CN113606236A - 一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母，包括托板及柱体，所述柱体前端设有锥形的收口部，收口部侧壁均匀开有多个凹槽，所述凹槽开口的宽度小于槽底的宽度。本发明所述的托板自锁螺母具有开槽锥形收口结构，在重复装拆锁紧试验时，锁紧力矩和松脱力矩成稳定衰减趋势，满足至少25次的锁紧性能，并能减少安装时的螺纹副“咬死”风险，安装工况和使用要求与现有托板自锁螺母相同，能够原位替代现有托板自锁螺母，具有广泛的应用前景。

Description

一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母
技术领域
本发明属于紧固件领域，尤其是涉及一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母。
背景技术
运用于航空飞机等领域的托板自锁螺母，应用环境复杂，需同时具备高强度、防松脱、耐持久、可满足重复拆装等使用需求，甚至部分应用环境还需要托板自锁螺母在一定高温环境下仍具备锁紧性能。
如图1所示，现有的托板自锁螺母由托板、柱体两种结构组成，根据结构的不同可以分为双耳托板(如图1-a)、角型托板(如图1-b)、单耳托板(单耳双孔如图1-c、单耳单孔如图1-d)三种托板结构型式；
如图3所示，托板上有1～2个铆钉孔，通过铆钉将托板自锁螺母固定在安装板上；
柱体内部为贯通的内螺纹结构，部分型号的托板自锁螺母在托板方向柱体内部，也会存在比内螺纹大径大的台阶孔，如图2所示，用于避让螺栓的螺纹收尾；
柱体外形在收口前为圆柱结构，但通过收口变形后，部分高度的柱体会变形为类似于椭圆的结构，并带着内螺纹一同变形，从而使螺母具备自锁功能。
目前GB930-88《双耳托板自锁螺母》，是一种广泛应用于飞机结构紧固连接的双耳托板自锁螺母。随着使用需求的提高，以HB8056-2002《MJ螺纹单耳双孔托板自锁螺母》、HB8058-2002《MJ螺纹双耳托板自锁螺母》、HB8059-2002《MJ螺纹角型托板自锁螺母》等代表的航空行业标准。相对于GB930托板自锁螺母，HB系列的托板自锁螺母采用性能更加优异的16CrSiNi材料，强度提升至900～1100MPa级，螺纹采用MJ航空螺纹，在GB930托板自锁螺母轴向载荷、锁紧性能的基础上增加了永久变形、振动、拧脱、推出、耐盐雾腐蚀等性能要求。
伴随着应用环境的进一步拓展，各飞机设计所提出采用高温合金材料的双耳、单耳、角型托板自锁螺母系列，相对于HB系列的托板自锁螺母，高温合金材质的托板自锁螺母经过225℃高温暴露一段时间后，仍能满足15次的锁紧性能(即满足高温后15次的装拆使用)。
结合托板自锁螺母的结构、性能和使用需求，目前托板自锁螺母存在以下问题：
1.托板自锁螺母采用铆钉固定，固定后的托板自锁螺母只能在原位进行15次安装使用，超过15次使用后不再考核螺母的锁紧性能，因而螺纹副面临松动的风险，尤其在飞机口盖等存在反复拆装使用的区域，部分使用区域在飞机交付使用前，托板自锁螺母已经重复装拆7～9次，后期该区域维修/维护时，超出托板自锁螺母使用次数的概率极大；
2.不规则的类椭圆收口结构，容易在安装螺栓时对螺栓的外螺纹及涂/镀层造成不可逆的破坏，如螺栓螺纹剔牙、内外螺纹“咬死”等，不锈钢、高温合金材质的托板自锁螺母尤为明显，地面试验及实际安装表明，托板自锁螺母在同一螺栓装拆第8～10次左右时，螺栓外螺纹涂/镀层基本剥落，并伴随着涂/镀层粉末和金属粉末掉落。因而提高托板自锁螺母锁紧性能，使其具有更高的重复使用次数以及减少螺纹副咬死等风险，需要对托板自锁螺母的收口结构进行优化设计。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母，以提高航空飞机紧固连接部位的寿命，减少螺纹副的破坏风险，安装维护便捷，降低使用成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母，其特征在于：包括托板及柱体，所述柱体前端设有锥形的收口部，收口部侧壁均匀开有多个凹槽，所述凹槽开口的宽度小于槽底的宽度。
进一步地，所述凹槽的槽底呈U型，避免应力集中。
进一步地，所述凹槽的数量为2-12个，例如可以是2个、3个、4个、6个、8个、10个、12个等。
进一步地，所述托板上开有与柱体内连通的台阶孔。
进一步地，所述托板自锁螺母的材质包括但不限于ML25、30CrMnSi、1Cr17Ni2、16CrSiNi、A286、GH2132、GH4169。
进一步地，所述柱体的截面为圆形或正多边形，例如可以是圆形、正六边形、正方形等。
进一步地，所述柱体内的螺纹为M螺纹或MJ螺纹。
如上所述的托板自锁螺母的加工方法，包括以下步骤：
将螺母坯体的柱体均匀加工出多个收口槽，通过收口装置将螺母坯体的柱体前端收口形成锥形的收口部。
进一步地，所述收口槽的开口宽度≤槽底宽度。
如上所述的托板自锁螺母在航空飞机领域的应用。
相对于现有技术，本发明所述的具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母具有以下优势：
(1)本发明所述的托板自锁螺母具有开槽锥形收口结构，在重复装拆锁紧试验时，锁紧力矩和松脱力矩成稳定衰减趋势，满足至少25次的锁紧性能，并能减少安装时的螺纹副“咬死”风险，安装工况和使用要求与现有托板自锁螺母相同，能够原位替代现有托板自锁螺母，具有广泛的应用前景；
(2)本发明所述的托板自锁螺母采用高温合金材料，能够满足在使用最高温度暴露一段时间后，至少满足25次的锁紧性能，其余机械性能不发生改变，满足航空飞机使用环境的要求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的现有的托板自锁螺母的结构示意图，其中1-a为双耳托板自锁螺母的结构示意图，1-b为角型托板自锁螺母的结构示意图，1-c为单耳双孔托板自锁螺母的结构示意图，1-d为单耳单孔托板自锁螺母的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的台阶孔的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的托板自锁螺母的安装结构示意图；
图4为本发明实施例所述的托板自锁螺母的结构示意图。
附图标记说明：
1、托板；2、柱体；3、内螺纹；4、铆钉孔；5、台阶孔；6、螺栓；7、安装板；8、收口部；9、凹槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
以30CrMnSi材料制成的双耳托板自锁螺母为原料，托板自锁螺母的柱体2为圆柱形，通过切割装置在柱体2上均匀切割形成6个U型的收口槽，收口槽开口的宽度与槽底的宽度相同，通过收口装置将柱体2前端收口形成收口部8，收口槽被挤压形成具有一定内锥度的凹槽9，凹槽9开口的宽度小于槽底的宽度，得到本发明所述的托板自锁螺母。
安装时，首先通过铆钉穿过托板1上开设的2个铆钉孔4将托板1固定在安装板7上，螺栓6穿过安装板7及托板1上的台阶孔5与柱体2的内螺纹3通过螺纹连接。
实施例2
与实施例1的区别在于，实施例2的托板自锁螺母的材质为GH2132，其他加工步骤与实施例1相同。
对比例
与实施例1的区别在于，对比例中的托板自锁螺母在收口前没有切割收口槽，其他加工步骤与实施例1相同。
分别对实施例1及对比例制得的托板自锁螺母进行性能测试，包括轴向载荷性能测试、永久变形性能测试、振动性能测试、拧脱性能测试、推出性能测试、微观组织性能测试、表面不连续性能测试、耐盐耐雾性能测试、常温下锁紧力矩性能测试，将实施例2与对比例制得的托板自锁螺母暴露在225℃一定时间后，再在室温下进行锁紧力矩性能测试。
测试结果表明，实施例1及对比例制得的托板自锁螺母在轴向载荷性能、永久变形性能、振动性能、拧脱性能、推出性能、微观组织、表面不连续性能、耐盐耐雾性能上完全一致，实施例1制得的托板自锁螺母锁紧力矩性能可满足至少25次，并能减少安装时的螺纹副“咬死”风险，在重复装拆25次锁紧试验时，锁紧力矩和松脱力矩成稳定衰减趋势，第1次和第25次的试验数据衰减量一般为20～30％，在重复装拆极限锁紧试验时，可在100次锁紧试验后，锁紧力矩和松脱力矩仍满足技术规范要求，而对比例制得的托板自锁螺母锁紧力矩性能满足15次，由于受类椭圆收口型式的影响，在重复装拆15次锁紧试验时，第1次和第15次的试验数据衰减量一般为40％左右，而且约有50％以上的概率，第2次锁紧试验试验力矩(锁紧力矩和松脱力矩)反较第1次试验力矩提高，即发生“咬死”现象；在重复装拆极限锁紧试验时，一般在20～30次时，锁紧性能衰减超出技术规范要求。证明本发明制备的托板自锁螺母，重复使用次数得到提升，并避免了螺纹副“咬死”，其原理为：现有的托板自锁螺母，柱体2收口前为圆柱结构，采用椭圆的收口型式收口后，受工装、设备等因素的影响，圆柱收口变形为类似于椭圆的型式，变形高度约为2～3个螺距，柱体2内部的内螺纹3与之变形为类椭圆结构。本发明制备的托板自锁螺母，采用开槽的结构型式，柱体2被开槽分割后的各自相对独立的且有一定弹性的悬臂梁结构，锥型收口变形后，收口部8在任一径向仍为圆形截面，仅内螺纹3形成锥角且有一定的弹性。因此相对比两种收口后的结构，本发明中的托板自锁螺母结构有着更加优异的结构均匀性，并因悬臂梁结构，有一定的弹性，在使用时仅需针对不同需求，调整槽的宽度和锥角角度，来控制收口量，避免了椭圆形的异型结构导致锁紧的不均匀性，而且锥形收口结构和椭圆形收口结构，在外螺纹旋入时，螺纹副的接触面积不同，锥形收口结构的螺纹副接触面积明显要多于椭圆形收口结构，从而使锁紧性能更加稳定的同时，避免了局部应力过大而导致的“剔牙”和“咬死”现象。
实施例2制得的托板自锁螺母在高温暴露一段时间后，室温下进锁紧力矩性能至少满足25次，且其余机械性能不发生改变，而对比例制得的托板自锁螺母在高温暴露一段时间后，室温下进锁紧力矩性能仅能满足15次。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有优异锁紧性能的新型托板自锁螺母，其特征在于：包括托板及柱体，所述柱体前端设有锥形的收口部，收口部侧壁均匀开有多个凹槽，所述凹槽开口的宽度小于槽底的宽度。
2.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述凹槽的槽底呈U型。
3.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述凹槽的数量为2-12个。
4.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述托板上开有与柱体内连通的台阶孔。
5.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述托板自锁螺母的材质包括但不限于ML25、30CrMnSi、1Cr17Ni2、16CrSiNi、A286、GH2132、GH4169。
6.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述柱体的截面为圆形或正多边形。
7.根据权利要求1所述的托板自锁螺母，其特征在于：所述柱体内的螺纹为M螺纹或MJ螺纹。
8.如权利要求1-7任一所述的托板自锁螺母的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将螺母坯体的柱体均匀加工出多个收口槽，通过收口装置将螺母坯体的柱体前端收口形成锥形的收口部。
9.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述收口槽的开口宽度≤槽底宽度。
10.如权利要求1-7任一所述的托板自锁螺母在航空飞机领域的应用。
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