基于鎂合金基體的螺紋連接承載性能研究

張超穎 孟德浩 袁文全 閆路 張忠偉

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071)

1 引 言

鎂合金被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”，因為其是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，并且具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳、機(jī)加工性能優(yōu)良等多個優(yōu)點(diǎn)，尤其適合用于航空航天等對重量和承載要求苛刻的工業(yè)領(lǐng)域。目前在飛機(jī)、衛(wèi)星上的各種零部件中，鎂合金已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用[1]。隨著航空航天領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和結(jié)構(gòu)承載效率提升需求的日益迫切，鎂合金工程化應(yīng)用將會更加廣泛。但鎂合金的絕對強(qiáng)度不高，相對鋁合金較軟，鎂合金基體螺紋和螺栓形成的連接結(jié)構(gòu)的承載性能研究，對于鎂合金連接結(jié)構(gòu)的可靠性具有重要意義[2]。

本文針對在航天結(jié)構(gòu)中已得到應(yīng)用的鑄造鎂合金為基體，利用螺紋緊固件試驗分析機(jī)，結(jié)合理論計算，研究了鎂合金螺紋抗扭強(qiáng)度、軸向承載性能、與螺栓配合的扭拉關(guān)系、擰緊力矩量化控制等多個指標(biāo)。

2 扭拉試驗原理和方法

螺接結(jié)構(gòu)，預(yù)緊力對接頭的可靠性和疲勞壽命有很大影響。一般情況下，預(yù)緊力越大，連接越可靠，疲勞壽命越長。但是如果預(yù)緊力過大，反而會導(dǎo)致螺紋損壞，承載能力下降，因此預(yù)緊力是關(guān)系到螺接結(jié)構(gòu)連接可靠性的重要控制指標(biāo)，預(yù)緊力一般是通過擰緊力矩間接控制的，扭(即擰緊力矩)拉(即預(yù)緊力)關(guān)系是螺接最重要的性能指標(biāo)，此關(guān)系通過K值表征[3]。

N=K·d·F

(1)

式中：N——扭矩；K——扭拉系數(shù)；d——螺紋公稱直徑；F——軸向預(yù)緊力[4]。

試驗采用德國Schatz-Analyse螺紋緊固件試驗分析系統(tǒng)(見圖1)，對總扭矩、螺紋扭矩、軸向力、角度、時間等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集。緊固件扭拉試驗工裝加載如圖2所示。加載時將鎂合金試件固定在試驗機(jī)上，力矩通過試驗工裝施加到螺釘上，通過傳感器測得螺栓連接處的軸向力[5]。

圖1 Schatz-Analyse螺紋緊固件試驗分析系統(tǒng)Fig.1 Schatz-Analyse screw connection test and analyze system

1-前卡盤；2-復(fù)合傳感器；3-后卡座；4-鎂合金試驗件； 5-鋁板；6-平墊圈；7-彈簧墊圈；8-螺栓圖2 扭拉試驗安裝加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of torsion-tension relation test

在進(jìn)行扭拉關(guān)系試驗之前，需首先通過螺紋抗扭強(qiáng)度試驗，得到不同規(guī)格螺栓與鎂合金基體配合的安裝力矩，以此安裝力矩作為輸入，來獲得扭拉關(guān)系曲線[6]。

3 鎂合金螺紋抗扭強(qiáng)度

試驗中對M4～M8三種規(guī)格的螺紋孔，同時分別設(shè)置加裝鋼絲螺套后的組別作為對照組進(jìn)行試驗。在試驗機(jī)上將工程上常用的30CrMnSiA螺栓按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的旋入速度安裝到鎂合金基體中，擰緊直至破壞，得到力矩隨時間變化曲線，如下圖3所示。屈服點(diǎn)力矩即為鎂合金螺紋擰緊的破壞力矩，取屈服力矩平均值的40%取整作為扭拉關(guān)系試驗的安裝力矩[7]。

圖3 M8鎂合金螺紋孔典型力矩隨時間變化曲線Fig.3 Ttypical torque curve changes with time of M8 magnesium alloy screw thread

如表1所示，通過試驗數(shù)據(jù)分析得知，加裝鋼絲螺套后各組屈服力矩較鎂合金螺紋孔略有增大，但增大幅度最大不超過6.8%。

結(jié)合扭拉關(guān)系公式，即公式(1)，帶入屈服軸力公式，得到屈服扭矩公式[8]

式中：d——螺紋公稱直徑；δy——δy螺栓屈服強(qiáng)度；As——螺紋公稱應(yīng)力截面積，dA——螺紋公稱應(yīng)力截面積的等效直徑；P——螺距；μ——螺紋摩擦系數(shù)；d2——螺紋中徑；α——螺紋牙型角。

由此可定性分析出，規(guī)格相同螺紋的屈服扭矩大小僅與螺紋摩擦系數(shù)μ有關(guān)，且μ值越大，屈服扭矩越小。因此，鎂合金與30CrMnSiA螺栓配合的螺紋摩擦系數(shù)大于鋼絲螺紋與同種螺栓配合的螺紋摩擦系數(shù)。

4 扭拉關(guān)系

按照抗扭強(qiáng)度試驗確定的安裝力矩，重復(fù)拆裝5次，消除干擾因素對結(jié)果的影響，以期得到30CrMnSiA材料不同規(guī)格的螺栓與鎂合金配合下的扭拉關(guān)系曲線及K值[9]。

圖4 M4,M6,M8鎂合金螺紋孔和帶螺套扭拉曲線對比圖Fig.4 Torsion-tension curve comparison of M4,M6,M8 magnesium alloy with and without helicoil

通過不同規(guī)格鎂合金基體螺孔與裝鋼絲螺套后K值對比，發(fā)現(xiàn)裝鋼絲螺套后的K值略大于螺紋孔。通過螺紋扭拉關(guān)系公式，得到與30CrMnSiA螺栓配合下，螺紋孔和鋼絲螺套K的取值。

5 軸向承載性能

通過對鎂合金螺紋施加純軸向載荷，測試其拉斷力，其測試結(jié)果如表2所示，其中螺栓材料為30CrMnSiA。通過對螺栓的最小拉力載荷及本次試驗的拉斷力進(jìn)行對比，可得到各個規(guī)格下螺紋基體的承載相對螺栓最小拉力載荷的比值依次為95.7%,116.9%,121.8%,92.3%和93.9%，以此確定基體相對螺栓的強(qiáng)度。經(jīng)過分析所有規(guī)格鎂合金基體破壞形式屬于剪切破壞，綜上，當(dāng)選擇30CrMnSiA螺栓和該鎂合金基體螺紋配合連接時，應(yīng)以鎂合金的剪切強(qiáng)度來校核軸向承載[10]。

表2 軸向載荷拉斷力

Tab.2 Axial breaking force

圖5 基體破壞模式Fig.5 Matrix failure mode

6 結(jié)束語

本文采用試驗測試及理論分析相結(jié)合的方法，得到了高強(qiáng)耐熱鎂合金基體螺紋與常用螺栓配合使用的抗扭強(qiáng)度、扭拉關(guān)系、扭矩系數(shù)K值和軸向承載性能，給出了鎂合金基體螺紋力矩量化控制措施、螺栓選用的結(jié)論，對鎂合金基體連接的可靠性具有重要意義。

通過測試和對比不同規(guī)格鎂合金基體螺紋與帶鋼絲螺套螺孔的抗扭承載極限及扭拉關(guān)系，得到了不同規(guī)格鎂合金基體螺紋安裝鋼絲螺套后承載的變化及抗扭系數(shù)的變化，對于鎂合金基體選用鋼絲螺套提供了指導(dǎo)性意見。

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