关键词：镶嵌式 螺母 研制 探讨
1 引言
在机械行业尤其航空、航天、船舶等机械行业领域，需大量使用螺纹紧固零件来组成部、组件，再由部、组件最终组成机械产品，从而实现其预期机械功能。在这些螺纹紧固件中，能实现自我锁紧功能的自锁螺母更是广受青睐。随着航天、航空、船舶等科技水平的快速发展，普通的自锁螺母已经不再适合一些寿命要求较长、适用温度范围广、可靠性极高、操作方便等苛刻条件要求。在自锁螺母的选用时必须根据工作环境对其使用寿命、使用环境、使用载荷和安装方法等的要求来进行合理选用。本文所研讨的高温合金镶嵌式螺母就是在这种环境下应运而生。这种高温合金镶嵌自锁螺母的成功研制，解决了航空、航天、船舶等行业的迫切需求，同时必将影响到高铁等行业的快速发展。
2产品结构特点及原理
高温合金镶嵌式自锁螺母由螺母体和角片组成。螺母本体镶嵌在角片上；螺母本体1包括：扳拧部位、直纹齿防松脱部位、铆接部位、 收口部位；扳拧部位位于螺母体的中部；直纹齿防松脱部位和收口部位分别位于扳拧部位的两端；铆接部位位于螺母体的端部，用于将螺母体铆接固定在角片上；角片呈L形，其包括：安装孔、加强筋一、 加强筋二、螺母铆装孔；安装孔和螺母铆装孔分别设在L形角片的相对两端；安装孔用于将角片固定在相应位置上；螺母铆装孔用于将螺母体固定；加强筋一、加强筋二分别位于L形角片的两角端；螺母体的材质选用高温合金材料A286；角片的材质选用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。结构如图1所示。
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图1 高温合金镶嵌式螺母
外形中端是六角面，一端锥形开槽（锁紧部位），另一端带有花齿的镶嵌式自锁螺母。其工作原理是通过花齿端在压力作用下压入夹层板预置的孔内，致使压入的顶端周边产生塑性变形而固定，再通过铆接将螺母固定在夹板上，固定稳固可靠，具有良好的防震、防松、耐腐蚀等性能。
3 研究内容
考虑到该高温合金镶嵌式自锁螺母本体材料比较昂贵，加之性能要求高，因此，结构本体部分拟采用热镦成形的工艺方法，螺纹副部分尽量用滚齿成形的工艺方法。
3.1热镦过程控制
本文涉及的高温合金镶嵌式螺母本体部份材料是A286，热镦时难于控制，且金属晶粒度细于5级，这就要求热镦时必须控制加热温度和成型时间。研制过程中使用加热器上加装温度控制表来实现温度监控，且 “一次性”镦制成型。热镦时分阶段进行晶粒度检测以控制过程质量情况。研制发现重复镦制晶粒度虽细，性能数据反而不满足要求。操作人员应一气呵成以完成整批任务。
3.2直纹滚齿和攻丝控制
由于螺母有内外螺纹，所以外螺纹采用直纹滚齿工艺方法，这种工艺方案加工的螺纹其机械性能更优。内螺纹只能用常规的攻丝工艺方法。螺纹加工是该螺母最难加工的工艺过程，本来高温合金材料强度高就不易加工，而滚齿部位壁又较薄，滚齿模数大（0.5），经多次试验，攻丝时选用含钴的跳牙丝锥，跳牙丝锥在攻丝过程中能够减小切削阻力，延长丝锥使用寿命。滚齿时需要对滚轮进行改装，调整滚轮厚度，选择刚性较好的机床（因为滚齿时力很大），选择合适的转速和进给量。
3.3收口部位及螺母强度控制
结合以往高温合金产品成熟加工技术经验，试制加工时再根据试验样件的试验结果及时调整收口部位的长度和收口深度尺寸，以达到螺母强度的要求，确保产品常温、高温锁紧试验都满足标准要求。经研制，热处理硬度不超过HRC39，最小抗拉力为13.8KN，锁紧试验要求第一次拧入最大2N.m；第二十五次拧出最小0.25N.m即可。
4核心技术
4.1热镦成型技术
该螺母采用的是A286高温材料，热镦时必须严格控制加热温度和热镦成型时的实体温度，控制好成型时间必须小于1S，这样才能保证热镦的晶粒度细于5级。最好通过金相法进行检测控制。
4.2高温合金自锁螺母本体的加工技术
在机械加工时直纹滚齿和攻丝是该螺母最难加工的过程，滚齿部位壁薄，滚齿模数大（0.5），材料强度高本身不易加工，所以攻丝采用含钴的跳牙丝锥，跳牙丝锥切削阻力小，丝锥使用寿命更长；滚齿时选择刚性较好的机床（因为滚齿时力很大），要试做并选择合适的转速和进给量。
5主要技术指标
（1）轴向载荷：螺母承受100%最小轴向载荷13.8KN，不出现变形或者破坏，承受80%的最小轴向载荷，保载5s不出现裂纹或破坏，不出现永久变形、锁紧部位的变形引起的锁紧消失；
（2）拧脱力矩：承受标准规定的9N.m的拧紧和拧松的力矩，不发生转动和其他损坏；
（3）推出力：施加推出应力不小于460N规定值，螺母与螺栓经25次拆装后可重复使用；
（4）常温25次锁紧力矩：螺母在25次锁紧试验过程中满足标准要求拧入最大值和拧出最小值；
（5）高温锁紧：螺母暴露在最高使用温度后，满足最大锁紧力矩和最小松脱力矩要求；
（6）扩口；扩口后不应出现裂纹和破坏；
（7）硬度：HRC33～39；
（8）金相：晶粒度细于5级；
（9）综合性能：满足2000次锁紧不衰减，锁紧性能稳定、强度高、可多次重复使用，表面不会腐蚀。
6工艺方案的确定
根据镶嵌式自锁螺母结构情况及性能要求，结合原材料的加工特点，参考其它类似产品加工方法，制定工艺方案如下：
备料→数车→热镦（金相）→退火→机加→中检→收口→热处理→表面处理→试验（包含产品的相关试验）→总检→入库。
7 结束语
该产品属于“国家重点支持的高新技术领域”产品，通过研制实施，将进一步提升航空、航天、船舶领域用紧固件研制能力，增强自主创新能力及产品竞争力，带来极大的经济效益。
8 参考文献
【1】《中国航空材料手册》编辑委员会编.中国航空材料手册【M】.北京：中国标准出版社，2002.
【2】李洪.机械加工工艺手册（第一版）【M】：北京出版社，1990.
【3】何世禹.机械工程材料【M】.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.
【4】戴曙.金属切削机床技术【M】.北京：机械工业出版社，1993.
【5】韩雅芳，郑运荣.航空发动机用高温材料的应用与发展【J】.世界科技研究与发展，1988,20（6）：67.
论文作者: 谢松武
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月5期
论文发表时间:2020/4/30