鎖緊組件螺釘無法嚙合失效分析及改進研究

梁啟超，梁明態

（遵義精星航天電器有限責任公司，貴州遵義 563125）

1 鎖緊組件介紹

通常，鎖緊組件分為自由端鎖緊附件和固定端鎖緊附件。

自由端鎖緊附件結構主要由鎖緊螺釘、彈墊、桿套三部分組成。其相互的裝配關系如下：桿套前端通過翻鉚固定在外殼安裝孔位置上，將彈墊和螺釘依次裝入桿套后，對桿套尾端進行縮口，形成不脫出螺釘的結構。

固定端鎖緊附件結構主要由安裝螺釘、導電橡膠墊、密封圈、平墊、彈墊、螺母組成。其相互的裝配關系如下：安裝螺釘穿過安裝板、導電橡膠墊及外殼的安裝孔，之后尾端安裝平墊、彈墊并通過螺母擰緊使安裝附件固定在安裝板上，鎖緊螺釘頭有螺紋孔，用于產品對接后與鎖緊螺釘進行鎖緊。

2 鎖緊組件螺釘失效

某連接器鎖緊組件螺釘在使用過程中，發現一端螺釘鎖緊時，一直在空轉，無法與固定螺釘進行嚙合。對該鎖緊組件目測檢查，故障螺釘為M2.5的細小螺釘，未看到明顯的外觀缺陷。在顯微鏡下觀察，發現前端幾牙螺紋已經產生較嚴重的磨損，螺牙的牙頂基本已經被磨掉，如圖1所示。

圖1 鎖緊螺釘結構

3 原因分析

3.1 螺紋旋合長度不足

（1）計算自由端鎖緊螺釘超出外殼法蘭盤端面的尺寸。經計算，螺釘超出外殼法蘭盤端面的尺寸A 為：3.07 mm（min），4.26 mm（max）。

（2）計算固定端螺釘頭端面距離插座對接端端面的尺寸。在計算時，安裝板厚度按照（2.50±0.10）mm 進行計算，導電橡膠墊在未壓縮時尺寸為1.57 mm，其壓縮量按照建議值最大上限30%計算，壓縮后的尺寸為：1.57 mm×0.7=1.099 mm，經計算，螺釘端面距離插座對接端端面的尺寸B 為：0.601 mm（min），0.991 mm（max）。

（3）考慮內外螺紋的倒角應從有效嚙合長度中減去，固定端安裝螺釘倒角為0.3 mm，L2鎖緊螺釘倒角為：0.3 mm。

綜上，自由端螺釘與固定端螺釘的有效嚙合長度為：A-B-0.3 mm-0.3 mm=1.48 mm（min），3.059 mm（max）。鎖緊螺釘采用粗牙螺紋，螺距為0.45 mm，最小螺紋嚙合牙數為：1.48 mm/0.45 mm=3.28。

可以看出，該螺釘最小旋合長度為3.28螺距，該最小旋合長度符合QJ165A-95《航天電子電氣產品安裝通用技術要求》中規定：“螺紋連接有效長度不得小于3螺距”，從設計上是符合要求的。但從實際上考慮，根據GB/T 3934-2003《普通螺紋量規技術條件》的規定“允許工件內外螺紋與止規部分旋合，旋合量應不超過第二個螺距”。當鎖緊螺釘及固定螺釘均處于止規能夠嚙合2牙的極限狀態時，螺紋的配合間隙較大，承載能力較低。若螺紋處于止規能夠嚙合2牙的極限狀態，螺紋旋合后，其有效配合面較小，在鎖緊及解鎖力的作用下，螺牙容易被磨損，最終導致無法正常鎖緊。

綜上分析，從設計上說，該螺釘的最小旋合長度是合理的，但從實際使用來說存在不足的情況。

3.2 螺紋副硬度匹配性不良

固定端螺釘及自由端螺釘材料相同，硬度相同，其設計依據是歐空局標準ESCC3401/032《3401/029超小型連接器和3401/041Saver 用附件詳細規范》4.4.1條“螺紋鎖緊組件及支架應由經過鈍化的不銹鋼加工，牌號303”。按美軍標MIL-DTL-83513/5H《安裝附件為矩形電連接器單篇詳細規范》的要求，自由端螺釘應與固定端螺釘材料及硬度不同。

當自由端與固定端螺釘材料及硬度相同時，會出現以下情況：

（1）其抗磨性差，容易產生磨損。

（2）容易產生粘連的現象。

在GB/T3098.2《緊固件機械性能螺母粗牙螺紋》中規定：螺桿的斷裂是突然發生的，比較容易發現，而脫扣是逐漸發生的，很難發現。因此，在設計時，總希望失效形式是螺桿斷裂，設計時螺母的硬度及抗拉強度應高于螺釘的硬度及抗拉強度。但目前螺紋直徑為M2.5的自由端鎖緊螺釘與固定端螺釘所采用的材料均為WCD 狀態的06Cr17Ni12Mo2，兩者材料狀態一致，材料硬度一樣。

因此，存在螺紋副硬度匹配性不良的原因。

3.3 使用過程中產生磨損

由于鎖緊組件螺紋為M2.5，螺牙細小，產品對接鎖緊過程中，如果受到較大的軸向力或歪斜鎖緊時易產生磨損：

過大軸向力：剛開始旋合的螺牙較少，無法承受較大的軸向力，易造成螺紋損傷，應注意選擇合適的螺絲刀刀頭，避免打力矩時施加過大的軸向力造成螺紋損壞。

歪斜力：由于鎖緊組件螺紋是小螺紋，偏斜鎖緊對螺紋會造成損傷。

通過對上述可能造成鎖緊組件螺釘無法鎖緊的原因進行的逐條分析，最終得出無法鎖緊的原因主要有兩點：

（1）由于產品鎖緊螺釘和固定螺釘材料選用不當，不符合GB/T3098.2《緊固件機械性能螺母 粗牙螺紋》所規定的材料硬度要求。

（2）產品對接鎖緊時，鎖緊螺釘與安裝螺釘螺紋有效嚙合長度較小，且螺紋前端2牙螺紋配合間隙大，承載能力不足，在鎖緊和解鎖外力的作用下，螺牙逐漸磨損加劇。

綜上兩種原因最終導致螺釘無法正常鎖緊[1]。

4 機理分析

4.1 產品零件材料選擇的分析

自由端鎖緊螺釘和固定端螺釘所選用的材料均為WCD 狀態的06Cr17Ni12Mo2，材料強度一致，兩者在互配使用過程中脫扣是逐漸發生的，很難發現。因此針對該失效形式，需要保證固定端螺釘的硬度及抗拉強度高于自由端鎖緊螺釘的硬度及抗拉強度；在保持固定螺釘材料不變的情況下，將鎖緊螺釘的材料更改為L 狀態的1Cr18Ni9，該材料的抗拉強度為800 N/mm2，且小于抗拉強度為1100 N/mm2的WCD 狀態06Cr17Ni12Mo2。在這種情況下鎖緊螺釘與固定螺釘在使用過程中鎖緊螺釘的斷裂是突然發生的，較容易發現[2]。

4.2 使用過程中產生磨損的分析

自由端螺釘與固定端螺釘鎖緊時，若旋合長度為最小值3螺距，且螺紋前端處于止規可嚙合2牙的極限狀態，此時螺紋配合間隙大，所能承受的緊固軸力小。鎖緊解鎖時，鎖緊螺釘與固定螺釘的螺牙均產生磨損，超過螺紋的承載能力時即產生無法鎖緊的故障現象。

5 故障復現

為了驗證故障現象，我們選取了4套產品進行鎖緊與分離的壽命試驗，每次鎖緊的力矩為0.4 N·m，該兩套產品的自由端及固定端螺釘止規均能夠嚙合2牙。試驗過程及結果見表1。

表1 故障復現試驗

通過上述試驗，鎖緊螺釘無法鎖緊的故障現象得到復現。

6 改進措施及措施驗證

6.1 改進措施

針對上述分析的原因，擬定如下改進措施：

（1）自由端鎖緊螺釘長度在原來基礎上增加1 mm，增加產品的有效旋合長度。

（2）自由端鎖緊螺釘材料從原來的WCD 狀態的06Cr17Ni12Mo2 不銹鋼絲更改為L 狀態的1Cr18Ni9不銹鋼絲。

（3）由于鎖緊螺釘有效旋合長度公差累積較大，對產品尺寸進行優化，減小公差范圍。

（4）加強對螺釘螺紋加工的生產控制，對于固定端螺釘及自由端螺釘的螺紋控制止規嚙合牙數：不得超過1牙。

（5）針對偏斜鎖緊的問題，設計生產加長的螺絲刀頭。

6.2 措施驗證

為驗證將螺釘加長1 mm 且更改材料的措施是否有效，進行了如下試驗：

試驗1：采用故障復現中已經出現無法鎖緊的4套產品進行試驗，將其自由端螺釘更換為加長1 mm的螺釘繼續進行鎖緊及解鎖（其中兩套鎖緊力矩為0.4 N·m，另外兩套鎖緊力矩為0.5 N·m），一直到其再次出現無法鎖緊的故障現象為止，記錄鎖緊次數；

試驗2：采用4套產品進行試驗，自由端螺釘為加長1 mm 的狀態，固定端螺釘為止規能夠嚙合2牙的極限狀態，其中兩套采用0.4 N·m 的力矩進行鎖緊及解鎖，另外兩套采用0.5 N·m 的力矩進行鎖緊及解鎖，到其出現無法鎖緊的故障現象為止，記錄鎖緊次數；

試驗3：采用4套產品進行偏斜鎖緊試驗，自由端螺釘為加長1 mm 的狀態，固定端螺釘為止規能夠嚙合2牙的極限狀態，其中兩套采用0.4 N·m 的力矩進行鎖緊及解鎖，另外兩套采用0.5 N·m 的力矩進行鎖緊及解鎖，在鎖緊的過程中，使螺絲刀處于偏斜的狀態，到其出現無法鎖緊的故障現象為止，記錄鎖緊次數。

具體的試驗過程及結果見表2。

表2 措施驗證試驗

通過上述試驗驗證，可以看出：

（1）作為臨時處理措施，產品出現無法正常鎖緊的故障現象后，將自由端螺釘更換為增加1 mm 且更改材料的螺釘后，仍能夠繼續正常鎖緊解鎖150次以上。

（2）自由端螺釘加長1 mm，垂直鎖緊解鎖500多次后出現無法鎖緊的故障現象，滿足實際使用。

（3）自由端螺釘加長1 mm，偏斜鎖緊解鎖460次以上出現無法鎖緊的故障現象，通過采用較長的螺釘刀可避免偏斜鎖緊的情況發生。

（4）采用0.5 N·m 的力矩進行鎖緊及解鎖時，產品的鎖緊及解鎖次數略微降低，但仍可滿足產品實際使用的要求。

綜合上述驗證結果可以得出采取自由端螺釘加長1 mm 且更改材料的措施有效。

7 結束語

通過復查分析，發生螺釘無法鎖緊的原因是：產品對接鎖緊時，鎖緊螺釘與安裝螺釘螺紋有效嚙合長度較小，且螺紋前端2牙螺紋配合間隙大，承載能力不足，在鎖緊和解鎖外力的作用下，螺牙逐漸磨損加劇，最終導致螺釘無法正常鎖緊。而且鎖緊螺釘與安裝螺釘的材料一致，螺紋副硬度不良，導致在使用過程中脫扣不明顯可見。通過采取加長自由端螺釘長度、控制螺釘止規嚙合牙數和更改螺釘材料的措施，可以避免類似問題再次發生。