锁紧组件螺钉无法啮合失效分析及改进研究

梁启超，梁明态

（遵义精星航天电器有限责任公司，贵州遵义 563125）

1 锁紧组件介绍

通常，锁紧组件分为自由端锁紧附件和固定端锁紧附件。

自由端锁紧附件结构主要由锁紧螺钉、弹垫、杆套三部分组成。其相互的装配关系如下：杆套前端通过翻铆固定在外壳安装孔位置上，将弹垫和螺钉依次装入杆套后，对杆套尾端进行缩口，形成不脱出螺钉的结构。

固定端锁紧附件结构主要由安装螺钉、导电橡胶垫、密封圈、平垫、弹垫、螺母组成。其相互的装配关系如下：安装螺钉穿过安装板、导电橡胶垫及外壳的安装孔，之后尾端安装平垫、弹垫并通过螺母拧紧使安装附件固定在安装板上，锁紧螺钉头有螺纹孔，用于产品对接后与锁紧螺钉进行锁紧。

2 锁紧组件螺钉失效

某连接器锁紧组件螺钉在使用过程中，发现一端螺钉锁紧时，一直在空转，无法与固定螺钉进行啮合。对该锁紧组件目测检查，故障螺钉为M2.5的细小螺钉，未看到明显的外观缺陷。在显微镜下观察，发现前端几牙螺纹已经产生较严重的磨损，螺牙的牙顶基本已经被磨掉，如图1所示。

图1 锁紧螺钉结构

3 原因分析

3.1 螺纹旋合长度不足

（1）计算自由端锁紧螺钉超出外壳法兰盘端面的尺寸。经计算，螺钉超出外壳法兰盘端面的尺寸A 为：3.07 mm（min），4.26 mm（max）。

（2）计算固定端螺钉头端面距离插座对接端端面的尺寸。在计算时，安装板厚度按照（2.50±0.10）mm 进行计算，导电橡胶垫在未压缩时尺寸为1.57 mm，其压缩量按照建议值最大上限30%计算，压缩后的尺寸为：1.57 mm×0.7=1.099 mm，经计算，螺钉端面距离插座对接端端面的尺寸B 为：0.601 mm（min），0.991 mm（max）。

（3）考虑内外螺纹的倒角应从有效啮合长度中减去，固定端安装螺钉倒角为0.3 mm，L2锁紧螺钉倒角为：0.3 mm。

综上，自由端螺钉与固定端螺钉的有效啮合长度为：A-B-0.3 mm-0.3 mm=1.48 mm（min），3.059 mm（max）。锁紧螺钉采用粗牙螺纹，螺距为0.45 mm，最小螺纹啮合牙数为：1.48 mm/0.45 mm=3.28。

可以看出，该螺钉最小旋合长度为3.28螺距，该最小旋合长度符合QJ165A-95《航天电子电气产品安装通用技术要求》中规定：“螺纹连接有效长度不得小于3螺距”，从设计上是符合要求的。但从实际上考虑，根据GB/T 3934-2003《普通螺纹量规技术条件》的规定“允许工件内外螺纹与止规部分旋合，旋合量应不超过第二个螺距”。当锁紧螺钉及固定螺钉均处于止规能够啮合2牙的极限状态时，螺纹的配合间隙较大，承载能力较低。若螺纹处于止规能够啮合2牙的极限状态，螺纹旋合后，其有效配合面较小，在锁紧及解锁力的作用下，螺牙容易被磨损，最终导致无法正常锁紧。

综上分析，从设计上说，该螺钉的最小旋合长度是合理的，但从实际使用来说存在不足的情况。

3.2 螺纹副硬度匹配性不良

固定端螺钉及自由端螺钉材料相同，硬度相同，其设计依据是欧空局标准ESCC3401/032《3401/029超小型连接器和3401/041Saver 用附件详细规范》4.4.1条“螺纹锁紧组件及支架应由经过钝化的不锈钢加工，牌号303”。按美军标MIL-DTL-83513/5H《安装附件为矩形电连接器单篇详细规范》的要求，自由端螺钉应与固定端螺钉材料及硬度不同。

当自由端与固定端螺钉材料及硬度相同时，会出现以下情况：

（1）其抗磨性差，容易产生磨损。

（2）容易产生粘连的现象。

在GB/T3098.2《紧固件机械性能螺母粗牙螺纹》中规定：螺杆的断裂是突然发生的，比较容易发现，而脱扣是逐渐发生的，很难发现。因此，在设计时，总希望失效形式是螺杆断裂，设计时螺母的硬度及抗拉强度应高于螺钉的硬度及抗拉强度。但目前螺纹直径为M2.5的自由端锁紧螺钉与固定端螺钉所采用的材料均为WCD 状态的06Cr17Ni12Mo2，两者材料状态一致，材料硬度一样。

因此，存在螺纹副硬度匹配性不良的原因。

3.3 使用过程中产生磨损

由于锁紧组件螺纹为M2.5，螺牙细小，产品对接锁紧过程中，如果受到较大的轴向力或歪斜锁紧时易产生磨损：

过大轴向力：刚开始旋合的螺牙较少，无法承受较大的轴向力，易造成螺纹损伤，应注意选择合适的螺丝刀刀头，避免打力矩时施加过大的轴向力造成螺纹损坏。

歪斜力：由于锁紧组件螺纹是小螺纹，偏斜锁紧对螺纹会造成损伤。

通过对上述可能造成锁紧组件螺钉无法锁紧的原因进行的逐条分析，最终得出无法锁紧的原因主要有两点：

（1）由于产品锁紧螺钉和固定螺钉材料选用不当，不符合GB/T3098.2《紧固件机械性能螺母 粗牙螺纹》所规定的材料硬度要求。

（2）产品对接锁紧时，锁紧螺钉与安装螺钉螺纹有效啮合长度较小，且螺纹前端2牙螺纹配合间隙大，承载能力不足，在锁紧和解锁外力的作用下，螺牙逐渐磨损加剧。

综上两种原因最终导致螺钉无法正常锁紧[1]。

4 机理分析

4.1 产品零件材料选择的分析

自由端锁紧螺钉和固定端螺钉所选用的材料均为WCD 状态的06Cr17Ni12Mo2，材料强度一致，两者在互配使用过程中脱扣是逐渐发生的，很难发现。因此针对该失效形式，需要保证固定端螺钉的硬度及抗拉强度高于自由端锁紧螺钉的硬度及抗拉强度；在保持固定螺钉材料不变的情况下，将锁紧螺钉的材料更改为L 状态的1Cr18Ni9，该材料的抗拉强度为800 N/mm2，且小于抗拉强度为1100 N/mm2的WCD 状态06Cr17Ni12Mo2。在这种情况下锁紧螺钉与固定螺钉在使用过程中锁紧螺钉的断裂是突然发生的，较容易发现[2]。

4.2 使用过程中产生磨损的分析

自由端螺钉与固定端螺钉锁紧时，若旋合长度为最小值3螺距，且螺纹前端处于止规可啮合2牙的极限状态，此时螺纹配合间隙大，所能承受的紧固轴力小。锁紧解锁时，锁紧螺钉与固定螺钉的螺牙均产生磨损，超过螺纹的承载能力时即产生无法锁紧的故障现象。

5 故障复现

为了验证故障现象，我们选取了4套产品进行锁紧与分离的寿命试验，每次锁紧的力矩为0.4 N·m，该两套产品的自由端及固定端螺钉止规均能够啮合2牙。试验过程及结果见表1。

表1 故障复现试验

通过上述试验，锁紧螺钉无法锁紧的故障现象得到复现。

6 改进措施及措施验证

6.1 改进措施

针对上述分析的原因，拟定如下改进措施：

（1）自由端锁紧螺钉长度在原来基础上增加1 mm，增加产品的有效旋合长度。

（2）自由端锁紧螺钉材料从原来的WCD 状态的06Cr17Ni12Mo2 不锈钢丝更改为L 状态的1Cr18Ni9不锈钢丝。

（3）由于锁紧螺钉有效旋合长度公差累积较大，对产品尺寸进行优化，减小公差范围。

（4）加强对螺钉螺纹加工的生产控制，对于固定端螺钉及自由端螺钉的螺纹控制止规啮合牙数：不得超过1牙。

（5）针对偏斜锁紧的问题，设计生产加长的螺丝刀头。

6.2 措施验证

为验证将螺钉加长1 mm 且更改材料的措施是否有效，进行了如下试验：

试验1：采用故障复现中已经出现无法锁紧的4套产品进行试验，将其自由端螺钉更换为加长1 mm的螺钉继续进行锁紧及解锁（其中两套锁紧力矩为0.4 N·m，另外两套锁紧力矩为0.5 N·m），一直到其再次出现无法锁紧的故障现象为止，记录锁紧次数；

试验2：采用4套产品进行试验，自由端螺钉为加长1 mm 的状态，固定端螺钉为止规能够啮合2牙的极限状态，其中两套采用0.4 N·m 的力矩进行锁紧及解锁，另外两套采用0.5 N·m 的力矩进行锁紧及解锁，到其出现无法锁紧的故障现象为止，记录锁紧次数；

试验3：采用4套产品进行偏斜锁紧试验，自由端螺钉为加长1 mm 的状态，固定端螺钉为止规能够啮合2牙的极限状态，其中两套采用0.4 N·m 的力矩进行锁紧及解锁，另外两套采用0.5 N·m 的力矩进行锁紧及解锁，在锁紧的过程中，使螺丝刀处于偏斜的状态，到其出现无法锁紧的故障现象为止，记录锁紧次数。

具体的试验过程及结果见表2。

表2 措施验证试验

通过上述试验验证，可以看出：

（1）作为临时处理措施，产品出现无法正常锁紧的故障现象后，将自由端螺钉更换为增加1 mm 且更改材料的螺钉后，仍能够继续正常锁紧解锁150次以上。

（2）自由端螺钉加长1 mm，垂直锁紧解锁500多次后出现无法锁紧的故障现象，满足实际使用。

（3）自由端螺钉加长1 mm，偏斜锁紧解锁460次以上出现无法锁紧的故障现象，通过采用较长的螺钉刀可避免偏斜锁紧的情况发生。

（4）采用0.5 N·m 的力矩进行锁紧及解锁时，产品的锁紧及解锁次数略微降低，但仍可满足产品实际使用的要求。

综合上述验证结果可以得出采取自由端螺钉加长1 mm 且更改材料的措施有效。

7 结束语

通过复查分析，发生螺钉无法锁紧的原因是：产品对接锁紧时，锁紧螺钉与安装螺钉螺纹有效啮合长度较小，且螺纹前端2牙螺纹配合间隙大，承载能力不足，在锁紧和解锁外力的作用下，螺牙逐渐磨损加剧，最终导致螺钉无法正常锁紧。而且锁紧螺钉与安装螺钉的材料一致，螺纹副硬度不良，导致在使用过程中脱扣不明显可见。通过采取加长自由端螺钉长度、控制螺钉止规啮合牙数和更改螺钉材料的措施，可以避免类似问题再次发生。