基于润滑的楔形螺纹紧固件扭拉性能试验研究

张雪峰，刘娅婷，陈春明，王帅飞，佟文敏, 王 婕

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京首航科学技术开发有限公司，北京 100076；3.四川航天长征装备制造有限公司，成都 610100)

0 引言

楔形螺纹作为一种具有斜面齿型特点的新型特种螺纹结构，具有显著的6万次振动循环不松脱的高防松特性，在国内外高速铁路运输装备、地面车辆装备和航空航天工业等民用和国防领域具有广泛的应用。针对楔形螺纹结构，张永华等对楔形螺纹的牙型、尺寸公差、内外螺纹的配合位置、螺纹丝锥等提出了详细要求；国内外标准对楔形螺纹的基本牙型和工作原理等进行了详细分析；刘远模用解析几何方法讨论了楔形螺纹的直径、塞规牙顶宽度和公差带等问题。

随着楔形螺纹紧固件的广泛应用，其固有的螺栓齿顶与楔形螺纹斜面线接触模式，存在无润滑状态下线面接触磨损大等现象，尤其是在由于大直径薄壁结构变形，导致的圆周周向对中不佳的使用环境中，存在磨屑引发螺纹磨损、黏滞冷焊等风险。与此同时，14Cr17Ni2材料作为马氏体不锈钢中一种高强、高韧的材料，在航天产品上的应用日益广泛，是生产楔形螺纹紧固件的一种较优选择。随着航天工程应用的不断拓展，针对14Cr17Ni2不锈钢材料楔形螺纹连接过程中易受润滑因素的影响，引起预紧力波动和螺纹磨损等现象，非常有必要进行润滑状态下的楔形螺纹扭拉特性研究。

本文选取GH4169高温合金螺栓与14Cr17Ni2不锈钢螺母在不同润滑条件、相同安装力矩条件下进行50次扭拉性能试验，对不同润滑条件下的扭拉系数、预紧力和螺纹磨损情况等进行试验研究，探索规律以进一步提高螺纹连接结构的可靠性。

1 楔形螺纹结构模型与润滑方式

1.1 结构模型

楔形螺纹结构模型如图1所示，其大径上有一个30°斜面，具有斜面齿型的特点。当螺栓螺纹与螺母螺纹结合紧密时，螺栓的普通螺纹牙尖就紧紧地顶在螺母楔形螺纹30°楔形斜面上，在30°斜面的力学转化作用下，产生较普通螺纹更大的预紧力，即产生相同螺栓轴向力的作用下，楔形螺纹螺母与普通螺纹螺栓之间产生的作用力为2，是普通螺纹的1.7倍，具有更好的紧固连接效果。在振动试验中，较传统3万次振动循环不松脱，具有6万次甚至9万次振动循环不松脱的防松优势。与此同时，从图1中可以看出，螺栓齿顶与楔形螺纹斜面之间，与传统的面接触方式不同，为线接触模式。在无润滑状态下，线接触磨损的磨屑在多次反复安装中会存在堆积风险。

图1 楔形螺纹结构模型Fig.1 Structure model of wedge thread

1.2 力学模型

在“螺栓+加持材料+螺母”的组合安装结构中，安装力矩转化为螺栓螺母螺旋副产生的摩擦力矩、螺栓头底部接触面的接触摩擦力矩和螺旋副正压力水平分力产生的分力矩。在螺栓螺母结构组合中增加涂覆镀层、油脂等润滑因子后，会造成扭拉系数减小，使螺纹旋合面的摩擦力矩减小。在总安装力矩不变的情况下，螺栓预紧力正压力将增加。其力学模型为

式中,为拧紧力矩；为轴向拉力；为螺纹外径；螺纹平均直径；为螺纹上升角；tg=π，其中为螺距；为螺纹摩擦角;tg=，其中为螺栓与螺母间的摩擦系数；为螺母与其支撑面间的摩擦系数；为螺栓下底圆直径。

1.3 润滑方式

在机械产品中，增加润滑环节可以有效减少机械接触摩擦，预防咬死，提高装配效率，保证结构连接的质量和可靠性。紧固件类产品中常用的润滑剂为二硫化钼、十六醇、中性润滑脂和银镀层等。其中，二硫化钼是一种银灰色光泽的黑色粉末，六方晶系结晶。在紧固件类产品的使用中，一般将二硫化钼与环氧类热固性树脂、固化剂、稀释剂等进行充分混合，通过喷涂或浸泡的方式使其附着在紧固件表面，加热固化后在其表面上形成二硫化钼干膜润滑层，常用于自锁螺母的润滑。十六醇是一种极性蜡类润滑剂，以干膜形态黏附在紧固件表面，常用于环槽铆钉、抽芯铆钉和高锁紧固件的润滑。中性润滑脂作为一种螺纹润滑剂，在润滑和防腐方面具有良好的使用效果，一般在装配前涂在螺纹上。银镀层润滑可在870℃环境下使用，是一种良好的高温润滑剂，可有效提升高温润滑性。

鉴于楔形螺纹紧固件主要在常温条件下进行装配，通常需进行大批量装配，以实现20次以上反复拆装，基于常用的中性润滑脂和二硫化钼润滑方式，提出螺栓表面涂润滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面仅螺纹涂MoS与螺栓表面整体涂MoS等4种润滑方式进行对比试验研究。

2 试验件与试验方法

2.1 试验材料和试验件

试验选取GH4169高温合金作为螺栓材料，14Cr17Ni2不锈钢作为螺母材料生产相关试验件。试验件包括4组GH4169高温合金M8×60 螺栓和M8×1.25的14Cr17Ni2不锈钢楔形螺纹螺母，夹持材料为铝合金。试验件状态如表1所示，对润滑部位、润滑介质、夹持材料和配合的试验件状态等进行了说明。

表1 试验件状态

2.2 试验方法

参照GB/T16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》方法，利用扭拉试验机进行不同润滑方式下50次拧入拧出扭拉试验，以探索扭拉系数、螺栓预紧力等参数随拧入次数的变化规律。重点观察润滑因素对扭拉系数和螺栓连接预紧力的影响。试验过程中，每次循环施加预定装配力矩35 N·m，测定螺栓螺母组合紧固件在拧紧过程中的扭拉系数，同时获取特定连接状态下的扭拉关系曲线。扭拉试验结束后，对螺栓螺纹的磨损情况进行观察和对比分析。

3 试验结果分析

3.1 扭拉系数的影响

润滑因素对GH4169高温合金材料与14Cr17Ni2不锈钢材料间扭拉系数影响的试验，按照螺栓表面涂润滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面仅螺纹涂MoS与螺栓表面整体涂MoS等4种润滑方式，进行50次拧入拧出扭拉试验，对扭拉系数进行测量。

扭拉系数的变化能够反映出各种润滑状态下螺栓螺纹旋合过程中摩擦情况的变化规律，进而反映出预紧力的变化规律。扭拉系数测量结果如表2所示。可以看出，螺栓表面仅螺纹涂MoS状态下扭拉系数最大，前5次扭拉系数平均值为0.456，前10次扭拉系数平均值为0.462，差值波动小于0.01，具有较好的数据稳定性；螺栓表面整体涂MoS状态下扭拉系数最小，前5次扭拉系数平均值为0.17，前10次扭拉系数平均值为0.2，具有一定的波动离散性；螺栓表面涂润滑脂和螺母表面涂MoS状态下，扭拉系数平均值介于上述两种润滑状态区间，具有一定的离散波动性。

表2 不同润滑条件下的扭拉系数

螺栓表面仅螺纹涂MoS和螺栓表面整体涂MoS，区别在于螺栓头接触端面有无润滑，其对比可以看出，螺栓头接触端面的摩擦对扭拉系数存在较大的影响，通过整体涂MoS可以有效降低扭拉系数，即实现较小安装力矩下的等效预紧力。

螺母表面涂MoS的扭拉系数介于螺栓表面仅螺纹涂MoS和螺栓表面整体涂MoS之间，可实现与螺栓表面仅螺纹涂MoS相当的预紧力效果，有利于在螺母大批量生产过程中，进行MoS涂覆工艺准备和生产。相比涂覆MoS，螺栓表面涂润滑脂同样可实现较好的预紧，可在单次操作中进行润滑操作。

扭拉系数测量曲线如图2～5所示。从数据曲线中可以看出，螺栓表面仅螺纹涂MoS时，扭拉系数值曲线较平稳，50次拧入拧出后扭拉系数值波动较小；螺栓表面整体涂MoS时，起始扭拉系数值最小，其次为螺母表面涂MoS，螺栓表面仅螺纹涂MoS时最大。

图2 扭拉系数Fig.2 Torsion and tension factor

图3 扭拉系数Fig.3 Torsion and tension factor

图4 扭拉系数Fig.4 Torsion and tension factor

图5 扭拉系数Fig.5 Torsion and tension factor

3.2 预紧力的影响

利用扭拉试验机进行GH4169高温合金螺栓与14Cr17Ni2不锈钢楔形螺纹螺母，在不同润滑条件、相同安装力矩条件下的扭拉试验，对螺栓预紧力进行测量，其对比数据如表3所示，不用润滑状态，相同安装力矩下的预紧力对比如图6所示。

表3 不同润滑状态下的预紧力

图6 预紧力对比Fig.6 Comparison of the pre-tightening force

从试验数据和对比图中可以看出，螺栓表面仅螺纹涂MoS状态下预紧力最小，前5次预紧力平均值为9.95 kN，前10次预紧力平均值为9.88 kN，差值小于0.1 kN，具有较好的数据稳定性；螺栓表面整体涂MoS状态下预紧力最大，前5次预紧力平均值为27.13 kN，前10次预紧力平均值为23.26 kN，具有一定的离散波动性；螺栓表面整体涂MoS，较螺栓表面仅螺纹涂MoS状态可有效扩大润滑接触面积，在相同的安装力矩下，可取得相比其他润滑方式更大的预紧力。

螺栓表面涂润滑脂和螺母表面涂MoS状态下，预紧力平均值介于上述两种润滑状态之间，具有一定的离散波动性。在不同润滑条件下预紧力有较大的变化范围，相同安装力矩下，试验测量的预紧力最大相差2.7倍，扭拉系数的测量结果对比相一致，即螺栓表面仅螺纹涂MoS状态下扭拉系数最大，螺栓表面整体涂MoS状态下扭拉系数最小。

3.3 螺栓螺纹磨损分析

利用扭拉试验机进行GH4169高温合金材料螺栓与14Cr17Ni2不锈钢楔形螺纹螺母，在不同润滑条件、相同安装力矩条件下的50次拧入拧出扭拉试验，对50次拧入拧出试验后螺栓螺纹的磨损情况进行检查，如图7～10所示。从检查情况可以看出，螺栓表面涂润滑脂时，试验螺栓表面磨损最轻，几乎无磨损；其次为螺栓仅螺纹涂MoS和螺栓表面整体涂MoS，再次为螺母涂MoS。从试验结果可以看出，在单次使用操作中，可利用螺栓表面涂润滑脂方式保护螺栓螺纹；在反复拆装的使用环境和涂覆MoS的状态下，为有效保证结构连接可靠、润滑的有效性和反复拆装性，可通过限制使用次数的方式保护螺栓螺纹。

图7 螺栓涂润滑脂螺栓磨损情况Fig.7 Wear of screw bolt under the condition that the screw bolt was greased

图8 螺母涂MoS2螺栓磨损情况Fig.8 Wear of screw bolt under the condition that the nut was coated with MoS2

图9 螺栓(仅螺纹)涂MoS2螺栓磨损情况Fig.9 Wear of screw bolt under the condition that only the thread of screw bolt was coated with MoS2

图10 螺栓(整体)涂MoS2螺栓磨损情况Fig.10 Wear of screw bolt under the condition that the whole screw bolt was coated with MoS2

4 结论

针对无润滑状态下楔形螺纹紧固件线面接触磨损大现象，开展了螺栓表面涂润滑脂、螺母表面涂MoS、螺栓表面仅螺纹涂MoS与螺栓表面整体涂MoS等4种润滑方式下的扭拉性能试验。

从试验结果可以看出，螺栓表面涂润滑脂时，试验螺栓螺纹磨损最轻。螺栓表面仅螺纹涂MoS时，扭拉系数值一致性最好。螺母表面涂MoS有利于楔形螺纹螺母的大批量生产和质量一致性保证。