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1、弹簧垫圈涨圈原因再探航天紧固件标委会丁开禄孙小炎文摘针对航天标准化2000 年第 5 期刊登的弹簧垫圈涨圈原因初探的理论研究结果 , 从试验的角度对此结果进行验证 , 给出试验数据 , 并加以分析 ,指出原理论研究结果不正确之处 , 分析出实际影响弹簧垫圈涨圈的因素 。关键词弹簧垫圈质量分析变形1999 年 , 八 院 149 厂 、 六 七 基 地7103 厂在安装不锈钢弹簧垫圈时 , 先后发 现了弹簧垫圈开口值 m 增大超差现象 , 也就是弹簧垫圈的直径变大 、向外膨胀 。这种“涨圈”现象 , 使弹簧垫圈的使用效果完全 消失 。为了找出产生涨圈的原因 , 我们查阅 了有关弹簧垫圈的国内外标
2、准资料 , 通过对 国内外弹簧垫圈标准的分析 , 对弹簧垫圈的 涨圈原因作出了初步分析 , 认为涨圈现象主 要与截面形状有关 ; 通过受力分析 , 认为产 生涨圈的主要原因是弹簧垫圈截面形状“内 薄外厚”所致 , 并将这一尚未经试验验证的 看法以弹簧垫圈涨圈原因初探 ( 简称 “初探”) 为题发表于航天标准化2000 年第 5 期 。为了验证这一结论 , 2000 年 , 我们组 织了七 八所 、一院一部 、八院 149 厂和 六七基地 7103 厂分头进行了试验 。试验结 果表明 , 涨圈与螺母的支承面有关 , 而与弹 簧垫圈的截面形状关系很小 。试验结果使我 们对涨圈原因又有了新的认识 ,
3、 认为产生涨 圈的主要原因是螺母支承面太小 。本文将对试验情况和结论作一简单介绍 。一试样选择及试验结果10 和 12 , 材料为 1Cr18Ni9 Ti 。所选用试样 的 尺 寸 特 点 : 在 厚 度 公 差 符 合 QJ296312 的 情 况 下 , 将 截 面 形 状 由 原 来 的 “内薄外厚”改为 “内厚外薄”, 其中 10 的有 2、215和 3共 3 种斜角 , 12 的只有215斜角 。试验结果汇总见表 1 , 表 1 中所 指截面形状的斜角是指与截面形状有关的工装的角度 , “外厚内薄”的弹簧垫圈是 1996年鉴定会上用的样品 。从表 1 可以看出 , 螺母大小对涨圈的影
4、 响非常明显 。凡使用 M12 标准螺母 ( 对边 宽度为 19 mm) 和 M10 标准螺母 ( 对边宽 度为 17 mm) 进行试验的无一发生涨圈 ; 凡 使用 M12 小 六 角 螺 母 ( 对 边 宽 度 为17 mm) , 都出现有涨圈 , 第 5 组 20 件中有2 件出现涨圈 , 占 10 % ; 第 15 组 20 件中有7 件出现涨圈 , 占 35 % 。截面形状对涨圈的 影响不大 , 第 13 组中 m 值的大小与截面的 3 种角度没有直接关系 , 随机性很强 , 没有形成规律 。二涨圈原因分析从试验结果看 , 产生涨圈的主要原因是 使用的螺母太小 , 这里所说的小螺母 ,
5、 是符合一院企业标准的小六角螺母 。对于 M12 的 小 六 角 螺 母 , 对 边 宽 度( S ) 为1 7 mm 。按照有关标准规定 , 该螺母试样 选 用 上 海 弹 簧 垫 圈 厂 按 照QJ296312 - 98 标准制造的弹簧垫圈 , 规格为双面 均 有 30的 倒 角 , 倒 角 直 径 约 等 于0195 S ,并且为近似尺寸 , 出厂时不进行检 验 。该倒角的实际加工方法是机械加工 ( 车制) ,这就造成了该尺寸的实际变化范围相当大 。随机抽取 20 件的实测值在 1513 mm 1615 mm 之间 ,相差竟达 112 mm 。表 1不锈钢弹簧垫圈涨圈试验结果122 5注
6、 : 3 表示试验条件完全符合实际生产情况 。为证实螺母大小与涨圈是否有关 , 选用QJ 296312 中规定的最大内径为 1219 mm 、 厚度 311 mm 、棱边圆角半径 01775 的弹簧垫圈 , 将 M12 的标准六角螺母和小六角螺 母尺寸列于表 2 , 大径杆螺栓 ( 与全螺纹螺互位置尺寸及计算结果列于表 3 。不难理解 , 当螺母倒角圆距螺纹中心线 之间的距离 ( L 1 ) 小于垫圈倒角圆距螺纹 轴线之间的距离 ( L 2 ) 时 ( 此时相当于螺 母的倒角面插进垫圈的内孔) , 垫圈即受到组别试验单位试 样配用零件施加力矩Nm现 象试验 规格截面形状 特点数量螺母平垫圈11
7、49 厂12220标准六角标准型实 际 生 产 用的力矩 m 值均合格m 值的大小与截面角 度无明显关系22152033204102152057103 厂1221520小六角无垫圈60 32 件出现涨圈 , 其原因与 螺母倒角有关6一院 一部10210标准六角标准型30全部合格 , 无涨圈现象73108外厚内薄10912215105010外厚内薄1011七 八所10220标准六角标准型4045全部合格 , 无涨圈现象12103201310外厚内薄1014116标准六角标准型7080全部合格1520小六角7 件出现涨圈1612外厚内薄5标准六角7080全部合格175小六角合格 , 但 m 值比使
8、用标准六角螺母的大从表 3 可以看出 , 当使用小螺母加中径L 2 , 从而引起一部分弹簧垫圈出现涨圈 。当使用标准六角螺母时 , 情况就不一样 了 。不管螺栓是大径杆还是中径杆 , L 1 都远杆螺 栓 时 , 因 为L 1 ( 7195 mm ) 小 于 L 2(8125 mm) , 出现涨圈的可能性很大 ; 当使用小螺母加大径杆螺栓时 , L 1 ( 7195 mm )远大于 L 2 , 即使螺母倒角加工过大 ,大可能造成 L 1 小于 L 2 的情况 。也不虽然比 L 2 ( 7186 mm)大 ,但相差甚微 , L 1表 2螺母的极限尺寸mm表 3螺栓及安装并施加力矩后的极限位置尺寸
9、mm当然 , 上述计算都是极限状态 , 实际上极限状态总是少数 , 所以使用小螺母并不是 都会 引 起 涨 圈 。试 验 中 , 在 表 1 出 现 的10 % (第 5 组) 和 35 % ( 第 15 组) 涨圈问 题 , 与 7103 厂实际生产中发现的比例大致相当 。其中的第 5 组试验用的螺母均为小六 角螺母 , 出现了两件涨圈 。经更换了倒角直 径较大的螺母后 , 试验就合格了 , 这就再次 说明了小螺母是造成涨圈的主要原因 。三弹簧垫圈截面形状的影响“初探”从受力分析的角度对弹簧垫圈 的截面形状作了重点讨论 , 提出 “内薄外 厚”的弹簧垫圈是产生涨圈的主要原因 。单 纯从受力分
10、析角度来看 , 这个结论似乎很有 道理 , 但是试验没有支持这个结论 。原因何在 ? 让我们作进一步的探讨 。“初探”在进行受力分析时 ,假设对螺母施加安装力矩后 ,螺母受的轴向拉力使螺母 产生弹性变形 ,由此产生的向外的径向分力 , 加大“内薄外厚”弹簧垫圈产生涨圈的倾向 , 抵消“内厚外薄”弹簧垫圈的外胀倾向 。试验结果没有证实“初探”所作的这一分 析 ,原因是螺母的弹性变形非常微小 ,由此产 生的外向分力要比螺母倒角引起的外向分力 小得多 。也就是说 ,螺母基本上仍是刚体 ,不 能设成弹性体 。为什么不能将螺母设成弹性体呢 ? 这是因为使螺母产生弹性变形所需的 力要相当的大 ,或者说螺纹
11、的轴向载荷应该 相当的大 ,然而实际螺纹的轴向载荷相当有 限 ,要受到螺纹强度的限制 ,也就是说即使将 螺纹拉脱 ,也不会引起螺母产生弹性变形 。(下转第 16 页)螺 栓直 径螺母倒角圆距螺纹中心线的最小距离 L 1垫圈倒角圆距螺纹 轴线的最大距离 L 2公称最小标准六角螺母小六角螺母大径杆螺栓1211167819271957186中径杆螺栓101868125螺 母对边宽度 S倒角圆直径0195 S倒角圆距螺纹 中心线的最小距离 L 1公称最小M12 小六角螺母1716173151897195M12 标准六角螺母1918167171848192三新标准的实施及存在的问题为使材料能正确地在设计
12、图样上标注 , 在生产中正确表达 , 我厂在技术人员中广泛 进行了 QJ 547A 新材料标准的宣贯 , 及时 把标准中的新内容宣贯到技术人员当中 。现结合新标准的贯彻应用及在生产实践中的情 况 , 谈谈新标准及实施过程中的问题 。11 型材标注 新标准中只对非金属材料型材的标注作了规定 , 而对金属材料型材如何标注未作规定 。21 新标准与材料标准标注不易统一 新标准 41l 条指出了材料标注的个别情况应参照新标准及材料标准中的标注示例进 行 。但当新标准与材料标准标注不统一时 ,应以什么为基础标注未作说明 。31 “名称”项组成的例外新型材料的标注时 , 我厂规定除标注出材料名称 、牌号
13、、品种规格外 , 还规定在相应的 明细汇总表中应注出其生产厂家 。51 没有近年来变化较大材料的标注 对近年来变化比较大的材料的标注未作说明 。如原低合金结构钢 16M n 等牌号的材 料标注 , 新的标准仅规定用 Q345 X 代替 而在日常的图样标检中遇到低合金高强度结 构钢的标注 , 我们只能依据新标准制定新的 标注方法 。零件使用原材料的标注 , 如低合金高 强度结构钢热轧厚钢板 , 示例如 :钢板 15 - GB 709 - 88 。Q345A - GB 3274 - 88零件不使用材料表面的标注 , 示例Q345A - GB/ T 1591 - 1994 。61 未规定锻 、铸件材料的标注锻 、铸件材料的标注新标准未作规定 ,如 :新标准的 5111311 条规定 “:
