基于镁合金基体的螺纹连接承载性能研究

张超颖 孟德浩 袁文全 闫路 张忠伟

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.中国航天标准化与产品保证研究院，北京 100071)

1 引 言

镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”，因为其是最轻的金属结构材料，并且具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良等多个优点，尤其适合用于航空航天等对重量和承载要求苛刻的工业领域。目前在飞机、卫星上的各种零部件中，镁合金已经得到了一定程度的应用[1]。随着航空航天领域对结构轻质化和结构承载效率提升需求的日益迫切，镁合金工程化应用将会更加广泛。但镁合金的绝对强度不高，相对铝合金较软，镁合金基体螺纹和螺栓形成的连接结构的承载性能研究，对于镁合金连接结构的可靠性具有重要意义[2]。

本文针对在航天结构中已得到应用的铸造镁合金为基体，利用螺纹紧固件试验分析机，结合理论计算，研究了镁合金螺纹抗扭强度、轴向承载性能、与螺栓配合的扭拉关系、拧紧力矩量化控制等多个指标。

2 扭拉试验原理和方法

螺接结构，预紧力对接头的可靠性和疲劳寿命有很大影响。一般情况下，预紧力越大，连接越可靠，疲劳寿命越长。但是如果预紧力过大，反而会导致螺纹损坏，承载能力下降，因此预紧力是关系到螺接结构连接可靠性的重要控制指标，预紧力一般是通过拧紧力矩间接控制的，扭(即拧紧力矩)拉(即预紧力)关系是螺接最重要的性能指标，此关系通过K值表征[3]。

N=K·d·F

(1)

式中：N——扭矩；K——扭拉系数；d——螺纹公称直径；F——轴向预紧力[4]。

试验采用德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统(见图1)，对总扭矩、螺纹扭矩、轴向力、角度、时间等参数进行实时采集。紧固件扭拉试验工装加载如图2所示。加载时将镁合金试件固定在试验机上，力矩通过试验工装施加到螺钉上，通过传感器测得螺栓连接处的轴向力[5]。

图1 Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统Fig.1 Schatz-Analyse screw connection test and analyze system

1-前卡盘；2-复合传感器；3-后卡座；4-镁合金试验件； 5-铝板；6-平垫圈；7-弹簧垫圈；8-螺栓图2 扭拉试验安装加载示意图Fig.2 Schematic diagram of torsion-tension relation test

在进行扭拉关系试验之前，需首先通过螺纹抗扭强度试验，得到不同规格螺栓与镁合金基体配合的安装力矩，以此安装力矩作为输入，来获得扭拉关系曲线[6]。

3 镁合金螺纹抗扭强度

试验中对M4～M8三种规格的螺纹孔，同时分别设置加装钢丝螺套后的组别作为对照组进行试验。在试验机上将工程上常用的30CrMnSiA螺栓按照标准规定的旋入速度安装到镁合金基体中，拧紧直至破坏，得到力矩随时间变化曲线，如下图3所示。屈服点力矩即为镁合金螺纹拧紧的破坏力矩，取屈服力矩平均值的40%取整作为扭拉关系试验的安装力矩[7]。

图3 M8镁合金螺纹孔典型力矩随时间变化曲线Fig.3 Ttypical torque curve changes with time of M8 magnesium alloy screw thread

如表1所示，通过试验数据分析得知，加装钢丝螺套后各组屈服力矩较镁合金螺纹孔略有增大，但增大幅度最大不超过6.8%。

结合扭拉关系公式，即公式(1)，带入屈服轴力公式，得到屈服扭矩公式[8]

式中：d——螺纹公称直径；δy——δy螺栓屈服强度；As——螺纹公称应力截面积，dA——螺纹公称应力截面积的等效直径；P——螺距；μ——螺纹摩擦系数；d2——螺纹中径；α——螺纹牙型角。

由此可定性分析出，规格相同螺纹的屈服扭矩大小仅与螺纹摩擦系数μ有关，且μ值越大，屈服扭矩越小。因此，镁合金与30CrMnSiA螺栓配合的螺纹摩擦系数大于钢丝螺纹与同种螺栓配合的螺纹摩擦系数。

4 扭拉关系

按照抗扭强度试验确定的安装力矩，重复拆装5次，消除干扰因素对结果的影响，以期得到30CrMnSiA材料不同规格的螺栓与镁合金配合下的扭拉关系曲线及K值[9]。

图4 M4,M6,M8镁合金螺纹孔和带螺套扭拉曲线对比图Fig.4 Torsion-tension curve comparison of M4,M6,M8 magnesium alloy with and without helicoil

通过不同规格镁合金基体螺孔与装钢丝螺套后K值对比，发现装钢丝螺套后的K值略大于螺纹孔。通过螺纹扭拉关系公式，得到与30CrMnSiA螺栓配合下，螺纹孔和钢丝螺套K的取值。

5 轴向承载性能

通过对镁合金螺纹施加纯轴向载荷，测试其拉断力，其测试结果如表2所示，其中螺栓材料为30CrMnSiA。通过对螺栓的最小拉力载荷及本次试验的拉断力进行对比，可得到各个规格下螺纹基体的承载相对螺栓最小拉力载荷的比值依次为95.7%,116.9%,121.8%,92.3%和93.9%，以此确定基体相对螺栓的强度。经过分析所有规格镁合金基体破坏形式属于剪切破坏，综上，当选择30CrMnSiA螺栓和该镁合金基体螺纹配合连接时，应以镁合金的剪切强度来校核轴向承载[10]。

表2 轴向载荷拉断力

Tab.2 Axial breaking force

图5 基体破坏模式Fig.5 Matrix failure mode

6 结束语

本文采用试验测试及理论分析相结合的方法，得到了高强耐热镁合金基体螺纹与常用螺栓配合使用的抗扭强度、扭拉关系、扭矩系数K值和轴向承载性能，给出了镁合金基体螺纹力矩量化控制措施、螺栓选用的结论，对镁合金基体连接的可靠性具有重要意义。

通过测试和对比不同规格镁合金基体螺纹与带钢丝螺套螺孔的抗扭承载极限及扭拉关系，得到了不同规格镁合金基体螺纹安装钢丝螺套后承载的变化及抗扭系数的变化，对于镁合金基体选用钢丝螺套提供了指导性意见。

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