螺钉装配及防松技术
摘要螺纹连接以其简单、可靠、便于调节、多次拆装而无需更换的优点，在装配过程中占有很大的比重。装配过程中屡屡出现因拧紧力矩过大或过小出现螺纹紧固件或连接件失效的问题，为了提高螺钉连接的一致性和可靠性，首先通过工程方法计算确定不同规格螺钉的理论拧紧力矩值，并对防松方法进行了总结，其次通过振动试验验证螺钉拧紧力矩工程计算值是否正确、合理。最后，对螺钉拧紧力矩选取原则进行了归纳总结，以便工艺设计人员根据不同的使用环境选择。
关键词螺纹连接拧紧力矩振动试验
1 引言
螺钉联接安全性的关键在于保持足够的剩余预紧力。当惯导系统在振动过程中，螺钉所受的工作力大到足以抵消预紧力时，就会出现螺钉松动或折断的危险。为预防螺钉连接失效，保证产品的可维修性和可拆卸性，常用螺纹紧固胶防松和弹平垫防松。其中螺纹紧固胶方法防松，在粘接剂的作用下，拆卸力矩成倍增长。弹平垫方法防松，平垫圈主要用于改善支承面的接触状态，保证支承面的摩擦因数稳定，对防松有一定的作用。弹簧垫圈利用其弹性产生轴向力使螺纹副轴向压紧而产生摩擦力防松，但一般用于不重要的螺纹副连接。
2 螺纹紧固力矩的工程计算方法
在工程设计中，螺纹连接件拧紧力矩一般按式（1）计算，其中拧紧力矩系数K 与螺纹大小、螺纹升角、螺纹当量摩擦角、螺纹当量摩擦系数，螺钉头与被连接件支撑面的摩擦系数有关，可针对特定的工况条件按GJB715.15 规定的试验方法测出，当被联接件表面为氧化无润滑状态时，取 0.24。
M = KdF ×10-3 （1）
式中：M——拧紧力矩，单位 N·m；
F——轴向力，即设计时确定的预紧力，单位 N；
K——拧紧力矩系数；
d——螺纹公称直径，单位 mm；
对于碳素钢螺钉，预紧力为：
F = (0.6～0.7)σ sAs （2）
对于合金钢螺钉，预紧力为：
F = (0.5～0.6)σ sAs（3）
式中：σs——螺钉材料的屈服极限；
As——螺纹公称应力截面积，
d2——外螺纹中径；
d3——螺纹的计算直径d3 =d – H/6
H——为螺纹的原始三角形高度；
d1——外螺纹小径。
3 螺纹紧固力矩的工程计算值
螺钉常见机械性能等级有 4.8、 5.6、 5.8、 6.8、 8.8、9.8、 10.9、 12.9。小数点前的数字代表材料抗拉强度（σ b）的 1/100，小数点后的数字代表材料的屈服极限（σ s 或σ 0.2）与其抗拉强度（σ b）比值的 10 倍。例如等级为 4.8 的螺钉，其抗拉强度为4×100＝400MPa，屈服极限为 8×0.1×400＝320MPa。
螺钉常见性能等级的抗拉强度和屈服极限见表1，常见螺纹紧固件的拧紧力矩见表 2。
4 螺纹紧固胶的选取方法
螺钉紧固件防松较为常用的为使用螺纹紧固胶进行防松。其中环氧胶粘接力较大，在螺钉紧固中使用后一般不可拆卸，且环氧胶一般都为双组分，操作复杂。厌氧胶具有良好的耐振性、粘结力和密封性，防松功能强，厌氧胶为单组分胶，在空气中呈液态，隔绝空气后，发生聚合反应固化，而且使用厌氧胶可进行螺纹紧固件的重复拆卸，因此厌氧胶较为常用。厌氧胶一般为系列胶，按粘接强度分为不同牌号，可根据螺纹紧固、密封等不同需要选择不同性能的胶液。乐泰200系列为螺纹锁固密封胶，应用广泛，其性能见表3。
使用乐泰锁固胶后,可使螺纹松开力矩增大，用胶后松开力矩增大情况见表 4。
5 螺钉紧固件拧紧力矩的试验验证
5.1 试验条件
为了验证螺钉拧紧力矩选取原则的正确性，进行了螺钉紧固件振动试验。确定了振动试验条件，试验条件如表5 所示。因 X 向和Z 向振动试验对螺钉的受力方向相同，故只振动X 向方向和Y 方向。
5.2 试验准备
试验件材料为 2A12 T4。同时，为了保证螺钉的安装强度， M4 以上螺纹均镶钢丝螺套。试验用螺纹紧固件主要选择 HB 和GB 螺钉，其中：GB 螺钉性能等级为4.8、5.8。HB 螺钉选择材料为ML25（M3以下），30CrMnSiA（M4 以上）。螺纹公称直径为M1.6、M2、M2.5、 M3、 M4、 M5、 M6、 M8、 M10(均为圆柱头螺钉)。每种规格螺钉各20 个，进行螺纹紧固件无防松措施，弹平垫防松、螺纹紧固胶防松、弹平垫及加胶防松振动试验。
5.3 试验过程
将不同规格的螺纹紧固件按照不同的试验条件进行加固，待胶液固化后点标志漆，然后按照振动试验条件进行振动试验。振动试验后检查螺纹标志漆是否有破损现象，同时使用力矩螺丝刀或力矩扳手检查螺纹紧固件是否出现松动。
振动试验中的试验件没有减振措施，因此该振动试验条件更为恶劣。在振动工装上设置两个控制点和一个监控点。如图1 所示。
5.4 试验结论
通过振动试验， X 向振动试验放大倍数0.999， Y向振动试验放大倍数 2.26。说明在振动试验过程中，部分螺钉承受的力大于试验条件。振动试验后，检查标志漆均完好无损，同时用力矩螺丝刀按规定力矩值检查无一螺钉发生松动。证明了本文规定的螺纹紧固件拧紧力矩值是符合要求的。
6 螺钉紧固件拧紧力矩选取原则
根据多年的生产经验，螺钉紧固件拧紧力矩的选取原则如下：
（1）螺钉紧固件的拧紧力矩值不应超过表 2 的工程计算值，否则，会因螺钉连接拧紧力矩过大，导致螺纹牙被剪断而脱扣或者导致螺钉紧固件拧断。
（2）强度要求高的重要部位连接，可选择质量等级高或航标 30CrMnSiA 材料的螺钉紧固件。同时，可选择高强度乐泰锁固密封胶进行防松，但是产品不易拆卸。
（3）一般情况下，为满足产品可维修性要求，对螺纹公称直径≤2.5 的螺钉紧固件使用乐泰锁固密封胶 222，对螺纹公称直径大于 2.5 的螺钉紧固件使用乐泰锁固密封胶 243 进行防松。
（4）对于被压紧的中间材料为塑料材料等较软的材料，则需要降低螺钉紧固件拧紧力矩值，否则塑料零件会因拧紧力矩大而变形。螺钉选择性能等级4.8 螺钉或航标 ML25 螺钉即可。螺钉紧固件的拧紧力矩值可为表 2 计算的工程计算值的 1/2，如果需要增加螺钉紧固件的拧紧力矩值，需以不压坏塑料零件为准，同时拧紧塑料零件的螺钉紧固件的最大力矩值不应超过表2 给定的最大力矩值。同时为了保证螺纹不松动，建议使用乐泰锁固密封胶243 和弹平垫同时防松。
（5）如果螺钉加固过程中使用了螺纹紧固胶进行加固，则因使用不同螺纹紧固胶，使得螺钉松开力矩均有不同程度的增加，故可在满足强度的要求下适当降低螺钉拧紧力矩。
（6）使用弹平垫防松方法，一般用于不重要的螺纹副连接。所以，建议使用弹平垫防松的螺纹连接紧固力矩，可参考表2 的数值。
7 结束语
为避免螺钉在装配过程中屡屡失效问题，提高螺钉连接的一致性和可靠性，需确定螺钉的紧固力矩。本文所提供的螺钉拧紧力矩值是工程计算值并根据生产实际经验总结而得出。在生产中，还需根据螺钉使用的不同工况条件具体确定螺纹连接的紧固力矩。