閥體梯形螺紋卡滯故障的分析及解決

□ 吳維設 □ 侯 朋 □ 曹 彧

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471099

閥體是某型號氮氣瓶上最主要的結構件之一，如圖1所示。該零件右端的美制梯形螺紋屬于非標螺紋（圖中標記的位置），中徑值為為此專門設計制造了專用螺紋環規對其進行檢查驗收。經檢驗合格的螺紋在裝配時卻經常出現螺紋卡滯擰不到底的現象。因此，必須查明導致該現象的主要原因并制定解決方案。

1 故障原因分析驗證

1.1 物理分析

用螺紋環規（簡稱環規）對卡滯的螺紋進行復測，證實確實擰不到底，部分甚至不能引頭，但零件入庫時該螺紋用環規檢測是合格的。經初步分析，該梯形螺紋是入庫后發生變形，導致部分零件出現環規卡滯擰不到底。對螺紋中徑變大和環規卡滯進行分析，共總結出如下2種可能。

（1）臟物的影響。取出環規檢查不合格的零件，將零件與環規用清洗劑進行清洗，并用毛刷刷洗，再將零件與環規旋合，部分零件通過檢驗合格，經檢測幾個螺紋后，環規重新出現黑色臟物。證明臟物的確是造成卡滯的因素之一。

分析原因，當環規與閥體的梯形螺紋在多次旋合后會產生少量的臟物，環規內徑與螺紋間的空間本來就很小，這些臟物在螺紋旋合中就會出現卡滯現象。

（2）檢查加工過程中產生的應力影響。通過對整個加工過程的梳理，可能導致零件變形的因素是在加工螺紋時的裝夾變形，加工完成后零件存在殘余應力，在后續銑螺紋引導和收尾的工序中，使應力釋放產生螺紋變形，以及零件在鈍化處理時，在70°C槽液加溫時加劇應力釋放產生變形。分別安排各工序對螺紋進行監測，同時分別在機床上和取下后分別進行檢測，經過兩個小批次的跟蹤檢測，發現各處螺紋都檢測正常，沒有明顯變化，因此，加工裝夾及鈍化處理不是造成零件變形的主要因素。

▲圖1 閥體零件圖

▲圖2 前蓋與閥體裝配圖

1.2 裝配受力的有限元分析

通過初步分析和驗證，只是發現了臟物是導致螺紋卡滯的原因之一，但安裝到氣瓶后仍存在清洗后卡滯的現象，即該問題并沒得到徹底解釋和解決，還需進一步分析。

對產品的裝配情況進行了解，發現要在梯形螺紋一端的內腔擰一個前蓋，如圖2所示，前蓋上螺紋為（3/4）″-16UNF-2B，裝配力矩值為 98 N·m，是否存在裝配變形是此次分析的一個重點，預緊力F為：

式中：T為螺紋擰緊力矩；K為扭矩系數；d為螺紋尺寸。

扭矩系數主要取決于材料的摩擦因數，而螺紋的尺寸對其影響非常小，通過查詢得知，前蓋的螺紋表面噴涂有二硫化鉬，按鋼-鋼有潤滑時摩擦因數為0.08～0.12、 內螺紋為 （3/4）″-16UNF-2B （大 徑 φ19.05）按M20的螺紋查詢，可知Kmin=0.113，Kmax=0.159［2］。

已知：T=98 N·m，d=19.05 mm，分別計算可得裝配內腔螺紋后端面的預緊力：

通過有限元分析，得到在最小和最大預緊力作用下的零件變形情況，如圖3和圖4所示。由圖可知，在預緊力作用下，零件發生壓縮，梯形螺紋的螺距變小，特別是端頭的1～1.5圈螺紋變形最大。由于螺紋受力螺距變小，旋合長度越長則螺距累積誤差越大，影響越顯著，當螺距的誤差影響大于零件與環規的間隙時，容易出現卡滯擰不到底的現象。由圖3、圖4可以分別計算出在2.5個螺距上最小累積誤差與最大累積誤差為：

由于螺距誤差，相當于螺紋作用中徑增大，個別零件甚至出現無法擰上的故障。梯形螺紋全長按2.5個螺距計算，則每個螺距的平均壓縮量ΔP為：

最小預緊力時：

最大預緊力時：

梯形螺紋受壓螺距縮小時且當量中徑變大，螺距壓縮量 ΔP 與作用中徑 Δd2關系為［5］：

式中：α 為螺紋牙型角，29°。

螺紋后端的作用中徑變化量為：

▲圖3 最小預緊力時應變結果

▲圖4 最大預緊力時應變結果

▲圖5 三針法測量M值示意圖

表1 螺紋中徑加工成錐形的實驗數據

由上面的計算可知，前端裝配變形導致中徑變大值平均為2.9×10-2mm，后端中徑的變大值平均為4.83×10-2mm，而其中徑公差為0.16 mm，螺紋前后兩端的變形量占整個公差帶的18.75%和30.3%，這也較好地解釋了為何出現大部分螺紋擰不到底的問題。

2 解決措施

2.1 增大螺距

由上述分析可知，閥體梯形螺紋卡滯的主要原因是裝配前蓋時的預緊力造成了螺紋壓縮變形，其螺距的壓縮量平均為0.007 mm。為了解決該問題，可以在加工螺紋時對其壓縮量進行預先補償，即在零件加工時將梯形螺紋的螺距由5.08 mm加工到5.085 mm，這樣裝配變形后其螺距將由零件狀態的5.085 mm恢復為5.08 mm，理論上可以解決該問題。

但經過分析研究，要想通過更改螺距的方式來補償變形量，則對于加工出來的螺紋中徑也要通過計算進行補償，而測量其補償后的螺紋需要重新設計專用量具，同一螺紋使用兩種測量工具對其質量無法控制。

2.2 中徑補償

根據壓緊后閥體變形的力學分析，將閥體上螺紋采用在公差要求范圍內變中徑的方式加工進行變形補償，即：中徑在整段螺紋長度上按倒錐度加工，這樣可以補償擰入前蓋后的正錐度變形。根據計算結果，后端中徑變大的平均值為4.83×10-2mm，加工錐度的直徑差取0.05 mm，現場針對該方案加工出5件實驗件，由于加工出來的中徑呈錐形，在實驗過程中為更準確地測量螺紋的變形情況，因此在使用三針法測量螺紋中徑時，對該段螺紋前后段進行分段測量，如圖5所示，其實驗數據見表1。

通過該5組數據的實驗結果，驗證了中徑按倒錐度加工方案的可行性。隨后將現場分出25件，按此方案進行驗證，加工后的螺紋用環規和三針檢測合格，并在裝配后重新用環規進行測試，全部檢驗合格。之后，又按此方案加工出50件，同樣全部合格，證明原因分析到位，措施有效，為閥體今后的生產提供了可靠的保障。

3 結論

（1）由于梯形螺紋牙型角小，如果有預緊力將會使螺距變形，特別對壓縮中徑公差的閥體梯形螺紋影響較大。閥體梯形螺紋卡滯主要為裝配內孔的堵蓋后受力變形所致，梯形螺紋與螺紋環規摩擦易產生臟物也是造成螺紋卡滯的因素之一。

（2）通過理論計算或數理統計確定變形量，根據變形量進行相應補償是機械加工中解決零件變形和讓刀的一種有效措施。

［1］ 材料手冊（金屬）［Z］.上海航天局第八○七研究所.

［2］ 郭衛凡，黃文建.力矩法控制螺栓預緊力的準確度分析［J］.科技信息，2011（25）：76-77.

［3］ 汪玉平.車工技術問答［M］.鄭州：河南科學技術出版社，2009.

［4］ 孫志芳.美制梯形螺紋（ACME）的三針測量法［J］.科技視界，2012（3）：96-98.

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