某涡桨发动机游星架螺母咬死故障研究
2019-02-09夏华腾蔡煜航
易 海 陈 凯 夏华腾 蔡煜航
中国航发南方工业有限公司 湖南 株洲 412002
1 前言
某涡桨发动机工厂试车分解过程中经常发生游星架螺纹咬死故障，导致螺母报废，游星架螺纹不同程度的损伤(见表1)。对于该故障，长期以来一致未能找到很好的预防和避免方法，给公司造成了较大损失，用户极为不满。
表1 螺母报废情况
2 装配结构分析
如图1箭头所示，在游星架上装完球轴承后，再拧入螺母，用防止游星架上球轴承轴向窜动；在螺母和轴承之间装有游星架锁片，通过锁片卡爪防止螺母松动。
图1 游星架结构
3 故障树及原因分析
对游星架螺母咬死故障原因进行分析，绘制故障树，主要由下述几方面造成。
X1：螺母材质、硬度、外观缺陷；
X2：螺母螺纹尺寸超差；
X3：游星架螺纹材质、硬度、外观缺陷；
X4：游星架螺纹尺寸超差；
X5：装配过程中螺纹上有多余物；
X6：装配拧紧角度(力矩)过大。
4 历史故障措施制定情况
历史上为预防该游星架螺纹咬死问题，曾制定了多条措施。
(1)螺母、游星架增加用5-10倍放大镜检查螺纹外观质量(不应有毛刺)；
(2)按《关于去除螺纹毛刺的技术规范》对游星架及螺母螺纹增加起始不完整螺纹清理，在工艺规程上进行细化；
(3)增大游星架螺纹锁片槽倒角。
(4)对库存零件，用10倍放大镜检查，并对有问题零件进行去除毛刺；
(5)入厂验收增加用10倍放大镜检查内容；
(6)对游星架及螺母螺纹加工细化，增加起始不完整螺纹清理；
(8)增加游星架螺纹锁片槽倒角。
(9)设计发出更改单完成游星架锁片槽倒角改进的更改。
5 设计复查
经查设计图纸，游星架和螺母螺纹尺寸均为M95×1.5-6h/H，同时对设计技术状态更改情况进行了清查，未发现与故障相关的设计更改，设计尺寸不合理X1可排除。
对游星架螺母锁紧的相关零件进行复查，游星架和螺母采用扭角法装配，游星架螺母在外圆面上均匀开有12槽，两槽之间的夹角为30°(图2)。游星架螺母的拧紧力矩角为25°±5°，但设计未规定初始角度(力矩)，该螺母表面采取化学氧化，与其余螺母对比(如桨轴螺母表面镀银)，螺纹拧紧时，摩擦力大，不利于螺纹间润滑，故设计要求不合理X2因素不可排除。
图2 螺母
6 零件加工过程复查情况
6.1 游星架加工情况复查
6.1.1 复查以往制定措施执行到位情况
6.1.2 确认游星架螺纹收口、碰伤、毛刺等情况 对装机零件进行检查，发现一件游星架螺纹处有轻微的毛刺，对仓库的零件退回加工单位重新复查。
6.1.3 复查游星架螺纹硬度 材料为40CrNiMoA，设计硬度HBd＝3.6-3.3(实测为3.4-3.6，符合要求)，螺纹为磨削加工，表面粗糙度Ra0.4，检验检查合格。
6.1.4 复查螺纹、螺距、牙型等是否合格
6.1.5 游星架复查结论 从上述复查过程可以看出，除X4中螺纹毛刺因素外，其余因素均可排除。
6.2 螺母加工情况复查
6.2.1 复查原措施是否执行到位 原措施共2条。
(1)螺母用5-10倍放大镜检查螺纹外观质量(不应有毛刺)；
(2)对螺母螺纹增加起始不完整螺纹清理，在工艺规程上进行细化；
根据上述措施，螺母检验工序增加了用5倍放大镜检查螺纹外观质量，不应有毛刺要求，并要求用白手套检查整个螺纹应无刮纱感。
6.2.2 螺母螺纹进、出口碰伤、毛刺情况 现场对19Z4、19Z5批次用螺纹量规进行复检，复检结果均合格。用5倍放大镜检查螺纹外观质量，零件均无碰伤、毛刺。
6.2.3 复查螺纹硬度、粗糙度 螺母材料为40CrNiMoA，锻件，不需进行热处理，设计硬度HRC30-37(实测HRc35.0～35.3，符合要求)，螺纹加工完成后进入检验工序，检验工序对粗糙度要求为Ra1.6，经检验粗糙度合格，之后零件再进行化学氧化，氧化后螺纹表面光滑，无凹凸点。
6.2.4 复查螺纹加工过程的工艺、设备、刀具、程序等 经清查，两批次零件加工过程中工艺未进行更改，一直使用90年代的老工艺。现场加工使用设备未发生变化，刀具未更改；铣工去除不完整螺纹使用程序未更改。
6.2.5 钳工去毛刺工序复查 钳工工序规定去除螺纹进出口毛刺，现场使用锉刀和笔式风枪进行去除，螺纹毛刺用砂纸去除。
表2 游星架以往措施执行情况
表3 游星架螺纹复查情况
但钳工工序不够细化，未明确如何去除，用什么工具去除。
6.2.6 复查螺纹、螺距、牙型等是否合格 在装配现场复查螺母，发现螺纹齿顶宽沿周向发生变化，为进一步了解情况。故送三件游星架螺母在螺纹综合检查仪上进行检查，所有尺寸基本合格。结果如下：从螺纹牙型图中可以看出，螺纹齿顶宽不一致，沿圆周方向有明显变化，对宇航工艺进行咨询，齿顶宽变化大原因为螺纹小径在加工螺纹前已加工到位，后面再次装夹找正误差所致，即为小径和中径不同心所致。
表4 螺母新件尺寸检查情况
6.2.7 螺母复查结论 除毛刺外，螺母材质、硬度超差X3因素可排除，螺母螺纹尺寸超差X4因素不可排除。
7 装配过程复查情况
根据故障树情况，对装配工艺进行复查。
7.1 复查装配工艺要求 装配要求见表2。
图3 螺纹牙型
表5 设计及工艺规程上的要求
7.2 装配细化要求 2019年以来，为预防游星架螺纹咬死故障，装配车间对螺母装配过程进行了细化。
7.2.1 清洗 游星架、螺母应清洗干净，螺纹中不允许有多余物。
7.2.2 检查
(1)螺母装配前，用10倍放大镜目视检查，戴白手套刮试游星架及螺母螺纹，应无阻滞，无毛刺、飞边、卡疤等缺陷。如检查螺纹出现毛刺等问题，退库处理。
(2)如连续出现两台及以上游星架或螺母螺纹质量不合格情况，通知质改室将情况上报相关单位处理。
7.2.3 装配
(1)螺纹表面应涂航空滑油。
(2)试装：将螺母拧紧，使零件端面贴紧后，施加力矩预紧，角度要求：10°～15°，然后分下螺母用汽油清洗游星架螺纹、螺母螺纹，保证螺纹干净。
(3)正式装配：按装配工艺规程要求进行装配。
注：装配过程中，如出现角度已到达30°，仍未使锁紧垫圈锁片对螺母保险槽，可通过更换锁紧垫圈或螺母的方式，满足拧紧要求，不允许出现过力矩/角度拧紧现象。
7.3 装配复查结论 从装配复查情况看，故障树中X5(多余物)和X6(装配力矩超差)因素可排除。
8 原因及分析
从以上复查数据可以得出螺母咬死的主要原因：
设计要求不合理、游星架螺纹有毛刺、螺母螺纹小径和中径不同心，螺母螺纹有毛刺。
小径和中径不同心，导致牙顶宽度变化大。螺母装配时，伴随力矩愈来愈大，牙顶宽度窄的一侧有尖边，加上牙顶侧面受力大，变形显著，牙顶切割游星架螺纹牙侧，或者牙顶直接剥落，故造成螺母咬死(见图4和图5)。
图4 正常咬合状态
9 解决措施及效果
9.1 措施
(1)完善拧紧要求，增加拧紧时初始力矩(角度)大小；
(2)细化工艺规程，将游星架、螺母去毛刺工序定为关键工序，明确打磨工具等要求；
图5 牙型半角发生变化以及牙顶宽度过窄时咬合状态
(3)加强螺母加工质量，加工螺纹时，找正内孔或与小径一起加工，保证螺纹和小径的同心。
(4)装配过程中，如出现角度已到达30°，仍未使锁紧垫圈锁片对螺母保险槽，需通过换螺母满足对槽要求时，需重新对换下的螺母以及游星架螺纹进行检查：对螺母以及游星架螺纹目视检查，并戴白纱布手套刮试游星架及螺母螺纹，应无阻滞，无毛刺、飞边、卡疤等缺陷。
9.2 效果 采用以上措施后，螺母咬死故障基本未出现，效果良好，证明故障分析机理清晰，定位准确，措施得当。这种分析方法可以推广到类似螺母咬死故障分析上。
