螺栓擰緊工況對復合材料連接結構預緊力的影響

王楚凡，安魯陵，蔡躍波，岳烜德，楊浩然

(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空領域的復合材料結構中存在著大量機械連接[1]。目前國內飛機制造廠對于CFRP結構螺栓連接主要通過轉矩法來施加預緊力。預緊力過大容易導致復材結構的損傷，預緊力過小則容易導致復材結構的松脫。因此對于螺栓連接預緊力的控制顯得尤為重要。

國外學者長期以來對金屬結構螺栓連接的機理、預緊力控制、螺紋摩擦性能、螺紋處應力分布等方面展開了廣泛的研究。在此基礎上結合金屬結構件在實際螺栓擰緊時的復雜工況，國內外學者利用DOE試驗、正交試驗等試驗方法對復雜工況下影響轉矩法擰緊結果的各種因素展開了深入研究[2-8]。研究結果普遍表明螺栓連接中的材料、接觸表面摩擦狀態、擰緊轉速等因素對預緊力的控制存在一定影響。其中接觸表面的摩擦狀態、擰緊轉速與擰緊工藝的實施相關。

FRIEDRICH C等[9-11]研究了3種潤煥狀態下CFRP結構螺栓連接擰緊的T-F曲線，發現達到同一目標預緊力時的擰緊轉矩值相差較大。可見針對金屬結構螺栓連接的擰緊研究已經有了比較成熟的理論體系與研究成果，但針對CFRP結構件需要特別考慮。CFRP的各向異性特點決定了其應力情況相比金屬材料要復雜得多，易產生應力集中現象[12-14]。如果直接照搬金屬結構中螺紋連接的設計、裝配原則是不合適的[3]。

本文針對航空CFRP結構螺栓連接的擰緊工況，利用DOE試驗從擰緊轉矩與總摩擦系數兩個角度，分析了擰緊工況對于預緊力的影響，并從工藝角度為預緊力的控制提出建議。

1 轉矩法原理

目前在飛機CFRP結構的裝配過程中，主要依賴于轉矩法所建立的轉矩-預緊力對應關系，即

T=KFD

(1)

式中：F為目標預緊力；K為轉矩系數；D為螺栓的公稱直徑；T為擰緊轉矩。

MOTOSH N[15]認為轉矩T在驅動緊固件擰緊時，一部分轉矩需要克服緊固件支撐端面與被連接件端面的摩擦，一部分轉矩需要克服螺紋之間的摩擦，剩余的轉矩則為連接結構提供了預緊力，如式(2)所示。

T=Tp+Tt+Tb

(2)

式中：Tp為作用于螺紋牙的轉矩；Tt為螺紋間摩擦轉矩；Tb為支撐端面摩擦轉矩。

在德國標準VDI2230[16]中該公式可以具體表達為

T=F[0.16p+0.58μtd2+0.5μbdu]

(3)

式中：p為螺紋螺距；d2為螺紋中徑；du為支撐端面摩擦轉矩的等效直徑；μt為螺紋摩擦系數；μb為支撐面摩擦系數。

在ISO16047[17]中提出了摩擦系數的簡化公式，假定螺紋摩擦系數μt與支撐面摩擦系數μb一致，用總摩擦系數μm來評估螺栓螺母在擰緊時總體的摩擦行為[2]。擰緊轉矩與總摩擦系數可以表示為：

T=F[0.16p+0.58μmd2+0.5μmdu]

(4)

(5)

由此可見，根本上是摩擦決定了轉矩-預緊力之間的對應關系。

根據公式(4)，變量T與μm共同影響了最終輸出F的大小。因此，后文將從T與μm兩個角度，分析不同擰緊工況對T與μm的影響，從而進一步揭示擰緊工況對預緊力值的影響規律。

2 試驗研究

2.1 試驗試樣與試驗平臺設計

試驗選航空用NAS6705螺栓與NASM1805螺母作為研究對象，直徑為7.937 5 mm(5/16英寸)，材料為A286。被連接件為鋪疊22層的T800/X850板，總厚度為4.2mm。為簡化裝夾操作，參照ASTM D5961[18]中對拉伸試樣的規定，在200×300mm的矩形CFRP板上設計試驗試樣(圖1)，并完成了相應的立式螺栓擰緊試驗平臺的設計與制造(圖2)。

圖1 200×300mm CFRP材料層壓板試樣

圖2 立式螺栓擰緊試驗平臺

該試驗平臺由框架單元、夾持單元、止動單元3個模塊組成。擰緊試驗平臺的測量系統主要由擰緊軸、轉矩傳感器、壓力傳感器組成。擰緊軸為Atlas公司生產的固定式直柄擰緊軸，型號為QST62-350CT-T50，可提供最大為350 Nm的擰緊轉矩，擰緊軸的最高轉速可達220 r/min。擰緊軸配有相應的控制器以及編程軟件，可實現對擰緊轉矩、角度、轉速等參數的編程控制。轉矩傳感器與壓力傳感器均選用德國B.I.W寶宜威公司的梅思泰克傳感器。

2.2 DOE試驗設計

本文主要通過DOE試驗設計來研究不同擰緊工況對螺栓擰緊的影響，并可以有效地分析出影響預緊力的關鍵因素。相比控制變量法，DOE試驗設計方法可以大大減少試驗成本，縮短試驗周期。

結合實際裝配工況，主要考慮4種因素：擰緊轉速、螺紋表面灰塵、貼合面密封、擰緊部位。擰緊轉速主要考慮20 r/min與200 r/min兩種情況[5]。螺栓庫房經過長期保存后容易附著灰塵，工人在裝配前往往會使用抹布對螺紋處進行清理，試驗考慮擦拭與不擦拭螺紋兩種狀態。在飛機CFRP結構的裝配中，貼合面與貼合面之間需要涂覆密封膠進行密封。試驗考慮密封與不密封兩種情況，選用Naftoseal MC-780密封膠。此外，在實際擰緊裝配時需要根據裝配件的內外部空間狀況來確定擰緊螺母或是螺栓頭，試驗考慮擰緊螺母、螺栓兩種情況。因素與水平對照如表1所示，試驗方案如表2所示，A至D列為工況安排，共計24次試驗，試驗結果如表2中的其余列所示。擰緊目標轉矩為實際生產轉矩18.6 N·m。DOE試驗主要關注3個響應：擰緊轉矩T、預緊力F、緊固件的總摩擦系數μm。

表1 試驗因素水平對應情況

試驗所用NASM1805螺母為自鎖螺母，螺紋在咬合時發生干涉，螺栓螺紋需要做功克服收口變形后螺母螺紋的自鎖轉矩Tlock。結合文獻[19]可得出自鎖螺母擰緊時的轉矩-預緊力關系式

Tr=T-Tlock=KFD

(6)

式中：Tr為參與計算的有效轉矩。根據試驗結果，擰緊螺栓頭與螺母時的自鎖轉矩Tlock會略有不同，分別為4 N·m與3 N·m，可能是擰緊螺栓頭時螺栓光桿與孔壁間產生了額外的摩擦。計算結果如表2所示。

3 擰緊工況對預緊力的影響分析

3.1 過擰現象

根據表2試驗數據發現試驗測得的擰緊轉矩T在17.7～19.3 N·m之間，相比目標轉矩18.6 N·m正負最大偏差分別為3.8%與-4.8%。這表明在不同擰緊工況的作用下，螺栓連接得到的擰緊轉矩值存在偏差，而這一點在以往的很多研究中沒有被考慮。

表2 DOE試驗方案及對應結果

為了進一步分析不同因素對擰緊轉矩T的影響規律，以T為響應，利用Minitab軟件對試驗結果進行處理分析。對響應擰緊轉矩T做Pareto圖，分析各項效應的顯著性，見圖3。Pareto圖是將各效應的t檢驗所獲得的t值作為橫坐標，按照絕對值的大小排列起來，根據選定的顯著性水平α，給出t的臨界值，絕對值超過該臨界值的效應將被選中。本試驗的顯著性水平α為0.05。擰緊轉速對擰緊轉矩T的影響最顯著，是唯一超出臨界值2.120的因素。

圖3 各因素對T的顯著性影響

從主效應圖4中可以看出，由轉矩傳感器測出的擰緊轉矩T值的平均水平約為18.3 N·m，轉矩傳感器與擰緊軸間存在一定測量誤差。圖中擰緊轉矩的增幅在各因素中最大，而擰緊部位的不同則對最終的擰緊轉矩T基本沒有什么影響。從擰緊軸的動能角度分析：一方面擰緊軸的轉速越大，最終擰緊軸到達目標轉矩時的動能也就越大，慣性效應更顯著，從而產生“過擰”現象，即實際擰緊轉矩T會超過目標轉矩。另一方面擰緊軸的規格越大、質量越大則最終擰緊完成時所產生的動能也越大，也容易產生“過擰”現象。

圖4 擰緊轉矩T的主效應圖

3.2 摩擦狀態的變化

根據圖5可以看出，對于總摩擦系數μm影響最顯著的因素是擰緊部位，其次是擰緊轉速和貼合面密封與否，而是否擦拭螺栓則對于μm的影響不明顯。結合總摩擦系數μm的主效應圖6，對于擰緊部位來說，擰緊螺母時的μm相比擰緊螺栓頭時，下降了約30%；對于擰緊轉速，μm也有顯著下降的趨勢；此外貼合面密封膠的涂覆也導致了μm的下降。而由于螺紋表面經過了鈍化處理，是否擦拭螺紋表面并不會改變螺紋表面狀態。所以，對摩擦系數的影響不大。

圖5 各因素對μm的顯著性影響

圖6 總摩擦系數μm的主效應圖

需要特別指出，在貼合面涂覆密封膠的情況下，貼合面間的密封膠在裝配壓緊后易被擠出，附著于孔壁內,如圖7(a)所示。當螺栓從孔壁中穿過時，容易附著一部分密封膠于螺紋上，如圖7(b)所示。且隨著擰緊過程推進，CFRP板間的夾緊力不斷增加，多余密封膠從孔壁間被擠出。隨著螺紋間的相對運動，被擠出的密封膠會逐漸擴散至光桿區域，如圖7(c)所示。在實際裝配操作過程中確實存在類似的密封膠卷入螺紋的現象，使螺紋間的摩擦狀態發生改變。因此，接下來主要針對轉速、螺紋處密封膠、擰緊部位展開進一步分析。

圖7 密封膠對螺栓連接的影響

對于螺紋處有密封膠的情況，由于密封膠為黏彈性流體，因此在螺紋間構成了混合潤滑。密封膠的卷入改善了螺紋間的接觸形式，使總摩擦系數得到降低。

根據圖6，隨著擰緊轉速的增加，總摩擦系數降低。對此，主要分螺紋間有、無密封膠兩種狀態進行分析。在有密封膠的情況下，即圖5(b)中顯著的轉速與密封膠的二階交互效應，構成了前文所述的混合潤滑狀態，結合潤滑運動表面的通用特性曲線——Stribeck曲線進行分析，如圖8所示，HS的表達式可以簡化為

(7)

式中：η為潤滑介質的黏度；v為速度；Fn為法向載荷。結合圖8分析，在混合潤滑階段，相同載荷下轉速越大，HS越大，相應的摩擦系數f趨向于降低。

圖8 Stribeck曲線圖

有密封膠情況下，文獻[20]利用經驗公式(8)來驗證擰緊轉速對摩擦效應的效應：

μ=μ0e-cv

(8)

式中：μ0為靜摩擦系數；v為速度；c為常數。隨著擰緊轉速增加總摩擦系數降低，與試驗結果相符。

擰緊部位不同之所以對總摩擦系數μm的影響最顯著，主要是由于在擰緊螺栓頭時，螺栓光桿處與孔壁間產生了劇烈摩擦，從而增加了擰緊過程中整體的摩擦效應。根據飛機CFRP結構裝配相關要求[21]，螺栓光桿與CFRP板孔壁之間的間隙約為50 μm。盡管在擰緊螺栓頭時會有部分密封膠卷入到光桿處，但仍然無法避免光桿與孔壁間的劇烈摩擦。如圖9所示，無論光桿處是否有密封膠，CFRP板孔壁與光桿表面的摩擦效應都導致光桿表面的鎘鍍層產生了一定程度的磨損。

圖9 孔壁對螺栓光桿的磨損情況

3.3 預緊力F的變化規律

據前文分析可知，擰緊轉矩T與總摩擦系數μm共同決定了最終的預緊力大小。所以，最終結合3.1節與3.2節的分析結果，對預緊力F的DOE試驗結果進行分析。

根據響應為F的Pareto圖10，可以看出預緊力F的顯著性規律與總摩擦系數μm的顯著性趨勢基本一致，預緊力F總體的t檢驗值要大于總摩擦系數μm。從主效應圖11來看，各因素對預緊力F的影響趨勢與對摩擦系數μm的影響趨勢相反，這與公式(4)中定義的F-μm關系相符。

圖10 響應為預緊力F時的Pareto圖

圖11 預緊力F的主效應圖

當貼合面密封膠被卷入螺紋中時，螺紋間進入混合摩擦狀態，摩擦效應減弱，更多的擰緊轉矩T直接作用于螺紋牙斜面，從而導致預緊力較大。擰緊轉速越大，一方面摩擦系數μm減小，密封膠卷入后便進入混合潤滑狀態；另一方面擰緊時容易發生“過擰”現象導致擰緊轉矩T增大，密封膠的卷入則會加強過擰的趨勢，兩方面共同導致預緊力增大。在擰緊螺栓頭時，由于光桿與孔壁間存在較大摩擦，一方面減弱了由于慣性作用可能發生的“過擰”趨勢，如圖4所示；另一方面增大了擰緊時的摩擦效應，更多擰緊轉矩T被消耗于克服摩擦做功，從而導致預緊力F較低。而當密封膠卷入光桿處后可以在一度上改善摩擦，但仍有磨損現象發生。

取總摩擦系數的最大值與最小值(試驗組10、22)，作出整個擰緊過程的T-F理論曲線，如圖12所示。在轉矩為[17.7 N·m,19.3 N·m]的區間內，便是根據DOE試驗所推算的預緊力的散差區域。

圖12 DOE試驗中的預緊力散差

4 結語

1)擰緊轉矩T產生的偏差原，主要是由于過高的轉速容易導致擰緊軸擰緊時的動能較高，慣性效應顯著，達到目標轉矩后，轉子仍然沒有停止轉動，從而產生“過擰”現象，導致預緊力過大。

2)總摩擦系數μm產生偏差的原因，一方面總摩擦系數較高，是由于制孔誤差，螺栓光桿與復材板孔壁間存在較為劇烈的摩擦；另一方面總摩擦系數較低，一是由于密封膠卷入螺紋后改善了螺紋間的潤滑狀態，二是由于高轉速時摩擦表面層的性質發生了改變，三是在高轉速與密封膠的交互作用下螺紋間的密封膠分攤了更多切向阻力從而減弱了摩擦效應。

3)擰緊轉矩T與總摩擦系數μm的偏差共同導致了預緊力F的偏差。因此，控制預緊力的實質就是要控制擰緊轉矩T與總摩擦系數μm，可通過降低擰緊轉速、控制密封膠涂覆用量與涂覆區域、針對不同擰緊部位設計不同目標轉矩值等手段，使兩個變量處于穩定狀態。