高溫合金緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系試驗(yàn)研究

陳開顏，徐 嘉，陳 輝，孫永保，吉 康

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

高溫合金具有較高的強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)異的性能。其中基體材料為國標(biāo)GH4169（美標(biāo)Inconel718）的高溫合金緊固件被普遍應(yīng)用于航空、航天、核能等領(lǐng)域[1]。在復(fù)雜的載荷環(huán)境下，緊固件的安裝可靠性是航空、航天飛行器成功服役的基本保障。預(yù)緊力是影響和反映緊固件安裝可靠性、承載能力、部段的密封性能和防松性能的關(guān)鍵因素和指標(biāo)。研究擰緊力矩和預(yù)緊力之間的關(guān)系，對于指導(dǎo)航空、航天飛行器的擰緊力矩設(shè)計(jì)具有實(shí)際的工程意義[2]。

關(guān)于緊固件預(yù)緊力與預(yù)緊力矩之間的關(guān)系，張雪峰[3]等開展了楔形內(nèi)螺紋鎖鍵螺套鎖緊性能的分析研究；張曉斌[4]等開展了鈦合金緊固件的擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系研究；文獻(xiàn)[5]～[8]針對普通螺栓的擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系、力矩試驗(yàn)方法等開展了相關(guān)研究，但對于高溫合金（GH4169/Inconel718）)緊固件的預(yù)緊力矩關(guān)系涉及較少。

本文以基體材料為GH4169/Inconel718，表面鈍化處理的高溫合金緊固件作為研究對象，研究不同基體材料、潤滑方式、擰入螺紋表面處理、擰入次數(shù)等條件下的擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系，用于指導(dǎo)實(shí)際工程使用中高溫合金緊固件的擰緊力矩確定與選用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 理論計(jì)算

螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系表達(dá)式為[3]

式中M為擰緊力矩；K為擰緊力矩系數(shù)；D為螺栓的公稱直徑；F為由擰緊力矩產(chǎn)生的螺栓軸向拉力，即為預(yù)緊力。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法按GB/T16823.3-2010《緊固件 扭矩-夾緊力試驗(yàn)》，選用德國Schatz-Analyse 螺紋緊固件分析系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。該型試驗(yàn)分析系統(tǒng)具備對總扭矩、螺紋扭矩、軸向力（預(yù)緊力）、角度、時間等通道同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力。

1.3 試樣選取

影響K值的因素較多，其中螺栓基體材質(zhì)、螺紋表面處理狀態(tài)、潤滑方式、擰入次數(shù)等因素是影響K值的主要因素[9]。本文選取表面鈍化的高溫合金緊固件作為試驗(yàn)對象，分組進(jìn)行對比性試驗(yàn)，研究不同組合情況下的擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系，用于指導(dǎo)工程實(shí)際擰緊力矩方案設(shè)計(jì)。具體分組情況及試驗(yàn)?zāi)康娜绫? 所示。

表1 試驗(yàn)工況表Tab.1 Experiment Conditions

2 擰緊力矩影響因素分析

2.1 基體材質(zhì)對擰緊力矩系數(shù)的影響

如表1 所示，試驗(yàn)一的兩組對照試驗(yàn)選取材質(zhì)為GH4169 的M12 螺栓和材質(zhì)為Inconel718 的螺栓，分別配合表面鈍化處理的GH2132 螺母和45#鋼螺紋，潤滑狀態(tài)為涂抹T221 潤滑脂，各選取10 組樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 和圖2 所示。由圖1 可以看出，兩種材質(zhì)的高溫合金螺栓配合鈍化螺母使用時，離散性較小，且兩種材質(zhì)對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)相近。其中GH4169 配合鈍化螺母的K值均值為0.25，Inconel718配合鈍化螺母的K值均值為0.27。從圖2 的數(shù)據(jù)可以看出，兩種材質(zhì)的高溫合金螺栓配合45#鋼螺紋使用時，離散性較大，且兩種材質(zhì)對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)有一定的差異性。其中GH4169 配合45#鋼螺紋的K值均值為0.34，Inconel718 配合45#鋼螺紋的K值均值為0.29。

圖1 兩種高溫合金配合鈍化螺母的K 值Fig.1 The Value of K of Two Kinds of Superalloy and Passivated Nut

圖2 兩種高溫合金配合鋼螺紋的K 值Fig.2 The Value of K of Two Kinds of Superalloy And Steel Thread

2.2 擰入螺紋表面處理的不同對擰緊力矩的影響

如表1 所示，試驗(yàn)二的兩組對照試驗(yàn)選取材質(zhì)為GH4169 的M12 螺栓和Inconel718 的M8 螺栓在T221潤滑脂潤滑條件下，分別配合鍍銀和鈍化的GH2132螺母，選取10 組樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 和圖4 所示。由圖3、圖4 的數(shù)據(jù)可以看出兩組對照試驗(yàn)均顯示鈍化螺母對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)K值明顯大于鍍銀螺母對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)。

圖3 材質(zhì)為GH4169 配合鍍銀和鈍化螺母狀態(tài)下的K 值Fig.3 The Value of K of GH4169 with Silver Plated and Passivated Nut

圖4 材質(zhì)為Inconel718 配合鍍銀和鈍化螺母狀態(tài)下的K 值Fig.4 The Value of K of Inconel718 with Silver Plated and Passivated Nut

基體材質(zhì)為GH4169 的M12 螺栓擰入鈍化和鍍銀螺母對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)K值均值分別為0.32 和0.175；基體材質(zhì)Inconel718 的M8 螺栓擰入鈍化和鍍銀螺母對應(yīng)的擰緊力矩系數(shù)K值均值分別為0.24 和0.16。

綜合第2.1 節(jié)和第2.2 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，基體材料的不同和擰入螺紋表面處理的不同條件下K值差異較大。其中，表面鈍化的高溫合金緊固件配合鈍化螺母對應(yīng)的K值明顯大于鍍銀螺母，且M12 及以上規(guī)格（含M12）的表面鈍化的高溫合金緊固件配合鈍化螺母的擰緊力矩偏大，不便于工程實(shí)際使用；

2.3 潤滑方式的不同對擰緊力矩系數(shù)的影響

如表1 所示，試驗(yàn)三的兩組對照試驗(yàn)分別選取材質(zhì)為Inconel718 的M12 螺栓和GH4169 的M14 螺栓在T221 潤滑脂和二硫化鉬潤滑脂潤滑條件下，擰入45#鋼螺紋，各選取10 組樣本進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。從圖5、圖6 的數(shù)據(jù)可以看出，兩組對照試驗(yàn)均顯示T221 潤滑狀態(tài)下的擰緊力矩系數(shù)K值明顯大于二硫化鉬潤滑狀態(tài)下的。

圖5 材質(zhì)為Inconel718 的M12 螺栓在兩種潤滑狀態(tài)下的K 值Fig.5 The Value of K of Inconel718 Based M12 Bolt under Two Different Lubrication Conditions

圖6 材質(zhì)為GH4169 的M14 螺栓在兩種潤滑狀態(tài)下的K 值Fig.6 The Value of K of GH4169 Based M14 Bolt under Two Different Lubrication Conditions

基體材質(zhì)為Inconel718 的M12 螺栓在T221 和二硫化鉬潤滑條件下的K值均值分別為0.29 和0.165；基體材質(zhì)為GH4169 的M14 螺栓在T221 和二硫化鉬潤滑條件下的K值均值分別為0.36 和0.19。

由此可知，擰緊力矩系數(shù)受潤滑條件影響較大，表面鈍化的高溫合金緊固件使用二硫化鉬潤滑的K值明顯小于使用T221 潤滑脂潤滑的K值.

2.4 擰入次數(shù)對擰緊力矩的影響

第 1 組試驗(yàn)：分別選取材質(zhì)為 GH4169 和Inconel718 的M12 螺栓各10 組，配合表面鈍化處理的GH2132 螺母，潤滑條件為涂抹T221，每組螺栓反復(fù)扳擰3 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 GH4169-M12 螺栓在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.7 The Value of K of GH4169-M12 Bolt under Different Screw in Times

圖8 Inconel718-M12 螺栓在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.8 The Value of K of Inconel718-M12 Bolt under Different Screw in Times

第2 組試驗(yàn)：分別選取材質(zhì)為GH4169 的M12 雙頭螺柱和材質(zhì)為Inconel718 的M8 雙頭螺柱各10 組，配合表面鈍化處理的GH2132 螺母，潤滑條件為涂抹T221，每組螺栓反復(fù)扳擰3 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10 所示。

圖9 GH4169-M12 雙頭螺柱在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.9 The Value of K of GH4169-M12 Based Double Head Bolt under Different Screw in Times

圖10 Inconel718-M8 雙頭螺柱在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.10 The Value of K of Inconel718 Based Double Head M8 Bolt under Different Screw in Times

第3 組試驗(yàn)：分別選取材質(zhì)Inconel718 和GH4169的M12 螺栓各10 組，配合45#鋼螺紋，潤滑條件為涂抹T221，每組螺栓反復(fù)扳擰3 次。試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12 所示。

圖11 Inconel718-M12 螺栓在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.11 The Value of K of Inconel718-M12 Bolt under Different Screw in Times

圖12 GH4169-M12 螺栓在不同擰入次數(shù)下的K 值Fig.12 The Value of K of GH4169-M12 Bolt under Different Screw in Times

從圖7 至圖12 的數(shù)據(jù)可以看出，隨著擰緊次數(shù)的增加，第1 組緊固件擰緊力矩系數(shù)K值呈遞減趨勢，第2 組呈遞增趨勢，第3 組基本保持平穩(wěn)。反映出受緊固件基體材料、尺寸、潤滑狀態(tài)、擰入螺紋表面處理多種因數(shù)影響，表面鈍化的高溫合金緊固件K值隨擰緊次數(shù)的增加變化趨勢不一，存在K值逐漸增大，逐漸減小和基本不變的多種情況。

2.5 綜合分析

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析表面鈍化的高溫合金緊固件擰緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 綜合分析結(jié)果Tab.2 Comprehensive Analysis Results

3 結(jié) 論

a）K值受緊固件副的材質(zhì)和螺紋的表面處理方式影響較大。考慮工程實(shí)際的可操作性，M12 及以上規(guī)格（含M12）的表面鈍化的高溫合金緊固件的不建議配合鈍化螺母使用，同時潤滑方式優(yōu)先考慮使用二硫化鉬潤滑；

b）擰緊次數(shù)對擰緊力矩影響不定。因此在進(jìn)行關(guān)于擰緊次數(shù)的擰緊力矩設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)緊固件實(shí)際選用情況開展實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擰緊力矩設(shè)計(jì)；

c）對于本文未涉及（表1 未包括）的規(guī)格和材質(zhì)的緊固件副在進(jìn)行擰緊力矩設(shè)計(jì)時，建議綜合考慮緊固件材質(zhì)、螺紋表面處理狀態(tài)、潤滑方式和擰入次數(shù)等多種因素，開展基于工程實(shí)際的擰緊力矩實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擰緊力矩設(shè)計(jì)。