擦阻力避免了螺母脫出情況的發(fā) 生。通過對試驗夾具的改進設計,有效地解決了力 矩試驗中遇到的新問題。通過對不同規(guī)格螺母的試 驗,無論是從試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性還是試驗一次成功 率上都較之前的試驗方法有了很大的提升。
在自主開展試驗的同時,調取該產(chǎn)品國外同行 質量證明文件中的試驗數(shù)據(jù)與其進行對比,發(fā)現(xiàn)同 一規(guī)格的盲鉚自鎖螺母的新夾具試驗所得的數(shù)據(jù)和 國外同行試驗數(shù)據(jù)更為接近,這也從另一方面驗證 了這種基于外形結構的標準件試驗工裝夾具設計的 有效性[7]。
4 結語
針對新型盲鉚自鎖螺母在鎖緊性能試驗中遇到 的試驗數(shù)據(jù)波動較大的實際工程問題,開展了較為 深入的研究,通過對現(xiàn)有的試驗過程進行分析,找出 了數(shù)據(jù)波動較大的原因為:試驗工裝夾具設計不合 理,緊固件在試驗過程中出現(xiàn)螺紋損壞以及同軸度 偏差較大的問題。根據(jù)該類新型標準件的新結構特點,利用靜摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩抵抗螺母鎖緊結 構的鎖緊力矩的原理,研究設計了一種專用試驗工 裝夾具。經(jīng)過試驗驗證,發(fā)現(xiàn)設計缺陷并進行優(yōu)化 改進。該試驗夾具目前已經(jīng)在試驗過程中進行了推 廣,有效地提升了試驗的準確性,避免了對產(chǎn)品質量 的誤判,保證了產(chǎn)品的質量。
新型工裝夾具的設計為提高其他新型標準件試 驗的準確性打開了思路,針對新型標準件的不斷出 現(xiàn),應打破傳統(tǒng)的工作思路,根據(jù)新型標準件的特 點,找到更準確的試驗方法,提升試驗的準確性,更 好地控制產(chǎn)品質量。
參考文獻:
[1] 崔明慧.波音737飛機緊固件的應用研究[J].航空制 造技術,2013,56(13):96-99.
[2] 王斌,胡國林,郭釗.試驗機同軸度對金屬材料彈性模 量測量 的 影 響 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2021,57 (4):12-14.
[3] 司春杰.淺談試樣傾斜對拉伸試驗結果的影響[J].冶 金分析,2004(增刊2):505-508.
[4] 安虎平,張志梅,王黎萍.三爪卡盤機構及其夾緊力模 型分析[J].制造技術與機床,2020(6):89-95.
[5] 嚴金鳳,申小平,荊琴.航空合金鋼30CrMnSiA 深孔 鉆削預測模型研究[J].南昌航空大學學報(自然科學 版),2019,33(1):86-90.
[6] 王泓.軸與孔緊配合連接采用復合裝配工 藝 的 分 析 [J].機械科學與技術,1997,26(4):45-26.
[7] 劉錫貝,馬輝,王斌,等.反復彎曲試驗夾具的改進及 應用[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(2):28-30.
<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 5期 (pp:70-73)>
浙公網(wǎng)安備 33042402000106號
