航空仪表用不锈钢螺钉对铝合金螺孔螺纹连接紧固力矩值研究

摘要：研究航空仪表用不锈钢螺钉（性能等级70）对铝合金螺孔（2A12T4）螺纹连接紧固力矩值的选取。采用了拧紧力矩的公式，计算得出并优化了M1.6、M2、M2.5、M3、M4、M5的力矩值，同时对为验证力矩计算值的正确性，选取了量级较大的振动功率谱、频率和较长时间，进行了耐久振动试验。结果表明：M1.6为8cN·m，M2为15 cN·m，M2.5为30 cN·m，M3为52 cN·m，M4为130 cN·m，M5为250 cN·m。可采取增加同螺钉材料的弹垫和平垫、涂螺纹胶和红色漆封胶等防松措施，通过规范操作方法，可以保证产品螺纹连接的可靠性与一致性。

关键词：不锈钢螺钉；铝合金螺孔；紧固力矩值；防松措施

1 引言

在我国，制造技术成熟度问题已经成为制约航天航空产品研制的一大阻碍。经统计，约有17%归零的质量问题与工艺技术不成熟有关，其主要表现在可靠性方面存在诸多不完善之处，即工艺指导性差，工艺文件量化程度低，操作依据不唯一等。

紧固件作为通用机械零件，其应用范围非常广泛，其性能和安装质量的优劣，将直接影响产品质量。虽然，紧固件满足性能要求，但若没有合理正确的安装方法，没有可靠的安装质量控制手段，也无法真正发挥紧固件的性能特点。

原始的紧固件拧紧方式，会有螺钉脱落或接触面出现裂纹的风险，甚至发生断裂，致使产品可靠性降低，增加多余物出现，或引发更严重的后果。所以，工艺细化、量化和标准化已迫在眉睫。

紧固件安装质量的失控，会威胁到航空和军用产品的质量。原因大致包含：第一、人们对紧固件的认知不足，没有意识到其安装的力矩控制会对产品性能稳定性、质量可靠性、使用安全性影响的严重程度；第二、缺少紧固件安装的工艺规范和力矩指标。紧固件的安装受多种因素制约，包括连接件的型式、材料、强度、精度、表面处理、润滑状态等诸多因素的影响，这给规范或标准的制定带来极大难度；第三、缺少力矩测试工具和安装工艺手段。

基于此，依托于工艺细化量化需求，本文介绍了不锈钢螺钉对铝合金螺孔螺纹连接紧固力矩值的研究，明确了各规格螺钉的力矩值，提高了生产可靠性和产品品质。

2 力矩值计算

拧紧力矩的公式可简化为如下形式：

T＝K F′d （1）

式中：K为拧紧力矩系数，与摩擦系数有关；F′为预紧力，单位N；d为螺纹公称直径，单位mm。

一般规定拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于其材料的屈服点σｓ的80％，建议的预紧力F′计算如下：

F′＝（0.6～0.7）σｓＡｓ（2）

式中：σｓ为螺钉材料的屈服点，单位MPa；Ａｓ为螺钉公称应力截面积，单位mm２。

从材料手册中查到计算螺纹连接紧固力矩值各参数值，不锈钢表面与铝合金表面相接触K=0.204，不锈钢螺钉（性能等级70）的屈服点σｓ=450 MPa。不同规格的螺钉公称应力截面积Ａｓ/ mm２，其中，M1.6的Ａｓ为1.27、M2的Ａｓ为2.07、M2.5的Ａｓ为3.39、M3的Ａｓ为5.03、M4的Ａｓ为8.78、M5的Ａｓ为14.2。将各Ａｓ中各参数值分别带入公式（1）、公式（2），计算得出螺钉（不锈钢、性能等级70）--螺孔（铝合金2A12T4）螺纹连接紧固力矩值：M1.6为8 cN·m、M2为15 cN·m、M2.5为30 cN·m、M3为52 cN·m、M4为130 cN·m、M5为250 cN·m。

3 试验前准备

力矩螺刀选用奇力速电动力矩螺刀，精度±3%，配4.0双耳批头。将各种规格螺钉（不锈钢、性能等级70）按照图1所示设计试验方案进行紧固。

将紧固件用力矩螺刀紧固在试验夹具（材料：铝合金2A12T4）上，其中，M4和M5的第1 、2排仅安装圆柱头螺钉；第3排安装螺钉装配弹垫和平垫后涂红色漆封胶FJ-91；第4排安装螺钉装配弹垫和平垫；第5排安装螺钉装配弹垫和平垫后涂聚乙烯醇缩醛胶X98-1拧紧。M1.6、M2、M2.5、M3的第1 、2排仅安装沉头螺钉；第3排安装沉头螺钉后涂红色漆封胶FJ-91；第4排仅安装圆柱头螺钉；第5排安装圆柱头螺钉装配弹垫和平垫。

4 试验条件

振动试验条件选取X、Y、Z三轴向，每个轴向各2.5h耐久振动，振动功率谱和频率分别选4dB/倍频程和-6dB/倍频程。

5 结果与分析

经过振动试验后，用定力矩螺刀再次拧紧螺钉，发现所有螺钉均无松动。试验采取的防松措施如装配弹簧垫片、平垫片、涂胶和点红漆的各种规格螺钉全部通过振动试验验证，试验结果表明，螺钉（不锈钢、性能等级70）--螺孔（铝合金2A12T4）各种规格拧紧力矩计算值正确，设置合理，能保证螺钉紧固。

6 结语

从试验和现有研究结果可以看出，螺钉（不锈钢、性能等级70）对螺孔（铝合金2A12T4）螺纹连接紧固力矩值可以从表3 中选取，同时采取防松措施，通过规范操作方法，可以保证产品螺纹连接的可靠性与一致性。

参考文献

[1] 《机械设计手册第六版第二卷》成大先， [M]，北京化学工业出版社