镁合金基体螺纹扭拉特性及重复使用性研究

孟德浩, 张超颖, 袁文全, 闫 路, 闫 冰

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 概述

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良等优点，在航空航天等对质量要求苛刻的领域中应用不断增多[1-4]。随着航天事业的发展，航天运载器等对螺纹连接的可靠性提出了越来越高的要求[5-6]。镁合金的强度一般在400MPa以下，基体相对较软，镁合金基体螺纹连接结构的扭拉特性及重复使用性能对镁合金结构连接可靠性具有重要影响，目前对于镁合金特别是应用在箭体结构上的新型高强耐热镁合金的螺纹连接结构的研究还鲜有报道。

影响螺纹连接可靠性的实质是预紧力，但预紧力无法直接测量，工程上一般通过控制力矩来间接实现预紧力的控制[5]。紧固件的扭拉关系试验是研究螺纹紧固件安装力矩和轴向预紧力之间关系的一种试验方法[7]，研究镁合金基体螺纹的扭拉关系对于了解连接结构的破坏形式及力矩量化控制具有重要意义。另外，测试镁合金基体螺纹的重复使用性能，对于镁合金基体螺纹的使用规范也具有重要意义。

本文以高强耐热镁合金为基体材料，在其上制螺纹，并与不同规格的螺栓配合，研究了镁合金带钢丝螺套及不带钢丝螺套情况下和常用螺栓的扭拉关系和重复使用性能。

1 试验准备

1.1 试验件设计

在镁合金试板上制螺纹孔，模拟螺母，在薄铝板上制光孔模拟被连接件，扭拉关系试验安装示意图见图1，其中夹具夹层用于测量轴向预紧力，试验件实物见图2。

连接结构的螺纹规格为M4、M6、M8、M10和M12，一组试验件直接采用基体螺纹和螺栓配合使用，另一组试验件在基体螺纹上安装钢丝螺套，两组试验件都没有采取润滑措施。M4、M6和M8螺栓表面镀层为镀锌，M10和M12螺栓表面镀层为镀镉。

图1 扭拉关系试验安装示意图Fig.1 Schematic diagram of torsion-tension relation test

图2 扭拉关系试验件Fig.2 Test pieces of torsion-tension relation test

1.2 试验方法

试验采用德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统[8]，扭拉试验装置的示意图见图3。通过试验机均匀施加扭矩拧紧螺栓，通过总扭矩-角度传感器测量得到总扭矩，通过轴向力-螺纹扭矩复合传感器可以测到螺纹副扭矩和预紧力F，通过总扭矩、螺纹副扭矩及夹紧力可以计算出扭矩系数、螺纹副摩擦系数等参数，试验原理及计算公式见GB/T 16823.3-2010《紧固件 扭矩-夹紧力试验》。

工程中，拧紧力矩N与螺栓轴向预紧力F的关系通常按以下经验公式进行拟合，以此得到扭矩系数K，扭矩系数K反映了螺纹连接的扭拉特性[9-10]。

N=K·d·F

(1)

其中，d为螺纹公称直径。

图3 扭拉关系试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the torsion-tension relation test device

2 安装力矩研究

当力矩较小时，力矩和预紧力成线性关系，随着力矩增加，材料发生屈服或零件发生变形，导致力矩和预紧力不再成线性增长，转折点记为屈服力矩。随着力矩继续增大，连接结构最终发生破坏，破坏值记为破坏力矩。

首先研究了不同规格试验件的屈服力矩和破坏力矩，每种规格子样为5个。对试验结果进行分析，得到以下结论：

1)M8及以下规格主要为螺钉断裂，平垫压溃，见图4；平垫为08Al钢，强度不大于400MPa，屈服点主要是该垫片引起的；通过提高垫片的强度可以进一步提高屈服力矩。M10和M12的破坏主要为镁合金基体拉脱和平垫破坏，见图5，说明随着螺栓承载能力的提高，基体的剪切破坏首先发生。

2)以不带螺套的M4规格试验件为例，螺栓长度L=5和L=10时的平均屈服力矩分别为3.3N·m(离散系数为7.0%)和3.9N·m(离散系数为1.5%)，平均破坏力矩分别为5.0N·m(离散系数为5.2%)和6.6N·m(离散系数为4.8%)，可知相比于L=10，螺栓长度L=5时平均屈服力矩和破坏力矩只有85%和75%，说明适当增加螺纹配合长度可以提高承载能力15%～25%，这主要是由于配合长度增加后，可以适当降低前几扣螺纹的承载；长度增加1倍，承载只提高了15%～25%，验证了普通螺纹的承载主要集中在前几扣，而不是均匀分布在各个螺纹上。

图4 M6试验件破坏形式Fig.4 The destruction form of the M6 test piece

图5 M10试验件破坏形式Fig.5 The destruction form of the M10 test piece

3 扭矩系数分析

为了测量扭矩系数K，按规定的安装力矩在试验装置上进行扭拉试验，每种规格试验件有3个子样，每个子样重复进行了6次试验,典型试样的扭拉关系曲线见图6，不同试验件的平均K值统计见图7,典型子样数据见图8～图11。

由图7可知，M8及以下的试验件，带钢丝螺套的试验件的扭矩系数K的平均值比镁基体螺纹(不带钢丝螺套)的略大，而M10及M12的试验件，镁基体螺纹试验件的K值反而略大；对于镁基体螺纹，M10和M12试验件下K值最大，可能是螺栓镀层差异引起的(M8及以下螺栓表面处理为镀锌，M10及M12螺栓表面处理为镀镉)。

图6 典型试样的扭拉关系曲线Fig.6 Torsion-tension curves of typical samples

图7 不同螺纹规格的扭矩系数KFig.7 Torque coefficient K of different test pieces

分别以M8和M12两种规格为例，统计了每种规格下3个试样测得的K值，见图8～图11。由图8～图11可知，M8规格的试验件，无论带钢丝螺套与否，K值随着试验次数的增加无明显增大的趋势；而M12规格的试验件，无论带钢丝螺套与否，K值随着试验次数的增加有明显增加的趋势，原因是随着试验次数增加，螺栓镀镉层易脱落，造成螺纹副摩擦力矩增大，从而导致K值增加。

考虑到随着试样次数增加，部分规格试验件K值会增加，因此统计了不同试验次数3个子样K值的离散系数，然后求平均值，具体见表1。由表1可知，不同规格试验件K值的离散系数最大为12.6%，大部分在10%以下，主要是由装配及试验误差引起的。

表1 扭矩系数K的离散系数

图8 M8不带钢丝螺套下扭矩系数K随试验次数的变化Fig.8 Torque coefficient K versus test count of M8 test pieces without wire threaded sleeve

图9 M8带钢丝螺套下的扭矩系数K随试验次数的变化Fig.9 Torque coefficient K versus test count of M8 test pieces with wire threaded sleeve

图10 M12不带钢丝螺套下的扭矩系数K的变化Fig.10 Torque coefficient K versus test count of M12 test pieces without wire threaded sleeve

图11 M12带钢丝螺套下的扭矩系数K的变化Fig.11 Torque coefficient K versus test count of M12 test pieces with wire threaded sleeve

4 重复使用性能

为了研究镁合金基体螺纹的重复使用性能，在不带钢丝螺套的情况下，按前述安装力矩用螺栓进行15次拆卸试验，每5次试验后用螺纹通止规检查镁合金基体螺纹，通止规有一个检测不合格即视为螺纹损坏。

试验结果显示，M8及以下规格的试验件，通过15次重复拆卸，通止规检测合格；M10及M12的试验件重复5次后，通止规检测即不合格，如果继续重复拆卸，随着拆卸次数增多，发现螺栓镀层脱落，螺纹上有金属屑，转动困难，有咬死趋势。通过分析螺纹副的摩擦系数可以发现(见图12、图13)，镀锌螺栓(M8及以下规格)随着拧入次数增加，螺纹副摩擦系数基本不变，而镀镉螺栓(M10及M12规格)随着拧入次数增加，螺纹副摩擦系数逐渐变大，主要原因是镀镉层耐摩性不好，易脱落，影响重复使用性能。上述分析表明，螺纹副摩擦系数的变化是引起K值变化的原因。

图12 M8镀锌螺栓试验件螺纹副摩擦系数变化Fig.12 Friction coefficient of thread pair of M8 test piece

图13 M12镀镉螺栓试验件螺纹副摩擦系数变化Fig.13 Friction coefficient of thread pair of M12 test piece

考虑到镁合金电子电位低，易和异质金属发生电偶腐蚀，一般镁合金基体螺纹长期使用时应考虑防护措施，如涂胶密封、镀微弧氧化层等措施。

5 结论

研究了不同螺纹规格镁合金基体的扭拉破坏形式、扭矩系数和重复使用性能，主要结论如下：

1)M8及以下规格试验件扭拉破坏形式主要为螺钉断裂，平垫压溃，M10和M12规格的试验件扭拉破坏主要为镁合金基体拉脱和平垫破坏，说明随着螺栓承载能力的提高，镁合金基体发生了剪切破坏。

2)平弹垫连接方式下，随着拧紧力矩增加，由于弹垫的挤压，平垫易首先发生屈服和变形，导致连接结构的屈服力矩下降，承载性能降低。

3)镁合金基体螺纹带钢丝螺套和不带钢丝螺套下的扭矩系数略有差异，都在0.3左右，为镁合金螺纹的力矩量化控制提供了依据。

4)镀镉螺栓在重复使用时，镀层易脱落，导致螺纹副摩擦增大，扭矩系数K增大，随着使用次数的增多有发生咬死的风险。