航空航天系列螺母類產品性能等級
航空航天系列螺母類產品的性能等級與螺栓類產品一樣,也是采用強度等級進行劃分的,螺母的強度等級等于施加給它載荷而不會引起永久變形的螺栓強度等級。螺母的強度等級不僅取決于螺母材料的抗拉強度,還與螺母的結構尺寸息息相關(螺母厚度或有效螺紋長度),可以稱其為“結構強度”,因此,螺母的強度等級應與螺母所采用材料的強度等級區分開來。當螺母的破壞形式為螺紋時,螺母的強度等級等于螺母材料的熱處理強度等級;當螺母的破壞形式為結構破壞時,螺母的強度等級則以“結構強度”等級。進行定級,而不能再以螺母材料的熱處理強度等級進行定級。當螺母的強度等級是以“結構強度”進行定級時,一般都會小于其材料的熱處理強度等級。例如,對于強度等級為900MPa級的薄螺母或開槽螺母,其材料熱處理強度等級為1100MPa,但由于其結構所限,在螺母的螺紋破壞之前其結構就已經破壞,實際并沒有達到1100MPa級別而是900MPa級別。
螺母的強度等級是與螺栓強度等級相匹配的,也分為10個等級,即450MPa、600MPa、900MPa,1000MPa、1100MPa、1210MPa、1250MPa、1275MPa、1550MPa和1800MPa,其中450MPa和600MPa用于銅合金和鋁合金等有色金屬。
軸向承載能力
在普通螺紋螺母標準或規范中,衡量螺母承載能力的指標為保證載荷;而在MJ螺紋螺母標準或規范中,衡量螺母承載能力的指標為軸向載荷。雖然兩者名稱不同,但代表的意義是相同的,都表示在標準載荷作用下,螺母不應產生任何破壞。
螺母破壞載荷的確定與螺栓一樣,也是通過理論計算并經過充分的試驗驗證而確定的,所有標準或規范中規定的破壞載荷,只要螺紋參數、強度等級相同,其值基本上是統一的(不同標準體系之間會由于計算過程中的小數取舍不同而略有差異),計算公式見式(3-5)。
(3-5)式中Fmin--保證載荷或軸向載荷,在產品標準或規范中會明確給出,N;
As--螺母螺紋的抗拉應力截面積,計算公式同螺栓螺紋,mm2;
σb--螺栓的抗拉強度,產品標準的熱處理指標會明確給出,MPa。
普通螺紋螺母的保證載荷要與普通螺紋螺栓的保證載荷區分開來,兩者有本質的不同。普通螺紋螺栓的保證載荷是指載荷不大于屈服載荷時,螺栓在該載荷作用下,不產生明顯的永久伸長,此時尚未達到破壞、因此,螺母的保證載荷對應的是螺栓的破壞拉力,是表示螺母承載能力的唯一指標。
對于早期部分MJ螺紋螺母標準或規范中,除了軸向載荷(一般指100%軸向載荷)外,還會給出80%軸向載荷的要求,表示螺母在80%軸向載荷作用下,不應有任何永久變形,類似于普通螺紋螺栓的保證載荷由于高強度螺母沒有明顯的屈服點,在新的螺母標準或規范中都取消了這項要求。
硬度或強度
硬度或強度一般不是直接規定螺母使用要求的,而是為了保證最終軸向載荷或保證載荷所需,通常是控制熱處理的指標。為了得到高性能等級的螺母,一是通過進行熱處理來提高螺母的硬度或強度,進而達到提高螺母的軸向承載能力的目的;二是可以通過改變螺母的結構尺寸來提高其軸向承載能力,如增加螺母的高度或壁厚等,這可以避免過高的提高螺母的硬度或強度而帶來的脆性風險。
硬度和強度都可以作為控制熱處理性能的指標,并且兩者之間存在一定的換算關系(如GB/T1172《黑色金屬硬度及強度換算值》)強度是通過另外制備同爐抗拉試棒測得,硬度是通過螺母自身或另外制備硬度塊測得。由于抗拉試棒的制備過程較硬度塊要繁瑣得多,從實際生產效率考慮,標準中規定硬度比規定抗拉強度操作更簡便,因此,除非特殊要求,一般希望在設計標準時,熱處理給出的是硬度指標。
鎖緊性能
鎖緊性能是自鎖螺母和鎖緊螺母特有的性能指標,是要求螺母的鎖緊結構具有防止螺紋連接松動的能力,并在限定的條件下能夠保持這種能力。在實際使用中,螺母的鎖緊性能是通過標準或規范中規定的技術指標綜合評定:室溫鎖緊試驗、高溫鎖緊試驗、永久變形試驗。
(1)室溫鎖緊試驗主要是考察在室溫環境下自鎖螺母的鎖緊性能,如果僅從鎖緊的角度出發,有效力矩越大,防松效果越好;但從螺母裝配的角度來看,有效力矩越大,安裝會越困難,并且會破壞螺紋連接副的螺紋表面,反而會影響鎖緊功能的穩定性和鎖緊結構的重復使用性;因此,在標準中都會給出最大鎖緊力矩值和最小鎖緊力矩值,來控制合理的范圍。
自鎖螺母的使用次數有的是一次性使用,有的是多次重復使用,為了檢驗螺母的鎖緊性能,在產品標準或規范中會給出相應的鎖緊力矩范圍,一般為1次循環、5次循環和15次循環,對于一些特殊用途的還會要求上百次循環或上千次循環,如快卸鎖組件開槽螺母要求1500次循環試驗。
(2)高溫鎖緊試驗并不是在高溫環境下進行鎖緊試驗,而是與室溫鎖緊試驗一樣在室溫環境下對自鎖螺母進行擰入擰出,讀取最大擰入力矩和最小擰出力矩,不同的是在擰入后要將整個試驗裝置(包括試驗螺栓、試驗襯套和自鎖螺母)一起放入加熱爐內,加熱至最高工作溫度后并按規定時間保溫,然后出爐自然冷卻至室溫,最后也是在室溫環境下完成擰出,完成整個高溫鎖緊試驗。
(3)永久變形試驗是驗證自鎖螺母對螺栓公差的適應性,用具有最大極限尺寸的螺紋芯棒和最小極限尺寸的螺紋芯棒先后擰入同一螺母,并分別測量其有效力矩,應符合相應標準或規范要求。該項試驗需要專用的試驗螺栓,而且對試驗螺栓的螺紋精度要求非常高,制造成本非常高,因此,一般用途的自鎖螺母不進行該項試驗。
振動試驗
振動試驗也是自鎖螺母的驗收指標,一般是采用緊固件加速振動試驗方法進行試驗,用來考察自鎖螺母在實際使用時振動條件下的防松性能,在整個試驗過程中,螺母不允許出現結構破壞、裂紋、斷裂、鎖緊元件松動、螺紋破壞或鎖緊性能消失,但允許螺母相對螺栓轉動不超過360°。振動試驗一般適用于直徑規格為5~12的螺母,鈦合金自鎖螺母一般不做振動試驗,振動試驗參數如下:
·波形:正弦。
·頻率:30Hz},
·全振幅:(11.4310.4)mm
有些螺母需要按照下列方法制備后進行試驗:
·對于游動自鎖螺母,要從罩或支架中取出螺母體進行試驗。
·對稱螺母軸線去掉托板凸耳。
·去掉抓緊螺母的邊緣,使其與支承面齊平。
扳擰性能
扳擰力矩主要是考察螺母扳擰結構的承扭能力,用以確保螺母的順利裝配。螺母的扳擰結構應能承受按標準或規范施加的力矩,并經過反復扳擰后(通常為15次),不應出現裂紋,也不應產生任何妨礙標準套筒扳手使用的變形。
擰脫力矩
為了考察游動托板螺母、成組槽螺母等支架的承扭能力,應能經受住標準或規范給定的力矩,且螺母體不得從游動托板螺母支架內或從固定托板螺母的托板上脫出,也不允許有裂紋或影響螺母重復使用的變形這里所說的擰脫力矩也就是該系列螺母的止動結構(如支架)所能承受的最小扳擰力矩。
應力脆性
為了防止在較高的強度下螺母發生脆性斷裂,對于硬度不小于39HRC的螺母必須要進行應力脆性試驗。通過對螺母施加標準給定的扳擰力矩而使其承受一定的軸向載荷,在保持一定時間后,對螺母進行目視檢查,必要時剖開螺母在低倍放大鏡下檢查,不應產生裂紋或破裂。
推出力
對于成組游動螺母和托板螺母(角形螺母和單耳單孔托板螺母除外),應能承受擰入過程中所產生的軸向載荷即推出力,不應產生裂紋和影響正常使用的變形,但有的標準中會允許有輕微變形,沿螺紋軸向的變形應小于0.8mm,并應使標準螺栓至少旋入一圈。
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