谈谈航天全金属自锁螺母标准的实施*——锁紧性能及相关试验要求

查朝晖　温楠

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

谈谈航天全金属自锁螺母标准的实施*
——锁紧性能及相关试验要求

查朝晖温楠

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

文摘：在对比分析国内外相关自锁螺母标准试验项目、试验方法的基础上，从术语、锁紧性能、试验方法等三个方面对航天行业全金属自锁螺母标准的实施进行解读。

航天紧固件；自锁螺母；锁紧性能；力矩。

全金属自锁螺母是国内外航空航天产品上使用最广的一类自锁紧固件。它有各种不同的型式，如：六角、双六角等外扳拧结构的螺母，各种固定托板、游动托板螺母等。航天行业系列标准QJ 3079《全金属自锁螺母》就规定了22个不同结构型式的产品。

全金属自锁螺母的结构型式虽然很多，但大多数都是靠螺母压扁收口使之具备锁紧功能。通过自锁螺母锁紧部位的螺纹与螺栓旋合时，受到螺栓螺纹的挤压而恢复原状，螺母产生弹性变形和弹性变形力，因为弹性变形力对螺栓螺纹的干涉作用，产生阻止旋转的摩擦力矩，从而具备锁紧的能力。因此，锁紧性能是这种螺母最主要的技术指标。自锁螺母的锁紧性能要求通常包括：永久变形、常温下锁紧力矩、热暴露后的锁紧力矩 （高温用）、冷暴露后的锁紧力矩 （低温用），并通过相应的试验进行考核，以验证其锁紧性能是否满足要求。

航天行业标准QJ 3079.1-1998《全金属自锁螺母第1部分：通用规范》规定，螺栓螺母15次拧入拧出循环中，以第1次拧入最大力矩值和第15次拧出最小力矩值来判断螺母的锁紧性能是否合格。根据多年型号使用经验，参考美军标NASM 25027-1999《250℃，450℃和800℃的自锁螺母》、国际标准ISO 5858：2000《航空航天最高工作温度小于或等于425℃的自锁螺母采购规范》和欧洲标准EN 3005：2004《航空航天自锁螺母，MJ螺纹，镍基合金NIP101HT（wasploy）等级：1210MPa（室温）/ 730℃技术规范》，2011年对QJ 3079-1998进行了全面修订。其中，分标准QJ 3079.1A-2011在术语、对自锁螺母锁紧性能考核以及在试验项目、试验方法等方面都有变化。标准已实施近5年，笔者就QJ 3079.1A实施中应注意的问题谈谈看法。

1　术语方面

QJ 3079.1A中，用到了三个重要的术语，即拧入自锁力矩、拧出松动力和安装力矩。这是随着航天试验设备的技术改造与更新，有了施加轴向力的设备，可以严格按照ISO标准或美军标的规定进行锁紧性能试验，而这样的试验结果更符合自锁螺母实际的装配情况，对型号设计选用更具有指导意义。

a）拧入自锁力矩 （self-locking torque）——在没有轴向力的情况下，克服螺纹间的动摩擦所需的力矩。该力矩就是过去常用到的 “拧入最大力矩”，严格地说，应该称为 “自锁力矩”，但为了与过去的 “拧入力矩”加以联系，同时考虑通常都是在拧入方向测得，所以新版标准在自锁力矩之前冠以 “拧入”二字。标准规定，在15次拧入拧出循环或3次拧入拧出循环过程中，测得的自锁力矩均不得超过标准规定的最大值。该力矩过大，不会影响螺母的防松效果，但会影响装配，因此在保证锁紧的条件下，该力矩限定了最大值。

b）拧出松动力矩（breakaway torque）——在没有轴向力的情况下，克服螺纹间的静摩擦所需的力矩。该力矩与过去的拧出最小力矩不同，只强调沿拧出方向测得，没有明确是克服动摩擦还是静摩擦所需的力矩。克服动摩擦所需的力矩要比克服静摩擦小得多。在测量拧入自锁力矩和拧出松动力矩之间，要施加安装力矩，所以在测量拧出松动力矩的时候，一定要先拧出半圈以上，停止转动，再测量松动时克服静摩擦所需的力矩。该力矩应在螺母的锁紧区仍然完全与螺栓旋合、在无轴向力的情况下进行测定。该力矩只控制最小值，在15次拧入拧出循环或3次拧入拧出循环过程中，测得的自锁力矩均不得低于标准规定的最小值。该力矩过小，会影响螺母的防松效果，所以该力矩越大越好。

c）安装力矩（seating torque）。按 ISO7481《航空航天—最高工作温度小于或等于425℃的自锁螺母—试验方法》和 EN3004《航空航天——自锁螺母，MJ螺纹，耐热钢FE-PA2601 （A286）—等级：1100MPa（室温）/650℃—技术规范》、EN3005的规定，安装力矩定义为 “施加给螺母或螺栓的、使组件产生或增加轴向力的拧紧力矩”，按照美国 SAE标准 AS1310的定义，该力矩是 “使支承面贴合到位所需的力矩，该力矩只能在拧入方向测得”。

2　锁紧性能要求

2.1试验项目要求

常温下的锁紧性能试验分为15次拧入拧出循环、3次拧入拧出循环试验和1次拧入拧出循环试验，螺母在常温下进行15次拧入拧出循环的试验主要用于鉴定检验，3次拧入拧出循环和1次拧入拧出循环试验主要用于质量一致性检验。见表1。

表1　国内外标准有关自锁螺母锁紧性能试验项目要求

热暴露后锁紧性能试验是为了模拟在高温条件下的螺母工作情况，需先将螺母套筒与螺栓拧紧在一起，并施加一定的预紧力，将拧紧状态的组件置于最高工作温度下持续保温6h。国外各自锁螺母标准规定的热暴露后循环试验次数有所不同。其中，NASM 25027-1999标准要求进行15次循环试验，EN 3005：2004和 ISO 5858：2000则分别进行5次和3次循环试验。

QJ 3079.1-1998规定，无论是鉴定检验，还是质量一致性检验，都要求做15次拧入拧出循环的锁紧力矩试验，包括第一次拧入最大力矩值和第15次拧出最小力矩值，均需满足标准规定。根据航天系统多年生产、检测金属自锁螺母的经验发现，自锁力矩的最大值不一定出现在第1次拧入拧出循环，而且第一次拧入拧出循环及第2、3次拧入拧出循环测出的拧出松动力矩值对自锁螺母锁紧机构的质量保证更有判定意义。QJ 3079.1A规定的鉴定检验和质量一致性检验的项目要求见表2。

标准实施中需要注意以下几点。

表2　QJ 3079.1A规定的鉴定检验和质量一致性检验

a）15次拧入拧出循环试验与3次拧入拧出循环试验。15次拧入拧出循环试验非常耗时，按标准规定，试验螺母不应超过30r/min的旋转速度，且其温度不能超过45℃，通常一个自锁螺母完成15次拧入拧出循环要30min左右。大量的试验数据表明，若第3次拧入拧出循环试验的拧出松动力矩不合格，那么第15次的拧出松动力矩也不合格。从大量15次拧入拧出循环试验曲线可以看出，同批自锁螺母只要材料性能符合要求，收口制造工艺稳定，拧出松动力矩在第二次或第三次拧入拧出循环后，拧出松动力矩衰减比较缓慢。因此，QJ 3079.1A将质量一致性检验由 15次循环改为3次循环试验，这也与欧洲标准 EN 3004和 EN 3005的要求是一致的。另外，本文表2序号2所列试验项目，是用15次拧入拧出循环试验的前3次试验数据作为它的试验的数据，但序号1和序号2试验数据必须同时满足标准中的表10的规定。

b）永久变形试验，即永久变形锁紧力矩试验，这实际是考核自锁螺母对不同螺纹精度螺栓的适应能力。试验时，先用最大螺纹芯棒拧入螺母，测出拧入自锁力矩，其值不能超过标准规定的最大值。然后旋出自锁螺母，再用最小螺纹芯棒拧入螺母，测出拧出松动力矩，其值不能小于标准规定的最小值。这个试验也可叫做 “双芯棒力矩试验”。最大螺纹芯棒接近配用螺栓螺纹的最大实体尺寸，最小螺纹芯棒相当于配用螺栓螺纹的最小实体尺寸。进行永久变形试验的成本很高，因为配用芯棒螺纹的精度很高，最大芯棒和最小芯棒的制造公差都很小，需要磨削加工。所以只有鉴定检验才进行该项试验。

c）热暴露后的3次拧入拧出循环试验。自锁螺母高温锁紧力矩试验是考核自锁螺母在标准规定的最高工作温度时的锁紧性能，按理，试验应在相应工作温度下进行，但因为受到试验条件限制，只能经热暴露后在常温下进行。所谓热暴露，就是将自锁螺母和螺栓，装到与螺母材料相同的套筒上，施加一定的预紧力，然后将螺母螺栓组件置于螺母的最高工作温度 （如230℃）下持续6h，取出，冷却到常温后，再进行常温下的锁紧力矩试验，测得的最大拧入自锁力矩和最小松动力矩符合标准规定值即为合格。

2.2锁紧力矩要求

QJ 3079.1A规定以上试验项目数据应符合标准中的表10要求。实施中应注意理解表10中的注解内容，特别是注解e、f，均为3次拧入拧出循环试验中拧出松动最小值。以M6规格的自锁螺母为例，15次拧入拧出循环试验中要求拧出松动力矩最小值不得小于0.35N·m，而3次拧入拧出循环试验中，考核的是第1次拧出松动力矩不得小于0.70N·m，第2、3次拧出松动力矩最小值不得小于0.40N·m。这是因为从大量15次拧入拧出循环试验曲线可以看出，若第1次拧出松动力矩小于标准规定值 （即注解e），基本就可以判断自锁螺母锁紧机构质量有问题。若第1次勉强合格，而第2、3次拧出松动力矩衰减得比较厉害，不能满足3次拧入拧出试验中第2次和第3次次拧出松动力矩最小值 （即注解f），不用做到15次一定会出现拧出松动力矩最小值小于0.35N·m的情况。而前三次拧出松动力矩合格，后面再增加拧入拧出循环次数，拧出松动力矩衰减就比较缓慢。基于这些试验曲线和国际标准、欧洲标准的规定，QJ 3079.1A给出了表10自锁螺母锁紧力矩的要求。

3　试验验证要求

3.1安装力矩施加要求

安装力矩是施加给螺纹紧固件的并使其产生或增加轴向力的拧紧力矩，施加这个力矩的目的是模仿自锁螺母实际装配的情况，比不产生轴向力的15次纯拧入拧出对自锁螺母锁紧机构的考核力度更加严苛。

国外自锁螺母标准根据螺母强度等级来确定安装力矩要求，如ISO 5858将螺母划分为6个等级（450MPa、600MPa、900MPa、1100MPa、1250MPa、1550MPa），强度等级不同则安装力矩也相应不同。

QJ 3079.1A根据ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的规定确定安装力矩要求。多循环试验，即15次或3次拧入拧出循环试验，每一次要将螺母拧到装有衬套的芯棒上，测量并记录螺母旋转过程中的拧入自锁力矩。然后，继续拧紧螺母，使螺母的支承面与套筒贴合，并施加标准规定的安装力矩，之后，拧松螺母卸掉轴向力 （螺母和芯棒间的轴向力为零），停止转动。然后继续拧出，测量并记录拧动螺母时的拧出松动力矩。这一要求的关键在于施加了安装力矩。因为施加安装力矩会产生轴向力，这种情况更符合实际自锁螺母的使用工况，试验结果更有实际意义。

3.2取值范围

QJ 3079.1A规定多循环试验，即15次或3次拧入拧出循环试验。拧入自锁力矩值为全部15次或3次拧入拧出循环中拧入自锁力矩的最大值；而拧出松动力矩，15次和3次拧入拧出循环试验的拧出松动力矩取值范围有所不同。15次拧入拧出循环试验，取全部试验中15次拧出松动力矩的最小值，3次拧入拧出循环试验取第1次拧出松动力矩的最小值，以及第2次和第3次拧出松动力矩的最小值。

QJ 3079.1A规定螺母锁紧性能数值均符合ISO 5858、ISO 7481和EN 3004的规定。锁紧性能试验方法也与ISO和EN相应标准相同。

3.3试验芯棒要求

QJ 3079.1A对于常温下的多次拧入拧出循环试验用芯棒，参考ISO标准的相关规定，对芯棒的中径给出了单独的要求，其中径下限值与GB/T 197-2003《普通螺纹 公差》中5h外螺纹的中径下限值完全相同，只是公差带范围为GB/T 197-2003标准中5h螺栓的一半。永久变形试验用最大螺纹芯棒的中径为最小螺纹芯棒中径加芯棒公差带。芯棒公差带由 ISO 7481 MJ螺纹芯棒公差带占螺栓螺纹中径公差带的比列推导而出。最小螺纹芯棒螺纹中径等于相应规格螺栓螺纹中径减螺栓螺纹公差带。

4　结束语

QJ 3079.1A规定的全金属自锁螺母的锁紧性能鉴定检验项目与美军标NASM 25027、国际标准ISO 5858和欧洲标准EN 3005：2004的规定是完全一致的。质量一致性检验项目，根据航天系统多年生产、验收检验全金属自锁螺母的经验，确定为3次拧入拧出循环试验，而没有选择ISO 5858中规定的“1次拧入拧出循环试验”。采用的自锁螺母锁紧性能试验方法与国际标准ISO 5858和欧洲标准EN 3004的规定完全一致，只是ISO 5858用的是MJ螺纹芯棒，航天标准用的是M螺纹芯棒，但设计原理与MJ螺纹芯棒相同，锁紧性能数值均符合 ISO 5858、ISO 7481 和EN 3004的要求。

航天行业全金属自锁螺母新标准已实施将近5年，通过鉴定检验和质量一致性检验，对航天型号用自锁螺母产品起到了很好的质量把关作用。航天标准紧固件研究与检测中心可以通过复验检测，将约6%的锁紧性能不合格的自锁螺母产品排除出型号装配现场，基本能够确保螺纹连接的质量与可靠性。

查朝晖 （1962年—），女，高级工程师，现从事航天通用零部件标准化工作。

更正

《航天标准化》2016年第2期袁静和包勇撰写的 《浅析军用电子元器件的分类及命名现状》1.1条第一段中 “电子元件又称有源器件 （或被动件），电子器件又可以称作无源器件 （或主动件）”应修改为 “电子元件又称无源器件 （或主动件），电子器件又可以称作有源器件 （或被动件）”。特此更正。由于作者疏忽给读者带来困扰，敬请谅解，同时感谢读者对本文的关注。

*本文源于国防科技技术基础课题 （B0320××1200-5）。