弹载电子设备螺钉拧紧力矩研究

2018-02-25李建伟钱皇延

制导与引信 2018年3期

黄凯，刘宇，李建伟，钱皇延

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

由于弹载电子设备轻量化、小型化、防腐蚀的要求，连接结构中一般采用不锈钢螺钉拧入铝合金螺纹孔，达到预紧产品的目的。采用弹簧垫圈或者胶水起到防松作用。为了提高弹载电子设备螺钉装配质量，为智能制造奠定技术基础，有必要开展不锈钢螺钉拧紧力矩量化研究。

国内现有标准中，只有针对碳钢、合金钢、钛合金M6以上的螺栓拧入螺母的拧紧力矩，不适用于弹载电子设备［1-2］。国内，学者焦超锋等开展了机载电子设备常用螺钉拧紧力矩研究［3］。学者孙东梅开展了力矩控制在雷达装配中的应用研究［4］。对不锈钢螺钉拧入铝合金螺纹孔的工况，考虑螺钉材料、螺纹孔材料等因素，基于抗拉强度理论计算预紧力。查表得到拧紧力矩系数，实现拧紧力矩的量化。

国外，美国航空航天局编制标准NASA-RP-1228《紧固件设计手册》和NASA-STD-5020《航天器用螺纹紧固系统要求》，对设计、分析、工艺、质量保证等方面，进行了规定。

本文将建立螺钉紧固系统，从系统层面出发，综合考虑螺钉、螺纹孔和被连接件的材料力学性能，基于强度理论，计算预紧力。合理选取螺纹副的摩擦系数，弹簧垫圈与平垫圈之间端面摩擦副的摩擦系数，初步估算拧紧力矩系数。开展拧紧力矩系数测试，修正拧紧力矩系数，提高力矩量化精度。开展随机振动环境试验，验证方法的可行性。

1 拧紧力矩量化思路

螺钉的拧紧力矩主要由螺钉的预紧力、螺钉大小和拧紧力矩系数、紧固系数Q相关。鉴于电子设备的特性，螺纹孔和被连接件的强度较低，螺钉的预紧力需要考虑螺钉强度、螺纹孔强度和被连接件强度。鉴于不锈钢螺钉、铝合金螺纹孔的材料硬度较软，摩擦系数相对较高，需要重新计算拧紧力矩系数。紧固系数Q值主要与安装工具和润滑条件相关。

拧紧力矩的量化思路，如图1所示。

弹载电子设备拧紧力矩系数经过试验测试及修正，可进一步提高预紧力的安装精度。

图1 拧紧力矩量化思路

2 紧固系统建模

2.1 电子设备紧固系统

弹载电子设备典型紧固系统主要由元器件、印制板、屏蔽壳体、盖板、紧固件、螺纹胶水和框架等组成，如图2所示。

图2 电子设备典型紧固系统组成

电子设备螺钉装配一般可分为电路板级、组件级和系统级。在电路板级装配中，质量较重的元器件通过螺钉安装在电路板上，常用紧固结构如图3所示。

图3 电路板级装配

在组件级装配中，电路板组件通过螺钉安装在屏蔽壳体内，常用紧固结构如图4所示。

图4 组件级电路板组件装配

盖板通过螺钉安装在壳体上，常用紧固结构如图5所示。

图5 组件级盖板装配

在系统级装配中，组件通过螺钉安装在系统框架上，常用紧固结构如图6所示。

图6 系统级装配

电子设备典型紧固系统中，选用的紧固件、器件安装法兰、印制板、屏蔽壳体、盖板和框架的材料性能参数，如表1所示。

2.2 预紧力

预紧力是螺钉与螺纹孔完成装配时，螺钉受到的轴向拉伸力。该力不包括作用在螺钉—螺纹孔连接副上的外力。

电子设备紧固系统中，预紧力取决于螺钉强度、螺纹孔强度和被连接件强度，选取三者中的最小值作为计算依据。

表1 材料性能参数

螺钉采用不锈钢材料，而螺纹孔一般为铝合金或不锈钢材料。此时螺钉强度取决于螺杆抗拉强度。螺纹孔强度取决于螺纹抗剪切强度、抗挤压强度和抗弯曲强度，选取三者中的最小值作为计算依据。被连接件的强度取决于抗压强度。

预紧力的计算方程为

式中：F0为预紧力；k为预紧力系数，k取0.5～0.6；F1为螺钉能承受的最大轴向力；F2为螺纹孔能承受的最大轴向力；F3为被连件能承受的最大轴向力；σs为螺钉屈服应力；As为螺纹应力截面积；F21、F22、F23分别为基于螺纹孔抗剪切强度、抗挤压强度、抗弯曲强度的最大轴向力；D为螺纹孔大径；b为螺纹牙底宽度；z为结合圈数；［τ］为许用剪应力，对于材质为铝合金，可以取［τ］=0.6［σ］，［σ］为材料许用拉应力，［σ］=σs/S，其中σs为屈服应力，S为安全系数，对于有控制预紧力措施的，S取1.2～1.5；D2为螺纹中径；h为螺纹工作高度；［σb］为螺纹牙许用弯曲应力，［σb］= （1～1.2）［σ］；p为螺距；［σp］为许用挤压应力，［σp］= ［σ］；A 为挤压接触面积，盘头螺钉和内六角螺钉一般都与平垫圈一起使用，挤压面积以平垫圈表面积为准，沉头螺钉以沉头锥形表面积为准。

美国马歇尔航天飞行中心螺纹紧固件拧紧力矩标准中，给出的安装力矩规定为：对于一般结构连接场合，安装力矩不应超过拉力屈服载荷的65%；对于关键结构连接场合，安装力矩应占相应拉力屈服载荷更高的比例。美国MIL-HDBK-60《螺纹紧固件—拧紧到合适的预紧力》标准中，给出的最大螺栓预紧力应在以下范围内：螺栓最小为拉力载荷的50%～80%［5］。国内，《紧固件连接设计手册》中，一般机械的安装力矩为拉力屈服载荷的50%～70%［6］。

针对弹载电子设备紧固系统，选择螺钉、螺纹孔和被连接件三者中，屈服载荷的50%～60%作为预紧力。

2.3 拧紧力矩系数

根据机械设计手册，螺栓和螺母紧固系统的拧紧力矩系数理论计算方程为

式中：K为拧紧力矩系数；d2为螺纹中径；d为螺纹公称直径；φ为螺纹升角；ρv为当量摩擦角；fc为紧固件与被连接件支撑面（垫圈）间的摩擦系数；Dw为紧固件（垫圈）与被连接件支承面外圆直径；d0为紧固件（垫圈）与被连接件支承面内圆直径［7］；P为螺纹螺距；f为螺纹副间摩擦系数；β为螺纹牙型斜角。

电子设备紧固系统中，拧紧力矩系数可参照式（2）进行计算。不锈钢和铝合金材料，与碳钢、合金钢比，表面偏软，摩擦系数会增大。电路板级装配中，不锈钢螺钉与弹簧垫圈间可视为软钢和钢接触，螺纹副可视为软钢和软钢接触。组件级电路板组件装配和系统级装配中，不锈钢螺钉与弹簧垫圈间可视为软钢和钢接触，螺纹副可视为软钢和铝合金接触。组件级盖板装配中，不锈钢螺钉与盖板间的接触面为圆锥形，可视为软钢和铝合金接触。不同材料间的摩擦系数，按设计手册选取［8］。

电路板级、组件级和系统级装配的参数选取，见表2。

经过计算，拧紧力矩系数如表3所示。

可见，不同工况条件下的拧紧力矩系数K存在差别。拧紧力矩系数K与螺纹的尺寸大小关系不大。

2.4 紧固系数

电子设备装配时，受紧固方法、紧固件表面状态、润滑状态的影响，依据《螺纹连接的理论与计算》，引入紧固系数Q，不同条件下，Q的标准值，见表4。

弹载电子设备采用带扭矩控制的工具安装。螺钉材料一般为不锈钢，表面简单清洗处理。零件的螺纹孔一般为导电氧化。装配过程中，一般无润滑。根据紧固方法和表面状态，紧固系数Q取1.8。

表2 参数取值

表4 紧固系数Q的标准值

2.5 拧紧力矩

螺钉的拧紧力矩是指螺钉在拧紧时采用的力矩。在正常条件下，施加在螺钉或者螺母上的力矩并不全产生螺钉预紧力，其中约有50%用于克服螺母或螺钉头与支承面之间的摩擦，螺纹摩擦损耗的力矩约占拧紧力矩的40%，而产生螺钉预紧力的力矩仅占拧紧力矩的10%左右。支承面的摩擦系数、螺纹接触面的摩擦系数、拧紧速度、工作现场的温度等许多因素都会影响以上3者之间的比例。摩擦系数（包括螺纹间的摩擦系数和螺钉与支承面间摩擦系数）越小，产生螺钉预紧力的比例就越大［9］。

拧紧力矩T，按下式计算

式中：Q为紧固系数；K为拧紧力矩系数；d为螺纹公称直径；F0为预紧力。

电子设备的拧紧力矩计算结果，如表5所示。

3 拧紧系数测试及数据分析

3.1 测试方案

拧紧力矩系数K主要与螺纹中径、螺距、螺纹副的摩擦系数、螺钉端面与垫圈的摩擦系数、螺纹牙型角、螺纹升角、垫片与螺钉端面的接触面积等因素相关。其中，摩擦系数主要与材料的表面粗糙度、润滑条件、材料的软硬程度等因素相关。

表5 拧紧力矩计算

有必要针对弹载电子设备常用螺钉的典型使用工况，开展拧紧力矩系数K的测试。试验方法可参考标准GB/T16823.3。

测试方案，如图7所示。

将壳体模拟件固定在固定工装上，模拟件的材料、加工方法、表面处理与实际壳体一致。固定工装安装在拉伸机的底盘上。印制板模拟件放置在支撑工装上，模拟件的材料、加工方法、表面处理与实际印制板一致。支撑工装安装在拉伸机的拉伸轴上。支撑工装与壳体模拟件之间保持一定的间隙，力矩螺丝刀安装过程中，产生预紧力，预紧力可传递到拉伸轴上。试验用的紧固件与实际产品用的紧固件标准一致。试验用力矩螺丝刀与实际产品装配用的工具一致。

图7 试验方案

按工况条件，开展电子设备拧紧力矩系数测试。按电路板级、组件级和系统级开展试验设计。为了提高试验数据的可信度，采取同一工况，多个样本，同一样本，多次测试的方案。每个工况，样本数6个，每组测试5次。

3.2 测试结果及分析

测试结果如表6所示。

表6 K值测试结果

（1）不同工况下的K值

经测试，不同工况下的K值不同。表6列出了4种工况下K值的试验结果、平均值、标准差以及与表3理论计算结果的偏差情况。受螺纹加工精度、试验设备精度、力矩螺丝刀精度等因素影响，同一工况不同样本间K值会有一定波动。测试结果标准差相对较小，说明波动较小，测试方法可重复性强。系统级装配，测试值与计算值偏差最大，达到24.8%。

实测电子设备各种工况下的拧紧力矩系数K的平均值在0.29～0.50区间内。同等润滑、表面处理条件下碳钢、合金钢螺栓螺母结构的K值为0.18～0.21。验证了不锈钢和铝合金材料相对碳钢、合金钢表面硬度偏软，摩擦系数变大，导致拧紧力矩系数较大。

（2）K值与拧紧力矩的关系

为了验证同一工况下，拧紧力矩大小对K值的影响。以系统级M4螺钉装配为研究对象，选两组进行测试，拧紧力矩逐渐增大时，预紧力的变化情况，如图8所示。