航空仪表不锈钢螺钉紧固力矩标准符合性研究

航空仪表不锈钢螺钉紧固力矩标准符合性研究

翟剑雯，解普育，杜文杰，张娟，李永春

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006）

摘  要：研究航空仪表用不锈钢螺钉（性能等级50）对不锈钢螺孔（1Cr18Ni9Ti）螺纹连接紧固力矩值的选取。通过紧固件拧紧力矩的公式，计算得出并优化了M1.6、M2、M2.5、M3、M4、M5的力矩值，试验验证力矩计算值的正确性，选取了量级较大的振动功率谱、频率和较长时间，进行了耐久振动试验。通过试验，证明了各规格紧固件力矩选取值。同时，也证明了增加同螺钉材料的弹垫和平垫、涂螺纹胶和红色漆封胶等防松措施的有效性。

关键词：航空仪表；不锈钢螺钉；不锈钢螺孔；紧固力矩值；防松措施

0 引言

紧固件作为一种通用机械零件，其应用范围非常广泛，航空仪表中使用到的紧固件规格普遍较小，采用范围是从M1.2至M5。由于缺乏该范围紧固件力矩值的国家标准和航空标准，导致目前航空仪表用紧固件拧紧方式大多依旧采用原始粗放的人工拧紧方式，由于不同操作员之间存在差异，该方式可能会出现两种极端的质量风险：一是出现紧固件未拧紧情况，会导致产品经过振动试验或飞行任务过程中出现螺钉脱落风险；二是出现拧紧过盈情况，会导致螺纹螺孔的接触面出现裂纹，甚至发生紧固件断裂情况，致使产品可靠性降低，增加多余物，影响产品的整体质量与使用寿命，或将引发更严重的后果。

因此，计算并验证航空仪表用小规格紧固件拧紧的力矩值，不仅能够有效改进紧固件拧紧方式，消除由不同操作员力度引入的差异。还能够细化和量化工艺规程，将力矩螺刀、力矩值、力矩验证及螺钉安装方法等工步信息补充到工艺规程中，实现对操作层面的管控和可追溯性。更能够实现产品装配或生产标准化，保障紧固件在产品装配或生产过程中操作的一致性，以及产品质量的一致性。

此外，探索和验证其他紧固措施，如增加相同材质的弹垫和平垫、涂螺纹胶和红色漆封胶等[1]。使其与力矩紧固形成合力，共同实现航空仪表用螺钉紧固质量的提升。

1 力矩值原理分析

紧固件拧紧力矩的公式选自《机械设计手册第六版第二卷》[2]，形式如下：

T＝K F′d （1）

式中：K为拧紧力矩系数，与摩擦系数有关；F′为预紧力，单位N；d为螺纹公称直径，单位mm。

一般规定拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于其材料的屈服点σｓ的80％，建议的预紧力F′计算如下：

F′＝（0.6～0.7）σｓＡｓ（2）

式中：σｓ为螺钉材料的屈服点，单位MPa；Ａｓ为螺钉公称应力截面积，单位mm２。

从材料手册中查到计算螺纹连接紧固力矩值各参数值，不锈钢表面与不锈钢表面相接触K=0.228，不锈钢螺钉（性能等级50）的屈服点σｓ=196MPa。不同规格的螺钉公称应力截面积Ａｓ/ mm２，其中，M1.6的Ａｓ为1.27、M2的Ａｓ为2.07、M2.5的Ａｓ为3.39、M3的Ａｓ为5.03、M4的Ａｓ为8.78、M5的Ａｓ为14.2。将各Ａｓ分别带入公式（1）、公式（2），计算得出螺钉（不锈钢、性能等级50）--螺孔（1Cr18Ni9Ti）螺纹连接紧固力矩值：M1.6为6cN·m、M2为12cN·m、M2.5为23cN·m、M3为40cN·m、M4为95cN·m、M5为200cN·m。

2试验验证

2.1试验前准备

力矩螺刀选用奇力速电动力矩螺刀，精度±3%，配4.0双耳批头，以及日本中村机械力矩螺刀。将各种规格螺钉装配实物如图1所示设计试验方案进行紧将紧固件用力矩螺刀紧固在试验夹具（材料：不锈钢1Cr18Ni9Ti）上，其中，1#板第1排装配单独圆柱头螺钉；第2、3排安装螺钉装配弹垫和平垫后涂红色漆封胶FJ-91；第4、5排安装螺钉装配弹垫和平垫后涂聚乙烯醇缩醛胶X98-1拧紧。2#板第1排螺钉装配弹垫和平垫；第2、3排安装圆柱头螺钉后涂红色漆封胶FJ-91；第4、5排安装圆柱头螺钉后涂聚乙烯醇缩醛胶X98-1拧紧。

图1 螺钉紧固实物图

2.2 试验条件

振动试验条件选取X、Y、Z三轴向，每个轴向各2.5h耐久振动，振动功率谱和频率详见图2振动试验曲线图。试验结束后用力矩螺刀检查螺钉有无松动。

图2 振动试验曲线图

3 试验结果与分析

经过振动试验后，用定力矩螺刀再次拧紧螺钉，有弹簧垫片、平垫片的一组螺钉全部无松动，在无弹簧垫片、平垫片的一组螺钉中，仅1#板第1排M5圆柱头螺钉有松动（无胶液和涂X98-1 胶液的M5 螺钉明显松动）如图3，涂红色漆封胶FJ-91 的M5 螺钉松动不明显。

图3无弹簧垫片、平垫片的M5 螺钉松动图

综上可知，M5 螺钉紧固力矩值应增大，为保证螺钉在无弹簧垫片、平垫片和不涂胶的情况下也能紧固，可将M5 螺钉紧固扭矩值（名义值）增大至220 cN•m。

工装试验夹具振动功率谱的量级远大于信号器类产品实际生产、各类试验和使用环境的振动量级，采取装配弹簧垫片、平垫片和涂胶的各种规格螺钉全部通过振动试验验证，试验结果表明，螺钉（不锈钢、性能等级

50）--螺孔（不锈钢1Cr18Ni9Ti）各种规格拧紧扭矩计算值正确，设置合理，能保证螺钉紧固。

4 结论和展望

从试验和现有研究结果可以看出，螺钉（不锈钢、性能等级50）--螺孔（不锈钢1Cr18Ni9Ti）螺纹连接紧固力矩值可从表1中选取。

表1 一般螺纹连接的紧固力矩参考值

同时，适当的采取防松措施，通过规范操作方法，可以保证产品螺纹连接的可靠性与一致性。采用力矩值紧固螺钉不仅能解决产品装配和生产中的问题，更是在提升制造技术成熟度，改进工艺指导方法，细化量化工艺规程，从而实现产品质量的提升。

参考文献

[1] 陈燕.联接用螺栓预紧力矩计算和参考使用值[J]. 工艺与测试,2009,1(2):53-55

[2] 成大先.机械设计手册第六版第二卷[M].北京化学工业出版社,2016