不锈钢螺纹联接副损伤及咬死现象分析与解决措施

2013-06-01李文顶孔鸣杰江文达

机电工程技术 2013年1期

关键词：扳手涂覆硼酸

李文顶，孔鸣杰，江文达

（中国航天科技集团公司第八〇三研究所，上海 200233）

0 前言

不锈钢咬死问题在某运载火箭单机研制中多次出现，本文收集不锈钢咬死问题的相关资料，开展防止不锈钢咬死问题的措施。

在某单机研制过程中，考虑到材料的耐腐蚀，强硬度等设计约束，多个零件选用了不锈钢，在装配、分解过程中发现多处咬死现象。

1 不锈钢螺纹咬死机理

相关研究表明，不锈钢螺纹联结之所以经常发生咬死，主要是由于不锈钢金属合金本身会在表面受到破坏时，在金属表面产生一层薄薄的氧化层来防止进一步的更深入的损伤，正是由于不锈钢及其合金的这种防锈蚀性，使得不锈钢螺纹联结咬死的情况极易发生。

当不锈钢紧固件锁紧和拆卸时，螺纹牙间的相互运动所产生的压力与摩擦力会破坏并抹去螺纹牙上的氧化膜层，而摩擦产生的热能将加剧氧化膜层的损坏速度。氧化膜层的损坏使得金属牙纹直接发生相互作用力，进而发生粘着现象，当粘着现象持续发生时，如果不能及时的采取措施，将使得不锈钢螺纹副完全锁死，无法拆卸。

不锈钢咬死的外部原因为：压纹粗糙或有异物粘联，如有金属屑夹在牙纹间，常会导致锁死；用力太过或者拧紧过快；施力方向角度错误，拧紧时未沿轴线旋合。

2 不锈钢螺纹联接副损伤、咬死的解决措施及其预防

2.1 润滑

润滑是控制咬死问题的最有效的措施之一，润滑能够减少摩擦力这一导致咬死的关键因素，装配人员应该注意的是，使用润滑剂后扭力与预紧力的关系也将相应改变，当使用力矩扳手时，应充分考虑这一因素。

重庆大学的邓小桅、程西云等进行了硼酸镧纳米添加剂对摩擦副抗咬死性能影响的研究[1]，通过对含硼酸镧纳米粒子添加剂润滑油的抗咬死性能试验研究发现，硼酸镧纳米添加剂能改善滑动摩擦副的抗咬死性能及润滑油的润滑性能，通过分析咬死失效后的表面形貌，结合咬死失效前后滑动摩擦副表面XPS 图谱，分析了硼酸镧纳米添加剂提高滑动摩擦副抗咬死性能的原因。

南车戚墅堰机车有限公司的华军以内燃机车连杆螺栓紧固为例对螺纹润滑状态改变对螺栓预紧力矩的影响进行了分析[2]，航天科工集团公司信阳航天标准件厂的曲璇中进行了润滑对钛合金螺栓拧紧力矩的影响分析[3]。两者均证明了当存在润滑作用时应适当减小拧紧力矩。

2.2 涂覆

采用表面涂覆也能在很大程度上缩减摩擦系数，故而有效降低不锈钢螺纹咬死的概率。

不锈钢螺栓耐腐蚀性较好，但硬度相对较低，摩擦系数大，受力后螺纹易塑性变形，粘合性强，从而导致咬死。

理论分析及经验表明，减小不锈钢螺纹副相互配合摩擦力能够较好的避免咬死问题，据此提出抗咬死材料配方的设计原则是：减摩润滑效果好，防止配合螺纹副的直接摩擦，改善螺纹间（螺栓与螺母）的配合表面。同时涂覆材料还要尽可能适应连接件的各种使用工况条件，如高温、辐射等，最后还要工艺可行、方便，有效期限长。工业上常用的涂覆材料包括石墨、二硫化钼和石蜡等。

2.3 热控制

配合过程中拧紧力导致螺纹副之间产生相互挤压力，并破坏形成的氧化膜层，不锈钢表面的直接接触导致摩擦力的增大，装配过程中产生的热量很容易导致螺纹副的磨损和咬死，即冷焊。少量的磨损可能引起轻微的螺纹副损害，装配人员依然能够拆卸联接副，然而磨损严重时将直接导致冷焊现象的产生，无法拆卸。

重庆大学的程西云、蒋松等人研究了温度升高咬死失效理论模型[4]，认为滑动摩擦副咬死是由于接触区的局部高温，导致基体金属熔焊所致，对于采用不同介质润滑时，咬死所经历的过程虽不完全同，但都是由于接触区瞬间产生高温引起的，文章指出以降低表面接触温度为措施的方法均可以有效提高滑动摩擦副的抗咬死能力。

军械工程学院的靳莹、杨润泽通过ANSYS模拟了不同悬合速度下的螺纹生热情况[5]，进一步探究了螺纹联结的生热机理及热量与旋和速度的关系。

由分析研究可知，热也是螺纹咬死的一个重要因素，装配过程中摩擦导致了热量累积，并且热量伴随着速度的加快而增加，降低装配速度也能降低咬死风险。尽量选用扭力扳手或套筒扳手，避免使用活动扳手和电动扳手，电动扳手常导致上锁速度过快，温度急剧上升而锁死。

2.4 材料选型

相互配合的不锈钢材料相同时比不同材料的不锈钢更容易导致咬死现象的产生。如400 系列不锈钢与316 系列的不锈钢螺纹副配合时就不易咬死。当由于设计要求需要选择相似材料时，应规定不同的硬度值。

2.5 控制螺纹质量

螺纹表面的光滑度越高，咬死的概率越低。

3 结论

额外摩擦力和装配过程中产生的热量是导致螺纹副损伤、咬死的主要原因，相似材料的使用、螺纹副表面粗糙及多余物都能导致螺纹副早期磨损和增加咬死风险。在该运载火箭单机研制过程中，发现多处咬死均为连接副设计缺陷或者安装旋入操作不当（未对中、旋入速度过快）引起，可以通过润滑剂和调整装配工艺进行矫正，图1 给出了不锈钢螺纹联接副损伤、咬死的原因及相应解决措施。