樊延超,柴方茂,李志來(lái),董得義,徐 宏
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螺釘防松膠對(duì)反射鏡面形影響的研究與試驗(yàn)
樊延超,柴方茂,李志來(lái),董得義,徐 宏
(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)
反射鏡組件作為空間相機(jī)的重要組件,在進(jìn)行組件裝配時(shí),不但要保證其聯(lián)接結(jié)構(gòu)具有足夠的聯(lián)接預(yù)緊力以抵御動(dòng)載荷或工作溫度變化帶來(lái)的影響,還要準(zhǔn)確控制擰緊力矩避免對(duì)鏡面面形造成較大的影響。以某空間相機(jī)的主鏡組件為例,對(duì)螺釘防松的工作機(jī)理、采用防松粘接劑情況下的實(shí)際緊固力矩計(jì)算、對(duì)反射鏡鏡面的影響等方面進(jìn)行了分析計(jì)算,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。分析及試驗(yàn)結(jié)果表明,不同的螺釘防松膠對(duì)擰緊力矩、預(yù)緊力及反射鏡面形造成較大的影響,其中,與不使用防松膠相比,硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)對(duì)鏡面面形的影響分別增加了31.9%和74%。在使用螺釘防松膠進(jìn)行防松處理時(shí),應(yīng)根據(jù)不同防松膠的具體特性,調(diào)整螺釘擰緊力矩,在聯(lián)接環(huán)節(jié)具有較高可靠性的同時(shí),降低其對(duì)反射鏡面形的影響。
螺釘防松膠;空間相機(jī);反射鏡組件;鏡面面形;擰緊力矩;預(yù)緊力
螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)作為空間相機(jī)大量使用的基本結(jié)構(gòu),其可靠性事關(guān)航天型號(hào)的成敗[1]。一般螺紋聯(lián)接都具有自鎖性,但在變載、沖擊或振動(dòng)作用下,以及工作溫度變化較大時(shí)可能松動(dòng),導(dǎo)致預(yù)緊力下降。螺紋聯(lián)接的使用實(shí)踐及防松性能試驗(yàn),疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)證明:松動(dòng)失效是承受交變載荷的螺紋聯(lián)接的主要失效形式之一。保證螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵是選用合適的防松技術(shù)并控制螺紋聯(lián)接預(yù)緊力。
從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[2-4]中可以看到,螺紋緊固件防松技術(shù)和防松結(jié)構(gòu)很多。從作用機(jī)理可以分為:摩擦防松、機(jī)械防松和永久止動(dòng)等。從具體實(shí)現(xiàn)形式上又可以分為兩大類(lèi),一類(lèi)是依靠防松零件來(lái)實(shí)現(xiàn),如自鎖螺母、彈簧墊圈、鎖緊絲、雙螺母等;另一類(lèi)是通過(guò)膠粘劑實(shí)現(xiàn)防松,這種方法是在要配合的螺紋表面涂覆膠粘劑,待其固化后即可牢固地粘住相配合的螺紋副,以達(dá)到鎖緊防松的目的[5]。航天產(chǎn)品對(duì)螺紋防松提出了更高的要求[6]。航天器在飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng),因此,要求螺紋聯(lián)接件具有更好的防松能力;空間環(huán)境的溫度變化要求在聯(lián)接部位應(yīng)具有良好的耐高、低溫性能;航天產(chǎn)品在裝配和使用過(guò)程中,可能由于某些原因需要反復(fù)拆裝,這就要求螺紋聯(lián)接用膠粘劑在保證一定聯(lián)接強(qiáng)度的前提下,具有較好的可拆卸性,不會(huì)因?yàn)椴鹦抖茐漠a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能。
從文獻(xiàn)[7]可以看出,帶齒螺栓頭、固體防松膠以及液體防松膠的防松效果是比較理想的。對(duì)空間相機(jī)來(lái)說(shuō),帶齒螺栓頭螺釘由于其裝配復(fù)雜性很少應(yīng)用;而使用防松膠,則螺釘裝配工藝簡(jiǎn)單,不產(chǎn)生額外附著物,能夠滿足航天產(chǎn)品的防松緊固需求。
對(duì)于空間相機(jī)的反射鏡組件,由于其鏡面面形精度一般達(dá)到納米級(jí)。因此,不但要保證聯(lián)接環(huán)節(jié)有足夠的聯(lián)接預(yù)緊力抵御動(dòng)載荷(變載、沖擊、振動(dòng))或工作溫度變化帶來(lái)的影響,還要準(zhǔn)確控制擰緊力矩避免對(duì)鏡面面形造成較大的影響。
本文以某空間相機(jī)的主鏡組件為例,對(duì)螺釘防松的工作機(jī)理、采用防螺釘防松膠情況下的實(shí)際緊固力矩計(jì)算、對(duì)反射鏡鏡面的影響等方面進(jìn)行一些探討。
螺釘聯(lián)接防松的實(shí)質(zhì),在于預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力能夠抵抗環(huán)境應(yīng)力載荷,保持聯(lián)接件的相對(duì)狀態(tài),防止松動(dòng)。擰緊螺釘時(shí),需要克服螺紋副的螺紋阻力矩1和螺釘頭與聯(lián)接件支撐面的摩擦力矩2,則擰緊力矩如下式所示:
式中:¢為預(yù)緊力,N;2為螺紋中徑;為螺紋大徑;為螺紋升角,通常=arctan(/(π2)),其中為螺距;¢為螺紋副的當(dāng)量摩擦角,通常¢=arctan(),其中為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù);e為螺釘頭與聯(lián)接件支撐面之間的摩擦系數(shù);1為螺釘頭聯(lián)接面的外徑;0為釘孔直徑;t為擰緊力矩系數(shù),與螺釘尺寸、螺紋副和支撐面的摩擦因數(shù)等因素有關(guān)。
用普通螺釘聯(lián)接時(shí),由于螺紋升角(=1°42′~3°2′)小于螺紋副的當(dāng)量摩擦角(¢=6.5°~10.5°),再加上擰緊后螺釘頭支撐面與聯(lián)接件之間存在著摩擦力,因此在靜載荷時(shí),緊固螺紋聯(lián)接都能自鎖。有關(guān)理論證明,以力矩?cái)Q緊的螺釘聯(lián)接,其松退力矩約為擰緊力矩的80%。因此,只要作用在螺釘?shù)乃赏肆匦∮?.8,聯(lián)接就不會(huì)發(fā)生松動(dòng)[8]。但在變載、沖擊、振動(dòng)作用下,防止螺紋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的自鎖摩擦力矩可能急劇下降,使螺紋副間產(chǎn)生微量相對(duì)滑動(dòng),從而導(dǎo)致聯(lián)接松動(dòng)。
在螺紋副上涂抹防松膠,利用防松膠填充螺紋間隙而使其嚙合面積增加,同時(shí),因膠固化后而新增加的防松力矩可以補(bǔ)償松退力矩與擰緊力矩的差值,使其大體相當(dāng),從根本上提高了螺紋聯(lián)接的抗振防松能力。
目前國(guó)內(nèi)常用的螺釘防松膠主要有:硅橡膠和厭氧膠等。
硅橡膠(GD-414)屬于中性單組份室溫硫化硅橡膠,產(chǎn)品硫化時(shí)對(duì)金屬無(wú)腐蝕性,具有高強(qiáng)度、高斷裂伸長(zhǎng)率,可在-60℃~200℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用并有十分優(yōu)異的耐紫外光、耐氣候老化及良好的電絕緣性等特點(diǎn);對(duì)玻璃、金屬、陶瓷和樹(shù)脂層壓材料等有良好的粘接性能。J-222屬于厭氧粘接劑,在螺紋表面涂敷厭氧膠后擰緊螺紋,膠液擠壓并填充在螺紋副之間的空隙中,由于氧氣濃度較低,厭氧膠自行固化;固化產(chǎn)生的聚合物將螺紋副粘接在一起,從而有效地保證了螺紋的緊密聯(lián)接。這兩種膠固化后,能夠增加螺紋聯(lián)接的耐磨性和吸振性,減弱螺紋嚙合部位的微動(dòng)磨損,一定程度上維持了摩擦力產(chǎn)生的扭矩,提高了螺紋聯(lián)接的可靠性。
在使用螺釘防松膠提高螺紋聯(lián)接可靠性的同時(shí),由于在聯(lián)接過(guò)程中防松膠能起到一定的潤(rùn)滑作用,這將對(duì)預(yù)緊力造成一定影響。由式(1)可以看出,對(duì)于一定性能等級(jí)和直徑的螺釘,在一定的使用工況下,其擰緊力矩與擰緊力矩系數(shù)t是線性函數(shù)關(guān)系。而擰緊力矩系數(shù)t與螺釘與聯(lián)接件之間的摩擦系數(shù)成正比關(guān)系。而摩擦系數(shù)直接與螺釘防松膠的種類(lèi)和型號(hào)有關(guān)。對(duì)于同樣的擰緊力矩,使用不同的螺釘防松膠將會(huì)使螺釘產(chǎn)生不同的預(yù)緊力。
螺釘聯(lián)接擰緊時(shí),在擰緊力矩的作用下,螺釘除了預(yù)緊力¢的拉伸產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外,還受螺紋摩擦力矩下的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭剪應(yīng)力,使螺釘處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力作用狀態(tài)中,根據(jù)第四強(qiáng)度理論,可以求出螺釘預(yù)緊狀態(tài)下當(dāng)量應(yīng)力v:
一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料的屈服點(diǎn)s的80%[9]。因此,在擰緊螺釘時(shí),應(yīng)保證螺釘不屈服,則應(yīng)使:
v=1.3≤0.8s(3)
因此,螺釘最大拉伸應(yīng)力≈0.6s,對(duì)于螺釘公稱(chēng)應(yīng)力截面積為s的最大預(yù)緊力¢=0.6ss。一般推薦用預(yù)緊力限值如下:¢=(0.5~0.6)ss。
對(duì)不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)三種狀態(tài)下,螺釘?shù)臄Q緊力矩進(jìn)行分析計(jì)算。
空間相機(jī)的主鏡通過(guò)柔性支撐結(jié)構(gòu)與基座相聯(lián)。其中,柔性支撐聯(lián)接環(huán)節(jié)采用12個(gè)經(jīng)過(guò)藍(lán)色陽(yáng)極化處理的M8規(guī)格的鈦合金螺釘聯(lián)接。根據(jù)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù),其許用應(yīng)力s=800MPa。此規(guī)格的螺釘主要參數(shù)如下:=8mm,2=7.188mm,=3.168°,當(dāng)量摩擦因數(shù)=0.15,¢=8.531°,1=13mm,0=9mm。
螺釘公稱(chēng)應(yīng)力截面積s=(π/4)·[(1+d2-1.732/12)/2]2=35.65mm2,其中,為螺距,取1.25。
根據(jù)防松膠生產(chǎn)廠家及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[10],不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)三種工況下的螺釘頭與聯(lián)接件支撐面之間的摩擦系數(shù)e分別為0.16、0.10和0.06。因此,根據(jù)公式(1)可知,最大許用擰緊力矩分別為27.96N·m、22.25N·m和18.44N·m,最小許用擰緊力矩分別為23.3N·m、18.54N·m和15.37N·m。由此可見(jiàn),在采用不同的螺釘防松膠的情況下,由于其潤(rùn)滑條件不同,即使預(yù)緊力相同,螺釘?shù)臄Q緊力矩有較大的差別。因此,在對(duì)螺釘進(jìn)行緊固時(shí),需要充分考慮防松膠對(duì)于擰緊力矩和預(yù)緊力的影響。
根據(jù)裝配要求,螺釘聯(lián)接的凈擰緊力矩有如下要求:20N·m≤≤21N·m。如果在對(duì)螺釘進(jìn)行預(yù)緊時(shí),按照此擰緊力矩執(zhí)行,而忽略螺釘防松膠對(duì)于擰緊力矩的影響,則3種工況下,螺釘預(yù)緊力分別為12241.3N~12853.3N(0.43ss~0.45ss),15382.1N~16151.2N(0.54ss~0.57ss)和18556.0N~19483.8N(0.65ss~0.68ss)。從計(jì)算結(jié)果可以看出,在不使用螺釘防松膠的情況下,螺釘聯(lián)接具有較小的預(yù)緊力,低于推薦限值;而使用厭氧膠(J-222),則螺釘上的應(yīng)力超過(guò)推薦限值。這兩種狀態(tài)下,螺釘聯(lián)接均具有較低的可靠性。
建立了主鏡及支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型,對(duì)不使用螺釘防松膠、使用硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)三種工況下,擰緊力矩對(duì)鏡面面形的影響進(jìn)行分析。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),主要采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)各零件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,在關(guān)鍵傳力點(diǎn)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。
在反射鏡組件的有限元模型中共劃分了82 770個(gè)單元,120 010個(gè)節(jié)點(diǎn)。主鏡為碳化硅(SiC)材料,柔性支撐聯(lián)接環(huán)節(jié)及基座材料分別為鈦合金(TC4)和殷鋼(4J36),3種材料的材料參數(shù)如表1所示。3種材料的材料參數(shù)全部由各自的生產(chǎn)廠商提供。每種材料每個(gè)參數(shù)的誤差也由各自的廠商提供,材料參數(shù)的誤差為隨機(jī)誤差,正態(tài)分布。
在擰緊力矩取20.5N·m的情況下,對(duì)3種工況下擰緊力矩對(duì)鏡面的影響進(jìn)行分析。鏡面面形變化云圖及鏡面局部最大變形量分析數(shù)值分別如圖1和表2所示。
在主鏡面形加工至RMS=0.150時(shí),進(jìn)行了主鏡組件的裝配。在裝配前進(jìn)行了面形檢測(cè),如圖2所示。從檢測(cè)結(jié)果可以看出,主鏡鏡面支撐孔位置無(wú)明顯高低起伏。
表1 材料主要參數(shù)
圖1 三種工況下的鏡面支撐位置變形云圖
表2 三種工況下鏡面支撐位置變化分析結(jié)果
圖2 裝配前主鏡面形檢測(cè)結(jié)果
根據(jù)裝調(diào)工藝要求,在裝配過(guò)程中所帶來(lái)的裝配應(yīng)力不應(yīng)改變鏡面面形分布,鏡面局部最大變形量不應(yīng)超過(guò)當(dāng)前鏡面PV值的40%。根據(jù)裝配前的檢測(cè)結(jié)果,鏡面局部最大變形不應(yīng)超過(guò)0.7。
在裝配試驗(yàn)中,首先不使用螺釘防松膠進(jìn)行裝配,使用20.5N·m力矩?cái)Q緊,對(duì)裝配后的主鏡進(jìn)行了面形檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。從檢測(cè)結(jié)果可以看出,鏡面3個(gè)支撐點(diǎn)位置出現(xiàn)了PV約為0.530的凹坑,鏡面面形分布也沒(méi)有發(fā)生改變。
對(duì)聯(lián)接螺釘采用厭氧膠(J-222)進(jìn)行防松處理時(shí),仍然用20.5N·m力矩?cái)Q緊。處理后進(jìn)行了面形檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖4(a)所示。從面形云圖及支撐點(diǎn)變化圖中可以看出,鏡面上3個(gè)支撐點(diǎn)位置的凹坑明顯變深,PV約為0.922,局部最大變形量已超出裝配工藝要求,同時(shí)鏡面面形分布也發(fā)生了較大的變化。查閱厭氧膠(J-222)的技術(shù)參數(shù)后,對(duì)其預(yù)緊力進(jìn)行了復(fù)核,發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力超過(guò)許用值,螺釘?shù)膽?yīng)力已超過(guò)許用應(yīng)力。根據(jù)預(yù)緊力的推薦限值,對(duì)擰緊力矩進(jìn)行了調(diào)整。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,對(duì)圖4(a)左側(cè)支撐孔取預(yù)緊力¢=0.56ss,則相應(yīng)的擰緊力矩為17.21N·m,對(duì)圖4(a)右上側(cè)支撐孔取預(yù)緊力¢=0.60ss,則相應(yīng)的擰緊力矩為18.44N·m,檢測(cè)結(jié)果如圖4(b)所示。由檢測(cè)結(jié)果可知,在合理調(diào)整擰緊力矩的情況下,相應(yīng)的支撐點(diǎn)位置的變化有了明顯的改善。
對(duì)聯(lián)接環(huán)節(jié)的鈦合金螺釘進(jìn)行更換,對(duì)不使用螺釘防松膠的主鏡面形進(jìn)行了復(fù)檢,鏡面面形數(shù)值恢復(fù)到了之前的狀態(tài)。對(duì)聯(lián)接螺釘采用硅橡膠(GD-414)進(jìn)行防松處理,使用20.5N·m力矩?cái)Q緊。點(diǎn)膠后進(jìn)行了面形檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖5所示,3個(gè)支撐孔位置的局部最大變形量能夠滿足裝配工藝要求,且鏡面面形分布沒(méi)有發(fā)生變化。
通過(guò)試驗(yàn)可知,與不使用螺釘防松膠相比,采用硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)進(jìn)行防松處理后,主鏡支撐位置的局部最大變形量增加了31.9%和74.0%。由于材料參數(shù)的隨機(jī)誤差及相關(guān)材料摩擦系數(shù)差異的隨機(jī)性,實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果要偏大一些。但分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值量級(jí)及趨勢(shì)是一致的。
圖3 不使用螺釘防松膠的主鏡面形檢測(cè)結(jié)果
圖4 使用厭氧膠(J-222)的主鏡面形檢測(cè)結(jié)果
圖5 使用硅橡膠(GD-414)的主鏡面形檢測(cè)結(jié)果
對(duì)于主鏡聯(lián)接環(huán)節(jié)而言,從聯(lián)接可靠性角度考慮,雖然在不使用螺釘防松膠裝配的情況下,鏡面面形變化更小,但根據(jù)2.2節(jié)的分析結(jié)果,不使用螺釘防松膠裝配,其預(yù)緊力低于推薦限值,聯(lián)接可靠性不高。單純從預(yù)緊力角度考慮,當(dāng)不使用螺釘防松膠裝配時(shí),應(yīng)適當(dāng)增加擰緊力矩或者添加合適的潤(rùn)滑劑;當(dāng)使用厭氧膠(J-222)裝配時(shí),需要適當(dāng)減少擰緊力矩。
綜合考慮聯(lián)接環(huán)節(jié)防松的可靠性和預(yù)緊力對(duì)鏡面的影響情況,最終確定采用硅橡膠(GD-414)對(duì)主鏡聯(lián)接環(huán)節(jié)進(jìn)行防松處理。在此基礎(chǔ)上,需要對(duì)聯(lián)接環(huán)節(jié)的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,檢驗(yàn)其是否滿足當(dāng)前環(huán)境條件的要求。
在組件裝配后,為了驗(yàn)證螺釘防松膠對(duì)主鏡穩(wěn)定性的影響及防松效果的有效性,對(duì)主鏡組件進(jìn)行了力學(xué)和熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。
試驗(yàn)后對(duì)主鏡面形進(jìn)行了復(fù)檢,檢測(cè)結(jié)果如圖6所示,鏡面面形與試驗(yàn)前相比沒(méi)有發(fā)生變化。試驗(yàn)前后,用經(jīng)緯儀檢測(cè)了主鏡相對(duì)于底板的位置關(guān)系變化,其中,扭擺方向變化2.2″,俯仰方向變化1.7″。力學(xué)試驗(yàn)前后,主鏡組件的模態(tài)變化小于1%。試驗(yàn)結(jié)果表明,螺釘采用硅橡膠(GD-414)進(jìn)行防松處理,可以保證螺釘聯(lián)接具有足夠的可靠性,滿足當(dāng)前環(huán)境條件的要求。
以某空間相機(jī)的主鏡組件為例,對(duì)螺釘防松的工作機(jī)理、采用螺釘防松膠情況下的實(shí)際緊固力矩計(jì)算、螺釘防松膠對(duì)反射鏡鏡面的影響等方面進(jìn)行了探討。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同的螺釘防松膠由于其潤(rùn)滑因素,對(duì)螺釘?shù)臄Q緊力矩會(huì)產(chǎn)生較大影響,與不使用防松膠相比,硅橡膠(GD-414)和厭氧膠(J-222)對(duì)鏡面面形的影響分別增加了31.9%和74%。因此,在使用螺釘防松膠進(jìn)行螺釘防松處理時(shí),需要根據(jù)防松膠的特性,結(jié)合聯(lián)接材料及螺釘?shù)男阅?,選取合適的擰緊力矩,在保證螺釘具有較好的防松效果和聯(lián)接可靠性的同時(shí),不會(huì)對(duì)鏡面造成較大影響。
圖6 試驗(yàn)后主鏡面形檢測(cè)結(jié)果
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Research and Experiment of Influence on the Mirror Surface Figure Caused by Looseness-proof Adhesive
FAN Yan-chao,CHAI Fang-mao,LI Zhi-lai,DONG De-yi,XU Hong
(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)
Mirror subassembly is the important component of space camera, so the sufficient pre-tightening force of the joint structure should be guaranteed to resist the effect caused by dynamic load or temperature change in component assembling, at the same time, tightening torque should also be accurately controlled to reduce the influence on the surface figure. The primary mirror of some space camera taken as an example, the principle of threaded connection’s looseness-proof, the precise tightening torque caused by looseness-proof adhesive, and the effect on surface figure are analyzed and calculated, and verification test is carried out. The results of both the analysis and the experiments indicate that different types of looseness-proof adhesive can make great influence on the tightening torque, pre-tightening force and mirror surface figure, which can be increased to 31.9% and 74% more with Silicon Rubber adhesive(GD-414) and anaerobic adhesive(J-222)used respectively compared with no looseness-proof adhesives. When looseness-proof adhesive used, tightening torque should be precisely adjusted according to the special properties of the adhesives so as to ensure that the reliability of joint structure is sufficient and the influence on the mirror surface figure is under control.
looseness-proof adhesive,space camera,mirror subassembly,mirror surface figure,tightening torque,pre-tightening force
TH75
A
1001-8891(2015)05-0392-06
2014-11-25;
2015-04-15.
樊延超(1984-),男(漢族),河南省新安縣人,助理研究員,碩士,主要研究工作是空間光學(xué)遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail:dulangfan303@163.com。
國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目,編號(hào):2009AA7020107。