殷 瑱，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

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引信鋁合金連接螺紋咬死預防措施

殷 瑱，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

針對引信鋁合金連接螺紋在裝配和拆卸過程中出現(xiàn)的咬死問題，提出了預防措施。首先從鋁合金螺紋咬死機理出發(fā)，分析了影響螺紋咬死的因素，然后從設計、加工和裝配的角度提出相應的預防措施。利用這些措施對預防引信連接螺紋咬死進行了實驗驗證，實例表明：提出的預防措施可有效降低螺紋發(fā)生咬死的可能性。

引信；螺紋連接；鋁合金；螺紋咬死

0 引言

鋁合金螺紋在傳統(tǒng)機械中應用較少。近年來，考慮到鋁合金螺紋具有比重小、強度高的特點，為減輕引信重量，在引信中應用越來越多。引信鋁合金螺紋常選用硬鋁合金2A11、2A12或超硬鋁合金7A04材料批量加工成短旋合長度細牙螺紋。螺紋加工表面精度低，表面粗糙度較差。裝配時，如果內、外螺紋強度差較小，則易出現(xiàn)螺紋牙粘合現(xiàn)象，難以繼續(xù)旋合。而螺紋在裝配和拆卸過程中，螺紋牙受到摩擦會使表面處理層或氧化層脫落，造成廢屑積累在螺紋牙間，阻礙螺紋旋合。甚至引起螺紋牙產生擠壓變形甚至斷裂破壞，進而出現(xiàn)螺紋既旋不進又退不出的咬死現(xiàn)象。螺紋咬死后容易造成螺紋牙變形，即使能夠將其拆卸也難以進行二次裝配，將直接導致其后的裝配工序無法正常進行，不僅影響效率，還會增加成本。

螺紋咬死問題由來已久，目前主要針對不銹鋼螺紋發(fā)生咬死原因進行了詳細討論，并提出了相應預防螺紋咬死的措施[1-2]。在引信生產中，鋁合金螺紋咬死現(xiàn)象也時有發(fā)生，但目前未見有文獻涉及引信鋁合金螺紋咬死現(xiàn)象研究。本文從螺紋的咬死機理出發(fā)，詳細分析影響螺紋咬死因素，提出了預防引信鋁合金連接螺紋咬死的措施。

1 鋁合金螺紋咬死影響因素

1.1 咬死機理

螺紋咬死主要表現(xiàn)為螺紋阻塞咬死、螺紋牙粘合咬死和螺紋牙變形咬死三種情況。

鋁合金螺紋化學性質活潑、氧化性強，螺紋牙表面在空氣中易形成氧化膜，螺紋裝配時同時承受摩擦力和壓力的作用易導致螺紋表面氧化膜破壞，使得螺紋牙間隙廢屑積累。并且當螺紋牙表面質量不好、粗糙度較大時，造成螺紋副配合間隙迅速變小，從而使螺紋阻塞咬死。

螺紋副材料相似或者強度差較小的情況下，在裝配時易出現(xiàn)螺紋牙粘合現(xiàn)象，難以繼續(xù)旋合。如果施力過大會造成螺紋牙表面撕裂，引起螺紋表面質量下降和螺紋牙厚度不均，使得螺紋無法繼續(xù)裝配。

裝配時施加擰緊力矩過大造成螺紋牙變形，尤其當螺紋牙間雜質積累較多時，嚴重時甚至會造成螺紋牙斷裂，直接導致螺紋咬死。

1.2 螺紋誤差影響

螺紋誤差對螺紋旋合性影響主要表現(xiàn)在螺距誤差和牙型半角誤差。

螺距誤差包括局部誤差和累積誤差。螺紋加工時，一些偶然因素容易造成螺紋表面局部磨損，產生螺距局部誤差。

螺距累積誤差取決于旋合長度。在旋合長度范圍內的螺距累積誤差對螺紋可旋合性影響較大。如果其中內螺紋是理想的，而外螺紋螺距比內螺紋大，則在其他參數(shù)相同的情況下，內、外螺紋旋合時將發(fā)生干涉，使螺紋裝配和拆卸困難。螺紋旋合越長，螺距累積誤差就越大。此時如果靠增大扭緊力矩裝配，容易導致螺紋牙受力變形、表面磨損，甚至引起螺紋牙斷裂，在拆裝時也會發(fā)生咬死現(xiàn)象。

當整個牙型角有誤差、或者牙型角平分線不垂直于螺紋軸線、或者是這兩種因素共同發(fā)生時，會引起牙型半角誤差。由于螺距誤差、牙型半角誤差可以折算到中徑上，正常情況下螺距誤差和牙型半角誤差的中徑當量各占中徑公差的25%左右[3]。因此在有螺紋誤差時，就會發(fā)生干涉現(xiàn)象導致螺紋無法正常裝配，發(fā)生咬死現(xiàn)象。

對于相同大徑的螺紋，細牙螺紋螺距要比粗牙螺紋的小。同等長度的螺紋旋合時，細牙螺紋的牙數(shù)多，容易產生螺距累積誤差，尤其是當加工內、外螺紋不是使用同臺設備時，就更容易產生螺距累積誤差，造成螺紋咬死。

1.3 螺紋表面質量影響

螺紋發(fā)生咬死現(xiàn)象原因與螺紋表面質量直接相關。研究發(fā)現(xiàn)，表面質量好的螺紋發(fā)生咬死的可能明顯較低，反之螺紋咬死的概率就較高[4-5]。

鋁合金螺紋切削加工過程中，切削產生的切屑與螺紋牙之間發(fā)生擠壓變形，易使螺紋牙產生形狀誤差，也影響螺紋表面質量；當切削速度過高、刀具進給量過大時，螺紋牙間溫升較大，易導致螺紋牙產生熱膨脹變形進而影響螺紋表面質量；在鍛造和熱處理過程中可能產生金屬爆裂以及金屬剪切滑移，不僅影響產品外觀質量還易形成邊角毛刺；另外螺紋在運輸過程中易受碰傷、劃傷和擦傷也會引起表面質量下降。

螺紋裝配時因螺紋牙接觸面間表面粗糙度、波紋度和形狀誤差較大，會造成螺紋牙間局部塑性變形。特別是當螺紋配合精度較高時，螺紋牙間的微小不平度將直接導致螺紋副間摩擦力增加，以致螺紋咬死。

鋁合金具有導熱性高、塑性好、線脹系數(shù)大等特性。螺紋擰緊時，一旦螺紋表面粗糙度較低或潤滑不良，螺紋間有微小灰塵污物、毛刺，螺紋表面摩擦生熱將使金屬膨脹，導致越擰越緊，工件無法進退甚至報廢。裝配時如果有雜質混入，鋁合金螺紋副間的摩擦較大，擰緊力矩也較大，螺紋牙受力不均勻，會產生塑形變形或斷裂，螺紋易咬死。

1.4 螺紋表面處理影響

潤滑直接影響螺紋配合。合理選擇潤滑劑對螺紋連接至關重要。內、外螺紋間是干摩擦或潤滑不足時，易導致螺紋牙間摩擦系數(shù)增大。擰緊時，隨著擰緊力矩的增大，螺紋牙面的接觸應力增大，易產生塑性變形導致螺紋粘扣，最終使螺紋咬死。

雖然鋁合金有較好的耐蝕性，但在潮濕情況下，鋁合金與其他金屬接觸易發(fā)生電化學腐蝕，而且隨著腐蝕產物的積累和螺紋的破壞，易導致螺紋在裝配時咬死。

良好力學性能對預防螺紋咬死非常重要。引信鋁合金螺紋材料常用可熱處理強化硬鋁合金2A11、2A12以及超硬鋁合金7A04，它們有較高的強度，但耐蝕性和塑性較差。為提高螺紋力學性能，鋁合金螺紋常需要熱處理。

1.5 擰緊力矩影響

螺紋預緊過程中，預緊力與擰緊力矩呈線性關系，適當?shù)臄Q緊力矩對保證螺紋得以旋緊又不至于損傷螺紋起著至關重要的作用，對此眾多學者開展過研究。王朋等[6]的實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過提高螺紋強度等級，可以減小扭矩系數(shù)。同時，對螺紋表面進行潤滑可有效減小摩擦系數(shù)，而無潤滑時，當預緊力超過螺紋屈服強度的70%，螺紋鍍層易發(fā)生破壞，導致螺紋咬死。Sayed A Nassar等[7]研究了擰緊速度、鍍層類型和厚度對扭矩系數(shù)的影響，結果表明隨著鍍層厚度增加，扭矩系數(shù)逐漸減小。因此，在螺紋裝配過程中應控制螺紋擰緊力矩，盡量減小螺紋扭矩系數(shù)。否則擰緊力矩過大很可能導致螺紋牙接觸面壓潰，使得螺紋斷裂、變形脫扣等，從而在拆卸時困難，造成螺紋咬死。

1.6 螺紋配合狀態(tài)影響

螺紋配合狀態(tài)受螺紋精度影響較大。如果內、外螺紋采用相同方法加工，則由于內螺紋加工難度大，加工精度比外螺紋的低，表面粗糙度也大，使得根據(jù)外螺紋精度選擇的公差帶配合，在螺紋裝配時會因配合間隙過小而易發(fā)生咬死。

引信鋁合金螺紋工作時承受較大沖擊載荷。為保證內、外螺紋配合時有足夠的接觸強度，避免螺紋牙發(fā)生斷裂導致拆卸時發(fā)生咬死，內、外螺紋應采用較好配合方式。

為了保證螺紋鍍后能夠順利地旋合，必須在鍍前留有一定的間隙裕量，并且選擇一個合適的公差帶。螺紋公差帶的基本偏差應不小于鍍層厚度的4倍，否則旋合時易發(fā)生咬死。

2 引信鋁合金螺紋咬死預防措施

2.1 消除螺紋誤差的影響

為預防因螺紋累積誤差而造成螺紋旋合困難，在保證螺紋連接強度和可旋合性情況下，螺紋旋合長度應盡量取短。引信鋁合金螺紋在設計時，螺紋副應采用相同的公差等級。當旋合長度較短時，加工所造成的累積誤差也就越小。

引信作為微小型產品，所采用的螺紋構件多為薄壁件，而且多為短旋合長度。當采用粗牙螺紋時，螺紋有效旋合扣數(shù)過少，難以保證連接強度。因此引信螺紋構件一般情況下，應采用細牙螺紋。

為消除因螺紋誤差而發(fā)生咬死現(xiàn)象，應通過改變內、外螺紋中徑配合符號來增大螺紋牙間隙。設計內、外螺紋時常采用g/H配合，可以保證有足夠的接觸強度。

2.2 提高螺紋表面質量

為提高螺紋切削過程中螺紋表面質量，應保持車刀鋒利、合理設置車刀安裝高度，并且當切削加工到一定深度時，應逐漸減小切削深度。同時應注意切削液的選用，以減小螺紋加工時產生的熱變形，降低螺紋表面粗糙度。對于鋁合金螺紋加工，切削液選用煤油或者煤油與石蠟混合溶液，可防止切屑粘刀。

鋁合金具有較高的強度和較好的塑性、延伸率。鋁合金外螺紋可采用滾壓方法加工，不僅可以提高螺紋表面質量還能提高材料利用率。對于超硬鋁合金，為提高螺紋滾壓質量，滾壓前可采用適當?shù)臒崽幚韥肀ＷC毛坯延伸率。

內螺紋可采用攻絲方法加工。攻絲加工螺紋具有加工精度高的優(yōu)點。

為提高螺紋表面質量，加工完后可以通過拋光方法提高表面光滑度。包裝前應將螺紋表面切屑清洗干凈，并做好包裝、防護工作，預防螺紋表面損傷。

2.3 采取適當?shù)谋砻嫣幚?/p>

潤滑能有效降低螺紋間摩擦力，對預防螺紋咬死至關重要。常用潤滑劑有二硫化鉬和石墨等。通常情況下石墨潤滑效果在附著性和均勻性方面不如二硫化鉬。二硫化鉬摩擦系數(shù)小，適用溫度、載荷以及速度范圍廣。在重載荷下，具有很高的穩(wěn)定性和磨損壽命，適合引信在高過載條件下使用。雖然二硫化鉬氧化后生成SO2會人體會有些傷害，但是考慮到它具有很好的溫度穩(wěn)定性，在干燥的空氣中，溫度超過400 ℃時才會開始氧化，只有在濕度和酸度極高時才易氧化[8]。而且引信裝配工作通常在室內較干燥的環(huán)境下進行裝配，可以明顯抑制二硫化鉬的氧化。此外，二硫化鉬固體干膜潤滑劑還具有穩(wěn)定預緊力和自鎖力矩的作用，常用于螺紋連接[9]。

在螺紋表面涂覆前應保證螺紋表面清潔、干凈、無毛刺，涂覆應盡量均勻。

鋁合金螺紋在存儲期間應保持環(huán)境干燥，避免與含酸、堿雜質接觸，以免發(fā)生電化學腐蝕，影響螺紋表面質量。

為提高螺紋強度和耐磨性，可對鋁合金螺紋采用電鍍處理，常采用電鍍鎳、電鍍鉻以及電鍍合金等方式。電鍍可明顯降低螺紋表面摩擦系數(shù)，改善螺紋副間潤滑性。為提高鋁合金螺紋電鍍效果，應在電鍍前采取前處理工藝，在鋁合金表面形成中間層，提高鍍層與基體金屬間結合力，避免螺紋在使用過程中造成鍍層脫落而在拆卸時咬死。

國家標準GB/T5267.1-2002《緊固件 電鍍層》[10]針對不同螺距推薦的鍍層厚度如表1所列。

表1 鍍層厚度推薦值

為改善鋁合金螺紋力學性能，常對螺紋坯料采取合適的熱處理。眾多學者通過對鋁合金材料試驗分析，得出了較好的熱處理工藝制度[11-12]。其中對2A12在淬火處理時應考慮合金的過燒敏感性，淬火加熱溫度應低于過燒溫度，對不同規(guī)格產品的淬火加熱溫度應統(tǒng)一規(guī)定為495±3℃。為了提高鋁合金材料的塑性、韌性可采用固溶處理和時效處理。

2.4 控制螺紋的擰緊力矩

螺紋的扭矩系數(shù)與螺紋副間的摩擦系數(shù)有關，控制螺紋擰緊力矩應減小螺紋表面的摩擦系數(shù)。螺紋擰緊前應保證螺紋表面光滑、干凈。同時采用合理的潤滑方式，對螺紋表面均勻潤滑，以減小螺紋表面摩擦系數(shù)。螺紋盡量選擇強度高、硬度大、耐磨性好的材料，或者通過合適的熱處理提高螺紋強度等級，以減小扭矩系數(shù)。在滿足螺紋中徑公差的前提下，可增加鍍層厚度以減小扭矩系數(shù)。

螺紋裝配時不僅要控制擰緊力矩的大小，還應注意螺紋旋入、旋出速度。特別是鋁合金，其線膨脹系數(shù)大，如果裝配時擰緊速度快會造成螺紋間的熱能增加就更易引起金屬膨脹導致螺紋咬死。裝配時應用手自由擰緊再用扳手緊固，而拆卸時應采用瞬間用力的方法，這樣可以大大降低螺紋咬死的可能性。

2.5 選擇合適的螺紋副材料

螺紋副材料匹配也會影響到螺紋配合。引信螺紋的螺紋副材料往往不同。螺紋材料相同時，由于材料晶格類型一樣，在高溫高壓下材料金屬粒子易相互滲透，導致螺紋出現(xiàn)咬粘現(xiàn)象。S.Baragetti等[13]對銅鈹合金螺紋材料匹配研究發(fā)現(xiàn)，當內、外螺紋都是銅鈹合金時，涂覆任何潤滑劑都會造成螺紋表面摩擦系數(shù)較大，而采用銅鈹合金與不銹鋼匹配時，螺紋表面摩擦系數(shù)將明顯降低。因此在選用鋁合金材料時，應盡量選擇不同牌號，或者通過熱處理使得材料獲得不同的硬度、強度值。

通常內螺紋材料的性能略低于外螺紋材料，兩者的硬度差宜為HB20～HB30，抗拉強度差宜為50～120MPa[14]。

螺紋副材料不同時，如鋁合金與不銹鋼或者不同牌號鋁合金之間的配合，高溫情況下應對表面進行潤滑處理。因為在高溫下，螺紋的表面壓力和摩擦力易破壞金屬表面氧化膜，并在力的作用下造成螺紋咬粘。

3 螺紋咬死實例

圖1為57 mm高炮人工消雹增雨彈研制過程中彈底引信鋁合金螺紋在拆卸時發(fā)生咬死的情形。

圖1 彈底引信鋁合金螺紋咬死Fig.1 Thread galling of aluminum alloys for cartridge fuze

針對這種情況，從以下幾方面對引信出現(xiàn)螺紋咬死的原因進行了分析：

1) 討論螺紋強度的影響。原引信傳爆管殼和引信體所用材料分別是2A12-T4和高強7A04-T6，它們之間的強度差為130 MPa。從分析可知螺紋材料的強度差滿足許可范圍內。但傳爆管殼采用細牙螺紋，而且旋入引信體長度較長，在擰入后還施加很大的力進行緊固，容易超過其屈服強度，造成螺紋牙變形。此外，引信在發(fā)射時要承受較大的后坐力，有可能使已變形的螺紋進一步變形或局部破壞。

2) 考慮螺紋公差的影響。原傳爆管殼和引信體的螺紋尺寸分別為M36×1-6e和M36×1-6H。內、外螺紋間隙約為0.05～0.08 mm。在未預緊情況下，旋入后可能會有松動，在沖擊力作用下螺紋牙易變形。

3) 分析擰緊力矩的影響。在裝配過程中沒有明確規(guī)定擰緊力矩。裝配時僅靠人力使之緊固，沒有考慮到螺紋牙的變形。

4) 分析拆卸速度的影響。由于剛開始拆卸速度較慢，使發(fā)生變形的螺紋牙在擠壓力的作用下發(fā)生斷裂，留下的廢屑積累在螺紋牙間。當施加更大的力拆卸時，最終造成更多的螺紋牙發(fā)生斷裂，從而形成既旋不進又取不出的困境。

結合分析結果對螺紋設計和操作過程進行了適當?shù)母倪M：考慮到長旋合長度時螺紋牙強度不足，將傳爆管殼的螺紋改用粗牙螺紋；內、外螺紋配合選用g/H配合方式；在裝配時通過使用力矩扳手控制擰緊力矩；拆卸時采用瞬間用力方法。驗證結果表明，改進后螺紋發(fā)生咬死的概率大大降低。

4 結論

本文從鋁合金特性出發(fā)，對影響鋁合金螺紋咬死的因素進行了分析，提出了預防引信鋁合金螺紋咬死的措施，并對預防引信螺紋發(fā)生咬死進行實驗驗證。驗證結果表明提出的預防措施可以有效降低螺紋螺紋發(fā)生咬死的可能性。

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Measures for Preventing Fuze Aluminum Alloys Connection Thread Galling

YIN Zhen, WEN Quan, WANG Yushi, ZHANG Zhibiao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to solve the problem that fuze aluminum alloys connection thread appear galling when assemble and disassemble, a series of preventative measurements was proposed. Firstly , through analyzing the mechanism of galling of aluminum alloys thread, figured out the influence factors. After that, putting forward the corresponding measures from the viewpoint of design, process and assemble. Eventually, these measures was validated by a type of fuze aluminum alloys connection thread which used in the manual precipitation bullet. The experiment results showed that the provided measures can greatly reduce the possibility of galling for fuze aluminum alloys thread.

fuze; thread connection; aluminum alloy; thread galling

2016-03-28

殷瑱(1990-)，男，湖北廣水人，碩士研究生，研究方向：特種機械技術。E-mail：yznjust@163.com。

TJ430.5

A

1008-1194(2016)05-0076-05