某型高鎖螺母收口工序研究

王利強

高鎖螺母與普通螺母的主要區別是高鎖螺母安裝后可以獲得規定的鎖緊力矩與松脫力矩，而在使用過程中不易松動和脫落，具有高的安全性。因此，高鎖螺母廣泛用于航空航天產品。高鎖螺母預期的鎖緊力矩和松脫力矩是通過收口工序獲得的。因此，收口工序是高鎖螺母必須進行的一道工序。收口工序在專用收口機上進行。

圖1是收口機的工作面板，收口機工作時滑動錐套沿垂直于工作臺面向上滑移，從而推動壓頭向工件中心軸線水平前進，當壓頭擠壓到螺母螺紋所在部位的外圓時，螺母螺紋發生變形，使得螺母螺紋與相配合螺栓螺紋裝配時形成過盈配合從而達到規定的鎖緊力矩和松脫力矩，這個過程稱為收口（見圖2）。收口過程中壓頭擠壓工件時向前移動的速度稱為工進速度，壓頭擠壓工件的變形量稱為收口量。

圖3為我公司研制的一款高鎖螺母，該螺母與GJB134.1抗剪型高鎖螺母（見圖4）結構類似。由于該螺母是用于航空產品，眾所周知，航空產品的零件重量越小越好。所以，該螺母設計的收口部外圓尺寸遠小于GJB134.1高鎖螺母，也正是由于這樣的差異，給該螺母制造增添了很大難度，特別是收口工序。

微觀組織連續性是該螺母必須保證的關鍵指標之一，設計要求螺母各部不能出現開裂等微觀組織不連續性缺陷。參照加工GJB134.1高鎖螺母收口工藝加工完的首批螺母，經金相檢驗螺母螺紋牙底部有較深裂紋，位置在收口處，很明顯裂紋是由于收口擠壓產生的。經分析，導致收口工序產生裂紋的主要原因有以下三個方面：螺母本身問題，收口參數不合理，收口壓頭不合理。

圖1 收口機工作面板

圖2 收口完成的工件

圖3 某型高鎖螺母

圖4 GJB134.1高鎖螺母

螺母本身問題主要體現在螺母收口部位壁厚太薄，收口外圓與螺紋大徑間的厚度最大只有0.75mm，加之材料選用超硬鋁，變形困難，所以收口擠壓很容易產生裂紋。但由于螺母結構和材料設計已定，無法改變。所以，只能從收口工藝出發研究解決裂紋問題。

收口參數主要包括快進速度、工進速度、保壓時間、收口量等。對連續產生影響的主要是工進速度和收口量兩個因素。如果工進速度設置過大，由于擠壓時變形過快，導致裂紋產生。收口量過大、擠壓變形過大，也會導致裂紋產生。收口量主要根據鎖緊力矩和松脫力矩試驗數據來確定，在保證鎖緊力矩和松脫力矩合格前提下，收口量越小，則越不容易產生裂紋。

首批有裂紋的螺母，設置工進速度300μm/s，從鎖緊力矩和松脫力矩試驗數據看，收口量也偏大。隨后我們將收口量減小到極限，分別以200μm/s、100μm/s、80μm/s、60μm/s工進速度進行收口，完工后經檢驗，螺紋牙底仍有不同程度裂紋，但裂紋深度隨工進速度降低而呈減小趨勢。緊接著我們以20μm/s工進速度進行試驗，由于擠壓時間過長，螺紋牙底形成了很多處不規則的撕裂。通過大量試驗，得出了比較合適的工件速度60～80μm/s，但單純改變工進速度仍然不能完全避免裂紋的產生。

之前收口使用的均是平頭形收口壓頭（見圖5），其厚度t決定著收口壓印高度，當收口壓頭厚度太小時，由于擠壓受力面積小，螺母收口位置要承受很大剪切力。

圖5 平頭形收口壓頭示意

另外，由于收口變形面積越小，螺母與配合螺栓旋合時，摩擦面積小，所以需要較大收口量方能達到規定鎖緊力矩和松脫力矩，從而對螺母顯微組織的連續性產生影響。我們將壓頭厚度從最初P(P為螺紋螺距)分別調整到1.2P、1.4P、1.5P、1.7P、2P、2.3P、2.5P，并將壓頭各部銳邊倒鈍成圓角過渡進行收口試驗。

經金相檢驗，隨著壓頭厚度的增加，裂紋深度逐漸變淺，但收口寬度超過2.3P后，鎖緊力矩變得不穩定，根據試驗，壓頭厚度1.7P≤t≤2P比較合適，但仍然不能完全避免裂紋的產生。

通過仔細分析，我們最終設計出了圖6的圓弧形收口壓頭，圓弧形收口壓頭與平頭形收口壓頭相比，優點在于圓弧形壓頭與螺母接觸面積增大，受力面積相應增加，這樣收口量比平頭要小很多即可達到規定的鎖緊力矩和松脫力矩，同時受力由集中變得均勻分散。采用圓弧形收口壓頭收口后，經公司檢測中心和第三方檢測中心檢驗，均未發現裂紋等不連續性缺陷，收口研究取得成功。

圖6 圓弧形收口壓頭示意