導(dǎo)讀

作者：杜坤鵬1 王天立1 史建猛1 邱建平1 齊振超2 （1 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089） （2 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

來源：《宇航材料工藝2025年9月

摘要：針對螺栓連接的預(yù)緊力一致性差、短期松弛等問題，以復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)為研究對象，以普 通螺栓預(yù)緊力形成機(jī)理為基礎(chǔ)，結(jié)合高鎖螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析預(yù)緊力產(chǎn)生原理，推導(dǎo)了高鎖螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān) 聯(lián)關(guān)系，通過螺栓擰緊試驗確定了高鎖螺栓扭矩法工藝中鎖緊力矩、擰斷力矩等參數(shù)，并且擬合了高鎖螺栓扭 矩-預(yù)緊力關(guān)系曲線；通過設(shè)計單因素試驗分析了擰緊速度、潤滑條件、擰緊步數(shù)等工況對螺栓連接預(yù)緊力一 致性的影響。試驗表明擰緊速度和潤滑條件對螺栓預(yù)緊力一致性影響較大，高擰緊速度和施加潤滑可以獲得 較大的預(yù)緊力，但是預(yù)緊力一致性會變差；針對螺栓擰緊后產(chǎn)生預(yù)緊力短期衰減問題，設(shè)計螺栓預(yù)緊力48 h自 然松弛試驗探究了擰緊速度、潤滑條件、擰緊步數(shù)等工況下復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力自然松弛規(guī)律，結(jié)果 表明潤滑條件對復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力自然松弛影響最顯著。

航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品主承力結(jié)構(gòu)件的抗拉、抗剪、抗扭轉(zhuǎn)、抗剝離等各項嚴(yán)格要求，一般采用承載 性能好、可靠性高的螺栓緊固件進(jìn)行連接［1-2］，螺栓 連接的可靠性關(guān)系到整體產(chǎn)品的正常運(yùn)行。碳纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量特點(diǎn)，在航空、 航天領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，螺栓連接是復(fù)合材料 疊層結(jié)構(gòu)最常用的連接方式之一，復(fù)合材料螺栓連 接技術(shù)備受關(guān)注。如何在復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)中獲得 更好的連接性能，對提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和可靠性 具有重要的意義。

螺栓擰緊工藝是控制螺栓預(yù)緊力一致性的重要 工藝，特別是航空航天領(lǐng)域，要求對螺栓連接結(jié)構(gòu)的 預(yù)緊力控制更為精準(zhǔn)、嚴(yán)格。常用的擰緊工藝包括 扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法、伸長量法，其中扭 矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法由于其操作方便、精度較高被廣 泛應(yīng)用。

劉曉石［3］針對發(fā)動機(jī)連桿結(jié)構(gòu)比較了扭矩法、扭矩 轉(zhuǎn)角法等預(yù)緊力控制方法對裝配質(zhì)量的影響，結(jié)果表 明：扭矩轉(zhuǎn)角法具有更高的控制精度。ZOU等［4］研究了 擰緊次數(shù)、擰緊速度和潤滑劑類型對摩擦因數(shù)和預(yù)緊 力大小的影響規(guī)律。結(jié)果表明，潤滑對螺紋緊固件的 摩擦因數(shù)和螺栓預(yù)緊力大小有顯著影響。

螺栓在擰緊之后短期內(nèi)不受外載荷激勵，預(yù)緊 力會發(fā)生快速衰減，螺栓連接載荷發(fā)生變化，預(yù)緊力 自然松弛是導(dǎo)致復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓連接疲勞失 效、破壞結(jié)構(gòu)完整性的主要原因之一。導(dǎo)致自然松 弛的因素很多，LIU等［5］認(rèn)為是內(nèi)外螺紋滑移、彈塑 性變形綜合導(dǎo)致螺栓在擰緊后短期內(nèi)，螺栓載荷發(fā) 生快速衰減，其采用有限元方法建立了精確的三維 模型，并考慮了螺紋升角對數(shù)值分析的影響，提出了 一種分析自松動行為的新方法，對比分析了不同變 形階段螺栓連接的彈性和塑性引起的自松動行為。 分析結(jié)果表明，螺紋的扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致了內(nèi)外螺紋的 相對滑移，這導(dǎo)致彈性狀態(tài)下的螺紋自松。在彈塑 性變形條件下，自松行為是由內(nèi)外螺紋的相對滑動 和塑性變形引起的，塑性變形的程度更大。李小強(qiáng) 等［6］通過試驗探究了螺栓擰緊后30 min內(nèi)的螺栓預(yù) 緊力衰減規(guī)律，不同扭矩下的螺栓預(yù)緊力衰減趨勢 大致保持一致，且預(yù)緊力衰減比例在1%～5%，預(yù)緊 力衰減主要集中在25 min前，25 min后基本趨于穩(wěn) 定，但是沒有進(jìn)一步對預(yù)緊力衰減的原因進(jìn)行探索。 王燦等［7］通過建立螺栓擰緊-自松弛-振動過程有限 元模型，模擬了螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生及松弛的三個階段： 螺栓擰緊、擰緊后短時間內(nèi)螺栓自松弛、外部載荷下 螺栓預(yù)緊力松弛，撤銷約束與外載荷后，預(yù)緊力大幅 度下降，螺栓發(fā)生扭轉(zhuǎn)回彈，原本受扭轉(zhuǎn)的螺栓變得 “松弛”，螺栓的軸向力減小，上下連接板的夾緊力隨之變小，預(yù)緊力下降。慶光蔚等［8］以應(yīng)變頻響函數(shù)作 為響應(yīng)特征指標(biāo)，提出了一種基于模型修正思想的 螺栓連接結(jié)構(gòu)松動識別方法，能夠有效識別螺栓連 接結(jié)構(gòu)的松動程度。前面研究都是基于螺栓本身材 料的變化，當(dāng)螺栓連接復(fù)合材料時，由于復(fù)合材料的 樹脂基體具有黏彈性，表現(xiàn)出蠕變、松弛和遲滯等力 學(xué)特性隨時間而變化的行為，使螺栓預(yù)緊力隨時間 歷程逐漸發(fā)生自然松弛。HU等［9-10］提出了螺栓預(yù)緊 和預(yù)緊松弛的機(jī)理模型，研究了熱效應(yīng)下復(fù)合材料 螺栓干涉連接預(yù)緊力松弛規(guī)律，發(fā)現(xiàn)干涉連接界面 摩擦阻礙了預(yù)緊力從螺母側(cè)到螺栓頭側(cè)的傳遞，并 導(dǎo)致配合部件兩個表面上的夾緊力不相等，但它有 助于通過降低預(yù)緊力水平和防止蠕變變形來減輕預(yù) 緊力松弛。CACCESE等［11］進(jìn)行了復(fù)合材料-金屬螺 栓連接中應(yīng)力松弛對夾緊載荷影響的試驗研究，結(jié) 果表明螺栓夾緊載荷的損失可能會影響連接件的強(qiáng) 度和疲勞壽命。

目前國內(nèi)外對螺栓預(yù)緊力形成機(jī)理、螺栓預(yù)緊 力松弛等方面已有了相應(yīng)的研究成果，但是主要研 究對象是金屬疊層結(jié)構(gòu)螺栓連接預(yù)緊力的松弛行 為，對復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓連接預(yù)緊力自然松弛 行為研究較少。本文針對復(fù)合材料疊層連接結(jié)構(gòu)， 對扭矩擰緊工藝過程中高鎖螺栓預(yù)緊力與扭矩關(guān)系 進(jìn)行理論推導(dǎo)和試驗擬合，并分析螺栓預(yù)緊力形成 一致性的影響因素，最后，探究擰緊速度、潤滑條件、 擰緊步數(shù)等工況對復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力自 然松弛規(guī)律的影響。

1 螺栓擰緊試驗

1. 1 試驗材料

螺栓擰緊試驗中緊固件為中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件 制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高鎖螺母和抗剪型鈦合金 螺栓，螺栓的材料、尺寸、螺紋規(guī)格和高鎖螺母保持 一致，尺寸規(guī)格如圖1（a）所示，螺栓、螺母表面經(jīng)過 涂層處理，其材料為Ti6Al4V。被連接件采用T800 碳纖維復(fù)合材料板。

在進(jìn)行螺栓擰緊試驗過程中，考慮到擰緊試驗 的試驗量較大，對試驗材料要求較多，復(fù)合材料板設(shè) 計尺寸規(guī)格如圖1（b）所示，CFRP層合板上帶有 ?6. 0 mm的初孔，為了滿足螺栓連接復(fù)合材料疊層 板工藝要求，需要保證復(fù)合材料疊層板制孔的同軸 度，采用壓板、夾具壓緊復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行制 孔。該復(fù)合材料板是由18層厚度為0.14 mm、兩層 厚度為0.22 mm的單向預(yù)浸料對稱鋪層形成的層合 板，鋪層順序為［45°/45°/0°/-45°/0°/90°/45°/0°/-45°/ 0°］s 。纖維體積分?jǐn)?shù)為50.5%，復(fù)合材料板采用熱壓罐在高溫、高壓環(huán)境中固化而成。

1. 2 試驗設(shè)備

螺栓擰緊試驗使用的設(shè)備為自研平臺，由電動 擰緊設(shè)備、超聲測量預(yù)緊力系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)工裝組成， 如圖2所示，通過將復(fù)合材料疊層構(gòu)件放置于固定夾 板內(nèi)側(cè)且處于電動擰緊機(jī)的下方，即可進(jìn)行擰緊實 驗，達(dá)到了方便螺栓對準(zhǔn)電動擰緊機(jī)、提高擰緊效 率、防止錯位的效果。

試驗平臺擰緊設(shè)備采用丹尼克爾智能擰緊工 具，該設(shè)備通過硬件和軟件結(jié)合可以設(shè)定不同擰緊 策略，實現(xiàn)螺栓擰緊全過程的扭矩精確控制，扭矩精 度可達(dá)7.5%，并且實時反饋擰緊過程數(shù)據(jù)，分為兩 個部分：擰緊工具和控制系統(tǒng)，如圖3所示。

相較于其他預(yù)緊力測量方法，超聲波測量螺栓 預(yù)緊力只需要在螺栓頭部通過化學(xué)方式集成壓電材 料或者貼陶瓷墊片，不需要改變螺栓結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對服 役螺栓的無損檢測，盡可能保持高鎖螺栓與實際工 況一致。

超聲測量螺栓預(yù)緊力設(shè)備采用北京愛法斯特提 供的iFast-Expert螺栓預(yù)緊力測量系統(tǒng)，如圖4所示， 該系統(tǒng)通過超聲波測量預(yù)緊力技術(shù)，測量系統(tǒng)發(fā)射和接受超聲波脈沖信號的時聲差，通過理論計算得 到螺栓預(yù)緊力大小。

2 螺栓扭矩擰緊工藝研究

螺栓在實際工程應(yīng)用過程中，擰緊步驟是控制 螺栓預(yù)緊力一致性的重要工藝。常用的擰緊工藝包 括扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法。高鎖螺栓由于 自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常采用扭矩法進(jìn)行擰緊，本文針對 高鎖螺栓的扭矩擰緊工藝進(jìn)行探究。

高鎖螺母與普通外六角螺母結(jié)構(gòu)不同，高鎖螺 母是由圓螺母和六角頭兩部分組成，中間有一個斷 槽結(jié)構(gòu)，斷槽結(jié)構(gòu)在擰緊力矩達(dá)到一定扭矩之后會 被擰斷，起到定力矩作用，圓螺母收口部位螺紋直徑 稍微小于螺栓螺紋，用于鎖緊螺栓。高鎖螺母擰緊 過程中用來控制預(yù)緊力的關(guān)鍵參數(shù)與普通螺母也不 一樣。普通六角螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力的大小受擰緊力 矩、螺紋間摩擦力矩、端面摩擦力矩綜合影響。高鎖 螺栓螺母在擰緊過程中預(yù)緊力大小受鎖緊力矩、擰 斷力矩、螺紋間摩擦力矩、端面摩擦力矩等因素的綜 合影響，擰緊過程如圖5所示，擰緊工具上六角扳手 插入高鎖螺栓外端內(nèi)六角槽內(nèi)進(jìn)行止動，同時內(nèi)六 角套筒卡在高鎖螺母六角頭，擰緊螺母，當(dāng)擰緊力矩達(dá)到高鎖螺母設(shè)計擰斷力矩時，斷槽結(jié)構(gòu)被擰斷，高 鎖螺母完成安裝。其中，擰斷力矩是指在高鎖螺母 擰緊過程中，將高鎖螺母外六角部分從斷頸槽處擰 斷時，擰緊工具所施加的力矩。鎖緊力矩指的是高 鎖螺栓在沒有產(chǎn)生軸向力時由螺母的收口螺紋部分 與螺栓擠壓摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩［12］。

普通螺栓擰緊預(yù)緊力與擰緊力矩有一套成熟理 論公式，普通六角螺母在進(jìn)行擰緊過程中的擰緊力 矩T用來克服螺栓螺母端面與被連接件接觸面之間 的摩擦力矩T1 和螺母與螺栓之間的螺紋面摩擦力矩 T2 ，三者之間的關(guān)系如下［6］：

式中，D為螺母外徑，F(xiàn)0 為螺栓預(yù)緊力，d為螺母端面 螺紋孔直徑，d0 為螺紋中徑，μ為螺母端面和被連接 件之間的摩擦因數(shù)，φ為螺紋升角，?為當(dāng)量摩擦角。

綜合公式可得，普通外六角螺栓預(yù)緊力和扭矩 之間的關(guān)系為：

式中，K為擰緊力矩系數(shù)。

高鎖螺母結(jié)構(gòu)與普通外六角螺母結(jié)構(gòu)不同，普 通螺栓連接理論公式不適用于高鎖螺栓，但是可以 作為高鎖螺栓連接理論公式參考。其中，高鎖螺栓 的擰斷力矩可以近似看成普通螺栓預(yù)緊力和扭矩關(guān) 聯(lián)關(guān)系中的擰緊力矩，高鎖螺栓在擰緊過程中，螺母 的螺紋收口處與螺栓螺紋擠壓會發(fā)生變形，產(chǎn)生普 通螺母中沒有的鎖緊力矩，不會對整體螺栓連接結(jié) 構(gòu)造成影響。扭矩系數(shù)不會因為收口部位而發(fā)生改 變，鎖緊力矩是線性疊加到擰緊力矩上的［13］。故擰 斷力矩T、鎖緊力矩T3 以及預(yù)緊力滿足如下關(guān)系。

高鎖螺母由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，擰緊過程中螺 紋受力區(qū)別于普通螺栓，預(yù)緊力的形成規(guī)律也與普 通螺栓有一定區(qū)別，因此在探究擰緊工況對預(yù)緊力影響規(guī)律試驗之前，需要通過螺栓擰緊試驗確定式 （5）中的鎖緊力矩、擰斷力矩等參數(shù)，方便接下來進(jìn) 一步確定螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系，擰緊試驗以扭矩擰 緊工藝為研究對象，以11 N·m為目標(biāo)扭矩，擰緊速 度為120 r/min，無潤滑的工藝條件下，對M6螺栓進(jìn) 行擰緊，并記錄每次擰緊過程的扭矩曲線，以獲得高 鎖螺栓的擰斷力矩和鎖緊力矩，為減小試驗不確定 性，提高試驗準(zhǔn)確性，采用三個螺栓重復(fù)上述試驗。

試驗均在搭建的螺栓擰緊-預(yù)緊力測量平臺進(jìn) 行，螺栓端部為六角頭螺栓，在擰緊過程中可以采用 棘輪扳手進(jìn)行止動。

扭矩-時間曲線如圖6所示，可以看出高鎖螺母 擰緊過程的兩個階段：第一階段，0 s開始螺母開始轉(zhuǎn) 動，螺紋之間發(fā)生接觸，扭矩迅速增大，達(dá)到鎖緊力 矩并保持穩(wěn)定；第二階段，2.4 s時，螺母端面開始接 觸到被連接件上表面，螺母和被連接件接觸面開始 產(chǎn)生摩擦力，扭矩迅速增大直至達(dá)到高鎖螺母設(shè)計 的擰斷力矩，然后六角頭螺母擰斷，扭矩迅速下降至 零。0~2. 4 s為第一階段，該階段實際扭矩/目標(biāo)扭矩 維持在1.3%左右，實際扭矩為1.43 N·m，該扭矩是 螺栓不產(chǎn)生預(yù)緊力之前，用來克服螺母的收口螺紋 部分與高鎖螺栓擠壓摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩為鎖緊力 矩，即鎖緊扭矩為1.43 N·m。2.4 s實際扭矩迅速增 大，實際扭矩/目標(biāo)扭矩達(dá)到95%，實際扭矩為10.45 N·m，該扭矩為高鎖螺母外六角部分從斷頸槽處擰 斷時的力矩為擰斷力矩，即擰斷力矩為10.45 N·m。

將試驗所測得的鎖緊力矩代入公式（5），則扭 矩、鎖緊力矩及預(yù)緊力滿足如下關(guān)系。

由公式（5）可知，螺栓預(yù)緊力-扭矩是線性關(guān)系， 為了獲得扭矩擰緊工藝的扭矩-預(yù)緊力曲線，進(jìn)一步 進(jìn)行螺栓扭矩擰緊工藝試驗，以確定擰緊系數(shù)K，M6 鈦合金高鎖螺栓，試驗過程中擰緊工藝條件為：擰緊 速度為120 r/min；以4.45，6. 45，8. 45，10. 45 N·m為目標(biāo)扭矩；試驗重復(fù)3次。

對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到擰緊力矩-預(yù) 緊力曲線如圖7所示，符合線性關(guān)系，經(jīng)過計算可得 此工藝條件下K=0.138，擰緊力矩-預(yù)緊力曲線為。

3 螺栓預(yù)緊力一致性及自然松弛試驗

工程實際中，對于一些重要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接部 位對于螺栓預(yù)緊力的一致性具有很高要求，螺栓連 接復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)擰緊過程中的擰緊速度、潤滑 條件、擰緊步數(shù)都會顯著影響扭矩系數(shù)，從而影響螺 栓預(yù)緊力的一致性，這些因素統(tǒng)稱為擰緊工況?？?慮到復(fù)合材料由于厚度方向樹脂基體會產(chǎn)生蠕變和 應(yīng)力松弛，會導(dǎo)致復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)螺栓擰緊后出 現(xiàn)短期預(yù)緊力衰減現(xiàn)象，這種短期預(yù)緊力衰減現(xiàn)象 統(tǒng)一采用自然松弛描述。同時擰緊過程中螺紋受力 狀態(tài)、螺栓材料等都會影響螺栓預(yù)緊力自然松弛。

研究擰緊速度、潤滑條件、擰緊步數(shù)等因素對螺 栓預(yù)緊力一致性及預(yù)緊力短期松弛規(guī)律的影響，其 中擰緊速度包括80、120、160、200 r/min，潤滑條件包 括油潤滑、脂潤滑、無潤滑，擰緊步數(shù)包括一步擰緊、 兩步擰緊、三步擰緊。

試驗條件以及工藝參數(shù)如1所 示，按照表1不同擰緊工藝對螺栓進(jìn)行擰緊，然后檢 測螺栓48 h之內(nèi)的預(yù)緊力變化趨勢，并記錄數(shù)據(jù)。 試驗1#、2#、3#、4#主要用于探究擰緊速度對螺栓 預(yù)緊力影響；試驗2#、5#、6#主要用于探究潤滑條件對 螺栓預(yù)緊力影響；試驗2#、7#、8#主要用于探究擰緊步 數(shù)對螺栓預(yù)緊力影響。

通過設(shè)計多步擰緊試驗，探究擰緊步數(shù)對螺栓 預(yù)緊力影響：一步擰緊，直接擰到目標(biāo)扭矩的100%； 兩步擰緊，第一步先擰到目標(biāo)扭矩的50%，第二步再 擰到目標(biāo)扭矩的100%；三步擰緊，第一步先擰到目 標(biāo)扭矩的35%，第二步擰到目標(biāo)扭矩的70%，第三步 擰到目標(biāo)扭矩的100%。

4 結(jié)果與討論

4. 1 擰緊工況對預(yù)緊力一致性產(chǎn)生的影響

4. 1. 1 擰緊速度的影響

將試驗1#、2#、3#、4#結(jié)果繪制曲線，如圖8所示。

可以看出，80、120、160、200 r/min擰緊速度下螺栓 平均預(yù)緊力分別為10.647、10.805、11.082、11.376 kN， 可以明顯得知隨著擰緊速度的增大螺栓預(yù)緊力也是增 加的，值得注意的是80、200 r/min擰緊速度下預(yù)緊力相 差729 N，四種擰緊速度水平預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)差分別為61.9、 91. 8、133. 4、164. 0 N，以80 r/min擰緊速度擰緊螺栓， 獲得的預(yù)緊力一致性更好且預(yù)緊力較小，雖然以160、 200 r/min擰緊速度擰緊時形成的預(yù)緊力較大，但是預(yù)緊力波動較大，一致性變差。

綜合看120 r/min擰緊速度可以獲得較大的預(yù)緊 力，同時一致性也較好，是相對較好的一種選擇。從 圖8（b）可以看出，扭矩系數(shù)隨擰緊速度增大減小，與 公式（7）中預(yù)緊力-扭矩系數(shù)關(guān)系吻合。導(dǎo)致這一結(jié) 果的原因是擰緊速度影響螺紋嚙合面的摩擦因數(shù)， 螺栓擰緊過程中螺紋接觸面相對滑移，隨著擰緊速 度的增加產(chǎn)生摩擦磨損引起摩擦因數(shù)變化，除此之 外擰緊速度還會影響螺紋接觸面的溫度［14］，會使接 觸面生成氧化膜進(jìn)一步影響摩擦因數(shù)，從而影響預(yù) 緊力。

4. 1. 2 潤滑條件的影響

將試驗2#、5#、6#結(jié)果數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖9 所示。

可以看出，三組不同潤滑條件的高鎖螺母擰斷 時螺栓預(yù)緊力大小，脂潤滑、油潤滑、無潤滑對應(yīng)平 均預(yù)緊力分別為11.430、11.222、10.805 kN，可以得 知相較于無潤滑條件的螺栓，施加潤滑的螺栓預(yù)緊 力顯著增加，螺栓擰緊過程中，螺紋之間會發(fā)生嚴(yán)重 擠壓和摩擦，會使螺紋表面的鍍層脫落，螺紋表面粗 糙度增加，使得摩擦因數(shù)顯著增加，根據(jù)上述螺栓預(yù) 緊力產(chǎn)生原理，螺紋間摩擦力增加會使扭矩克服摩擦力矩做功增加，而轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的部分扭矩變小， 從而預(yù)緊力減小。

高鎖螺母的擰斷力矩是固定的，當(dāng)施加潤滑改 變螺紋表面接觸狀態(tài)時，顯著減小螺紋之間摩擦因 數(shù)，使擰緊過程中擰緊扭矩克服摩擦力矩做功減少， 而轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的部分扭矩增加，從而預(yù)緊力變 大［15］。其中，脂潤滑效果更好，可以獲得更大的預(yù)緊 力，對應(yīng)的扭矩系數(shù)最小，油潤滑的螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊 力最小，如圖9（b）所示。脂潤滑、無潤滑對應(yīng)的平均 預(yù)緊力差值為625 N，脂潤滑、油潤滑、無潤滑三種潤 滑條件下預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)差分別為133.6、118.5、91.8 N，無潤滑條件下獲得預(yù)緊力一致性更好。無潤滑與 油潤滑對應(yīng)預(yù)緊力相差417 N，可以看出潤滑條件對 預(yù)緊力影響較大，原因是潤滑狀態(tài)直接改變螺紋接 觸面的摩擦因數(shù)。

4. 1. 3 擰緊步數(shù)的影響

將試驗2#、7#、8#結(jié)果繪制曲線，如圖10所示。

可以看出，一步擰緊、兩步擰緊、三步擰緊三種 擰緊條件下高鎖螺母擰斷時螺栓預(yù)緊力大小，分別 對應(yīng)平均預(yù)緊力為10.805、10.669、10.777 kN，三種 擰緊步數(shù)對應(yīng)平均預(yù)緊力差值最大相差136 N，由此 可得知擰緊步數(shù)對預(yù)緊力大小的影響沒有擰緊速 度、潤滑條件的顯著，但是一步擰緊、兩步擰緊、三步擰緊對應(yīng)的預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)差分別為91.8、59.2、76.0 N，分步擰緊相較于一步擰緊法獲得的預(yù)緊力一致性 較好。分布擰緊通過影響螺紋接合面的粗糙度和摩 擦因數(shù)，從而改變扭矩系數(shù)，提高扭矩系數(shù)穩(wěn)定性， 實際工程領(lǐng)域?qū)︻A(yù)緊力要求較高的場合通常會采用 分步擰緊的方式。

4. 2 擰緊工況對預(yù)緊力自然松弛的影響

在航空領(lǐng)域，某些結(jié)構(gòu)重要連接部位螺栓不僅 嚴(yán)格控制擰緊工藝，而且會對擰緊后48 h的殘余預(yù) 緊力進(jìn)行再次測量，防止預(yù)緊力衰減幅度過大對復(fù) 合材料構(gòu)件力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，如果預(yù)緊力發(fā) 生較大衰減會對其進(jìn)行二次擰緊。

不同擰緊工況對螺栓預(yù)緊力自然松弛影響如圖 11所示?？梢钥闯?，整個自然松弛過程主要可以分 為兩個階段：第一階段，螺栓預(yù)緊力快速松弛，松弛量較大，這一過程主要在擰緊后的12 h內(nèi)完成，這主 要是螺栓擰緊后螺栓非均勻受力使微觀組織產(chǎn)生滑 移、位錯，導(dǎo)致局部區(qū)域彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危?進(jìn)而螺栓內(nèi)部彈性應(yīng)變量隨時間減少，預(yù)緊力發(fā)生 衰減［16］，同時在這個階段，復(fù)合材料處于快速蠕變階 段；第二階段，螺栓預(yù)緊力幾乎保持穩(wěn)定，緩慢松弛， 此時復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)預(yù)緊力基本達(dá)到穩(wěn)定，復(fù)合 材料處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

整體來看，擰緊速度、擰緊步數(shù)對螺栓自然松弛 并沒有明顯規(guī)律，不同擰緊速度、擰緊步數(shù)的工況條 件下螺栓預(yù)緊力松弛量保持在4%~6%，而潤滑后的 螺栓預(yù)緊力松弛量相對較大，能夠達(dá)到7%~8%，這可 能是因為潤滑后螺紋、螺母之間更容易產(chǎn)生滑移。 值得注意是，無論何種工藝條件下48 h內(nèi)的預(yù)緊力 松弛量是由第一階段松弛導(dǎo)致，第二階段預(yù)緊力基 本保持穩(wěn)定不變。

5 結(jié)論

（1）高鎖螺母與普通外六角螺母結(jié)構(gòu)不同，通過 試驗確定使用高鎖螺栓鎖緊力矩為1.43 N·m、擰斷 力矩為10.45 N·m，并且擬合出擰緊扭矩-預(yù)緊力 曲線。 （2）擰緊工況對螺栓預(yù)緊力一致性的影響試驗 表明：擰緊速度和潤滑條件對螺栓預(yù)緊力一致性的 影響較大。其中，隨著擰緊速度的增加螺栓預(yù)緊力 一致性變差，試驗表明120 r/min的擰緊速度可以獲 得更大的預(yù)緊力，同時一致性也較好；潤滑雖然可以 獲得更大的預(yù)緊力，但是預(yù)緊力一致性較差，無潤滑 條件下獲得預(yù)緊力一致性更好；相比于一步擰緊和 三步擰緊，兩步擰緊的螺栓預(yù)緊力一致性更好。

（3）擰緊工況對螺栓預(yù)緊力自然松弛的影響試 驗表明，螺栓擰緊后48 h內(nèi)預(yù)緊力自然松弛過程主 要分為兩個階段：螺栓預(yù)緊力快速松弛，螺栓預(yù)緊力 保持穩(wěn)定；擰緊速度、擰緊步數(shù)對螺栓自然松弛的影 響并沒有明顯規(guī)律，而潤滑后的螺栓預(yù)緊力松弛量 相對較大，松弛量將近達(dá)到7%~8%。

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