【技术分享】：重复装配下收口螺母锁紧性能演变规律研究

为了验证收口自锁螺母和普通螺母静态性能，需要在准静态的条件下进行装配试验，有被连接件的情况下，按照指定的预紧力进行重复装配。

具体操作是在紧固件摩擦系数试验机上，用3r/min的转速装配至预紧力15kN后保持1s，随后再用3r/min的转速对螺母拧松至预紧力为0kN，使其回到初始位置。在初始位置保持3s后，再次进行相同的试验操作，如此重复10次装配拧松过程。

图1 TCH-2000X紧固件摩擦系数试验机

图2 装配力矩随次数变化曲线     图3 摩擦系数随装配次数变化曲线

红色线为收口自锁螺母，蓝色线为普通螺母。

收口自锁螺母收口段的变形相当于螺栓杆螺纹表面的正压力，所以收口自锁螺母的自锁性能主要受收口尺寸以及摩擦系数的影响。而普通螺母的自锁性能主要取决于摩擦系数。

收口自锁螺母的锁紧力矩上升即摩擦系数在重复装配的过程中逐渐增大，且正压力并未发生明显变化，所以装配力矩逐渐上升；普通螺母在重复装配的过程中摩擦系数先上升后保持平稳与装配力矩变化趋势一致。

由上我们得出结论在这10次重复装配过程中，随着装配次数的增加，普通螺母与收口自锁螺母的锁紧性能都是有所提升，只是普通螺母的锁紧性先上升后保持平稳，收口自锁螺母的锁紧性能逐渐上升。

那是不是意味着装配次数越多，收口自锁螺母的锁紧性能越好呢？

我们继续看随着装配次数的增加普通螺母与收口螺母扭矩-预紧力曲线的变化过程。

图4 扭矩预紧力曲线：

(a)普通螺母扭矩预紧力曲线,(b)收口自锁螺母扭矩预紧力曲线

(c)第一次装配扭矩预紧力曲线,(d)第十次装配扭矩预紧力曲线

根据曲线数据我们发现在第一次装配的时候，普通螺母和收口自锁螺母的扭矩-预紧力曲线的斜率几乎没有什么差异，这说明在初次装配时，两种螺母的摩擦系数和螺纹变形程度都比较小，因此装配力矩的差别也不明显；在第十次装配后，收口自锁螺母的扭矩-预紧力曲线的斜率明显小于普通螺母的曲线，这说明在装配多次后，收口自锁螺母的摩擦系数和螺纹变形程度都比普通螺母大，因此装配力矩的差别也变大。

螺纹变形意味着可能存在损伤。

图5 收口自锁螺母装配前后对比图

可以看出在经过10次重复装配之后，收口自锁螺母的形状并未发生明显的塑性改变，仍然是椭圆形，但是收口的尺寸上出现变化。在有被连接件的情况下，螺母的螺纹牙承受轴向载荷，在轴向载荷和径向载荷的共同作用下，收口段的尺寸发生变化。但是整体的形状仍保持不变，说明收口自锁螺母具有较强的抗变形能力，能够保持锁紧效果。

图6 有被连接件收口自锁螺母剖面图

我们将收口螺母分为两个区域：收口段（Locking area）、非收口段（Non-lock area）。

在螺母收口段的出现黄褐色的损伤区域，收口段起到的是防松的作用，螺纹牙受到的径向载荷要大于非收口段，从而导致更严重的损伤。

在非收口段的螺母螺纹牙顶部出现银白色的损伤区域，非收口段的螺纹牙与螺栓连接的过程中主要起到承载的作用，且由于间隙的影响和螺纹牙特性使得非收口段的损伤主要集中在螺纹牙顶，而不是螺纹牙的表面。

在收口段和非收口段的交界处，既存在黄褐色的损伤也存在银白色的损伤，这说明在这个区域，螺母螺纹牙同时受到轴向载荷和径向载荷的作用，导致两种不同颜色的损伤区域的形成。这也反映收口自锁螺母的复杂受力情况，以及对装配力矩的影响。

图7 收口自锁螺母非收口段前三圈SEM损伤分析

从图中可以观察到三圈螺纹的损伤程度随圈数的增大而减小。

从图(a)可以看出螺纹牙表面存在明显的犁沟和塑性变形，靠近螺纹牙顶部的损伤会更加严重，对螺纹牙顶部区域I进行放大后，可以观察到磨屑以及剥落，并且整个表面呈现不规则性和不均匀性，这是由于磨粒磨损导致的。

在图(b)中，第二圈螺纹在螺纹牙底部出现明显的剥落，在螺纹牙顶部出现一条与牙顶线平行的犁沟，将区域II的损伤放大后，观察到在螺纹牙中部存在剥落坑以及磨屑，原因是微动磨损；

在图(c)中，螺纹牙表面并未出现明显的犁沟等现象，将区域III放大，存在小面积的剥落坑以及磨屑，这也是磨粒磨损所导致的。

图8 损伤区域EDX分析

对点A、B进行EDX分析，分析各元素含量可以得到结论：在有被连接件的情况下，反复装配过程中，收口自锁螺母非收口段主要的磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损，其中氧化磨损多发生在螺纹牙顶部区域。

图9 收口自锁螺母收口段前三圈SEM损伤分析

收口段的螺纹SEM损伤形貌如图9所示。从图中可以发现，与非收口段的损伤相比多了许多的磨屑、剥落以及分层现象。

其中图(a)第一圈螺纹牙表面的损伤形式主要是犁沟以及分层，其中犁沟主要在螺纹牙的根部，分层主要出现在螺纹牙的中间区域。这表明螺纹牙根部发生磨粒磨损。将分层出现的区域I放大后可以明显的观察到，螺纹出现剥落以及大量磨屑。

图(b)中第二圈螺纹的损伤形式和损伤程度与第一圈螺纹相似，将区域II放大后发现塑性流动、剥落以及剥落坑。第二圈螺纹主要磨损机制为粘着磨损。

图(c)的损伤要轻于前两圈螺纹牙，这是收口的变形位置与未变形位置的过渡螺纹，变形程度要小于前两圈螺纹。所以在轴向载荷的作用下，受到的夹紧力较小所以损伤略轻。将区域III放大后发现虽有剥落以及分层现象但其深度要明显轻与前两圈螺纹，发生的主要磨损机制仍为粘着磨损以及磨粒磨损。

图10 损伤区域EDX分析

对点A、B进行EDX分析，分析各元素含量可以得到结论：收口段的螺纹损伤前两圈损伤程度相似，第三圈较轻，主要的磨损机制是粘着磨损、氧化磨损以及磨粒磨损。

收口自锁螺母在有被连接件的情况下，反复装配过程中，收口自锁螺母非收口段主要的磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损，其中氧化磨损多发生在螺纹牙顶部区域，收口段的螺纹损伤前两圈损伤程度相似，第三圈较轻，主要的磨损机制是粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损。

我们推测随着拧紧次数的增多，自锁螺母的损伤也会更加严重尤其是收口段的损伤要大于非收口段。

在一定的装配次数内，随着装配次数的增加，啮合螺纹面发生磨粒磨损，螺纹收口段镀银层剥离，基体开始接触，摩擦系数增大，因此自锁螺母的装配力矩增加，锁紧性能提升。但是随着装配次数的增加，自锁螺母的收口段螺纹损伤和收口变形也会增大，自锁性能保持稳定，然后逐渐衰退。