影响螺纹定向装配的单因素和正交试验研究

刘 星，武丽丽，尤佳旗，丁 霖，张益帆，任培强

（上海航天精密机械研究所 结构件加工事业部，上海 201600）

0 引言

旋转类产品各舱段装配时，各舱内部连接主要为电缆，主要涉及控制舱、引信、战斗部、发动机及舵机，需根据舱段螺纹随机起始端与舱段自带电缆束的实际角度关系设计电缆束在舱间的走向，避免电缆挤压、绕线等问题，最终通过反复调整连接环位置保证前舵与舵机后翼之间固定的角度，在这过程中因各舱段对外接口均为螺纹，螺纹起始段端随机，因此调整过程中存在周向0～180°的调整连接环，甚至重新转动90°发动机和尾翼实现调整，调整过程不仅繁琐而且效率极其低下。为解决以上问题，必须对各舱段正常旋合后舱间的相对角度进行控制。因此，采用与实际舱段相同的材料，针对影响螺纹旋合角度的4个主要因素进行摸索试验，分别探索出了螺纹长度、旋合扭矩、旋合次数以及螺纹中径对旋合的角度的影响规律，为各舱段的装配和舱段间电缆线走向优化提供了参考。

1 试验条件

1.1 试验对象设计与加工设备

本实验采用牌号为2A12的铝合金材料，试验件总长50 mm，螺纹大小为M30×2-6h的外螺纹，其具体尺寸如图1所示。为便于后续测量，零件端面设计有一字槽，与螺纹一起在一次装夹下完成，所采用的加工设备为大连TNC65数控车削中心。

图1 螺纹实验件

1.2 螺纹旋合角度的定义测量方法

本实验拟采用端面带有一字槽的M30×2的内螺纹环规与各试验件螺纹旋合后与水平X+方向夹角来衡量各因素对旋合角度的影响程度，用字母β表示。为尽可能避免其他因素的影响，本试验中为尽量避免测量带来的误差，将试验件外螺纹起始点转化至端面直线槽，塞规与试验件螺纹旋合后塞规端面直线槽与水平X+方向夹角采用三坐标测量仪进行检验，图2为β角的示意图。

图2 塞规旋合后与X+方向夹角β

2 试验方案及结果

2.1 旋合角度的单因素试验方案

影响两螺纹旋合后的角度的主要因素有外螺纹有效长度L、螺纹中径d0、旋合力矩T及旋合次数N，针对以上4个因素，采用单因素实验方法，分别对外螺纹有效长度、螺纹中径、旋合力矩、旋合次数对螺纹旋合后的角度的影响进行探索性试验研究，单因素实验水平安排如表1和表2所示，正交试验安排如表3所示。

表1 螺纹长度、中径和旋合力矩对螺纹旋合角度影响实验安排

表2 旋合次数对螺纹旋合角度影响实验安排

表3 L1（644）正交实验安排

2.2 单因素试验结果

2.2.1 外螺纹有效长度对螺纹旋合角度的影响

在其余条件相同情况下，研究外螺纹有效长度对旋合角度的影响，本试验选取其余3个因素参数分别为：旋合力矩为T=40 N·m、中径尺寸为d0=

图3 螺纹长度对旋合角度的影响

2.2.2 螺纹中径对螺纹旋合角度的影响

在其余3个条件相同情况下，研究中径对螺纹旋合角度的影响。选取其余3个因素参数分别为：旋合力矩为T=40 N·m、外螺纹长度、旋合次数N=1。图4为不同螺纹中径对螺纹旋合角度的影响。从图中可看出，随着中径尺寸的增大，螺纹旋合角度也逐渐增大，且呈一定的线性变化趋势。其主要机理为螺纹配合理论为内外螺纹中径相接触，当内螺纹不变时，若外螺纹中径变小，则螺纹间将产生间隙，理论而言中径单边变化Δmm，换算到轴向间隙变化Δtan30°，旋合角度变化Δtan30°/2×360°，即旋合角度变化与中径变化理论上成线性关系，实验结果也与之基本相同。

图4 螺纹中径对旋合角度的影响

2.2.3旋合力矩对螺纹旋合角度的影响

在其余条件相同情况下，取螺纹有效长度取L=、中径值取d0=、旋合次数N=1进行研究旋合力矩对旋合角度影响。图5为旋合力矩对旋合角度的影响结果。从图中可以看出随着力矩的不断增大，旋合角度变化随之增大。其主要机理为当施加的旋合力矩一直大于螺纹副产生的最大静摩擦力矩，螺纹可以一直进行旋合，旋合角度也会跟着发生变化，但旋合力矩不是可以无限大的，当旋合力矩增大到一定程度时，会使得螺纹牙接触面压溃，使得螺纹断裂、变形脱扣等[2]。

图5 旋合力矩对旋合角度的影响

2.2.4 旋合次数对螺纹旋合角度的影响

在其余条件相同情况下，取旋合力矩T=50 N·m、外螺纹长度L=14、中径d0=Φ28.进行研究旋合次数对旋合角度的影响。图6为旋合次数对螺纹旋合角度影响的结果。从图中可看出旋合次数在0～35之间时，旋合角度随着旋合次数的增加，旋合角度逐渐增大，当旋合次数达到35～50时，随着旋合次数增加，旋合角度变化很小，趋于不变。这是由于随着旋合次数的增加，螺纹摩擦表面被磨光，摩擦系数下降[3]，当使用上一次相同的旋合力矩旋合到前次同样位置时，摩擦力矩达小于旋合力矩值，故螺纹会被进一步的旋合，相对于上次而言，旋合角度会增大。

图6 旋合次数对旋合角度的影响

2.2.5 螺纹有效长度、中径、旋合力矩和旋合次数对螺纹旋合角度的影响

表4为正交实验的安排和实验结果可以看出，螺纹旋合长度对旋合角度影响最大，旋合力矩其次，螺纹中径次之，旋合次数对旋合角由度影响最小。

表4 正交实验安排和实验结果

表5 正交实验方差分析

3 结语

采用单因素试验研究螺纹有效长度、旋合力矩、旋合次数和螺纹中径对旋合的角度的影响，然后又在此基础上进行了4水平4因素的正交实验，综合分析螺纹有效长度、旋合力矩、旋合次数及螺纹中径对螺纹旋合的角度的影响。得到螺纹旋合长度对旋合的角度的影响最大，旋合力矩其次，螺纹中径次之，旋合次数对螺纹旋合的角度影响最小。其中螺纹长度是极显著影响因素，旋合次数属于不显著影响因素。本研究为弹体各舱体定向装配设计优化提供重要的参考依据。