刘甲秋,伊翠云

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

钢丝螺套在复合材料机械连接中的应用研究

刘甲秋,伊翠云

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

钢丝螺套具有很多优良的特性，目前在民用及航空航天领域应用已十分广泛，但是在复合材料机械连接中直接应用的报道还较少。本文针对1Cr18Ni9Ti材质钢丝螺套(规格：6×1×10 mm)，在10 mm厚T700碳纤维增强复合材料中的应用进行了探索，进行了抗拉试验，通过调整垫片尺寸，得到拉脱力约为10 kN～14 kN。并对钢丝螺套在复合材料机械连接中的应用前景进行了展望。

T700碳纤维复合材料；钢丝螺套；机械连接

1 引 言

由于复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势，因而越来越多的应用在航空航天领域，显示出无可比拟的巨大应用潜力。复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。和金属件一样，复合材料各零部件间也要通过连接而成为一个整体。复合材料的连接方式有粘接、机械连接和混合连接。由于机械连接时机械紧周件容易拆卸，拆卸时不易损伤复合材料结构件，所以机械连接在航天复合材料结构件中应用广泛。如F-16垂尾、F-18机翼，AV-SB机翼和前机身。B-1水平安定面等的复合材料构件均采用机械连接[1]。复台材料的机械连接与金属相比，在连接部位更容易产生局部破坏，主要原因是复合材料结构件的机械紧固连接的应力-应变曲线呈线性关系，应力集中大，所以复台材料结构件的机械连接工艺就有其特殊性，主要特点如下[2]：①开孔部位强度局部降低，需局部补强；②复合材料的延伸率较低，开孔部位应力相对集中，孔边易过早出现挤压破坏；③机械连接时必须考虑复合材料的成型工艺方法。

由于复合材料是由若干层材料叠合构成，在一些需要反复拆卸安装使用的部件中，很容易导致机械连接的螺牙损坏，然而对于某些不得不由自身提供连接螺纹的复合材料结构件来说，解决复合材料结构螺纹联接的强度不足是一个重要的问题。钢丝螺套用高精度、高强度、表面光洁的菱形不锈钢丝精确成形而成，为高精度的内外螺纹同心体。钢丝螺套是提高复合材料螺纹联接强度的一种非常好的方法，在安装完成后可以形成满足相关标准的内螺纹并提高力学性能；而且相对于依靠安装金属埋件提高螺纹强度的复合材料件来说，具有很好的减重效果。

2 钢丝螺套提高连接强度的原理及分类

2.1 钢丝螺套作用的原理

钢丝螺套是用冷轧的菱形丝精确形成的螺旋线圈，为内外螺纹同心体，其一端带有沿径向弯曲的安装柄。钢丝螺套(也称为丝套、螺套、螺纹扩套)是一种内外螺纹紧固件，可嵌入金属或非金属材料上开成高强度、耐磨损具有互换性的标准螺纹，也可用于修复磨损或损坏的内螺纹孔。钢丝螺套实际上是一个嵌入物, 即螺钉与螺孔间的中间体。钢丝螺套的形式见图1[3]。

图1 钢丝螺套示意图

标准的内螺纹存在螺纹加工的角度误差和牙距误差，导致螺栓和基体内螺纹之间的接触面很小，从而导致基体螺纹的受力不均，降低了螺纹联接的强度。将钢丝螺套旋入特制的内螺纹中，则形成符合标准内螺纹的螺孔，便可以与相应等级的螺栓相配合。钢丝螺套的菱形截面嵌入复合材料结构中，它的外型面与复合材料结构过盈配合。由于钢丝螺套是一个弹性元件，它可以使螺栓和基体内螺纹之间形成弹性连接，消除了内外螺纹之间的螺距差，使载荷均匀分布，可以大幅度提高螺纹连接强度。在低强度制件的内螺纹内旋入钢丝螺套后，在螺钉拧紧过程中与其产生相对运动的不再是低强度材料的机件螺牙，取而代之的是钢丝螺套的螺牙。钢丝螺套螺牙强度高，光洁度好，不会被螺钉的螺纹所损伤，有效地保护了低强度材料机件的螺纹，提高了螺纹连接件的强度和使用寿命, 普通螺纹连接、钢丝螺套连接示意见图2[4]。

为了使钢丝螺套充分发挥它的强度优势，合理的选用钢丝螺套结构可从以下两方面考虑[5]：

(1)合理地选用钢丝螺套旋合长度。与普通螺纹一样，应使螺栓材料的抗拉强度和基体材料的抗剪强度相等，即等强度条件：

图2 普通螺纹连接、钢丝螺套连接示意图

式中 ：σb—螺栓材料抗拉强度;d—螺栓螺纹内径;τ—基体材料的剪切强度;D—基体底孔螺纹大径；b—基体底孔螺纹牙根宽度。

(2)采取有效措施防止钢丝螺套连接的接触腐蚀

钢丝螺套结构同其它金属零件一样，也存在着接触腐蚀问题。当其在比较恶劣的工作环境中，或使用温度过高，或不恰当的基体材料，都会导致钢丝螺套连接件件的接触腐蚀。从而影响钢丝螺套连接强度的有效发挥。

2.2 钢丝螺套的分类

按使用功能分类，钢丝螺套可分为普通型钢丝螺套和锁紧型钢丝螺套。普通型钢丝螺套是由多圈螺旋线圈组成，各种低强度材料上使用它都能增强螺纹联接的强度，与加衬套来增加螺纹联接强度的方法相比较，可以减少50%附加部分的体积，这样重量就较轻，普通型钢螺套又可分为有无折断槽两种，有折断槽的丝套用于通孔，无折断槽的丝套用于盲孔。锁紧型钢丝螺套除了具有普通型的优点外，还可以得到比普通型钢丝螺套更牢固的螺纹连接。锁紧型钢丝螺套具有自锁力矩和抗松动性能，能把螺钉锁紧在螺孔中，可以不用螺母和止动垫圈。这一特性是由锁紧型钢丝螺套具有几圈多边形结构的制动自锁作用产生的。

3 钢丝螺套在碳纤维复合材料中应用研究

碳纤维具有比强度、比模量高、耐腐蚀等优点，是制备高性能复合材料的最理想增强材料之一。目前，碳纤维复合材料在航空航天领域应用的较多。进入21世纪以来，复合材料技术在军用和民用飞行器上的应用不断增加。据统计，从2003～ 2008年的5年期间,航空航天领域碳纤维复合材料的增长达到123%，平均每年增长约25%。碳纤维复合材料在航天领域主要应用于导弹、弹头、弹体、火箭箭体、发动机壳体的结构部件，以及大型卫星结构体、太阳能电池阵、天线等的主承力结构件[6]。

在碳纤维复合材料结构中应用最广泛的为T700碳纤维增强的复合材料件，T700碳纤维增强的复合材料其力学性能见表1。在航空航天领域，复合材料件与其他零件进行机械连接时，如果必须由复合材料件提供连接螺纹，通常会在复合材料零件中预埋、粘接螺套或托板螺母来实现，但是如果连接螺纹较多的话，在这种情况下会增加产品重量，而且会对后续加工带来一定的困难。如果直接在复合材料件上攻螺纹会增加刮花、磨损和螺纹剪切的危险，尤其是当考虑到螺纹孔的可重用性时，情况确实如此，因为较小的螺纹更容易破坏复合材料这一“软质”材料。

表1 T700碳纤维增强的复合材料其力学性能(层合板)

针对复合材料件的机械连接问题，本文尝试在复合材料零件中镶嵌钢丝螺套的方法来解决这一问题，并且进行了钢丝螺套的拉脱力试验。采用的材料为T700碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板，厚度10 mm；钢丝螺套材质为1Cr18Ni9Ti，规格为6×1×10；考虑到复合材料的层间性能较差，试验时采用大垫片，加载速率为加载速率5 mm/min。钢丝螺套安装到复合材料件中之后见图3。

当垫片较小时，其破坏形式为复合材料螺纹失效，钢丝螺套拔出，载荷约为10 kN；当垫片较大，能够对复合材料件的变形具有一定限制的情况下，其破坏形式为复合材料层间开裂，载荷约约为14 kN。通过试验发现以下几个因素对试验结果影响较大：①试验过程中使用垫片的尺寸。垫片可以避免复合材料基体的局部应力过大的情况出现，可以使螺纹上的应力更好的分配，从而提高产品的承载能力；②钢丝螺套安装过程中对复合材料螺纹损伤情况直接影响到安装钢丝螺套后产品的承载能力；③复合材料件的厚度影响。虽然安装钢丝螺套后能够使载荷和应力分布比较均匀，但是还是会存在轴向力沿着螺纹方向逐渐减小的情况存在，所以厚度对产品的承载能力影响也较大；④复合材料的层间性能直接影响到钢丝螺套的安装强度，复合材料基体上的螺纹越小，其影响越大。

图3 复合材料件安装钢丝螺套后示意图

4 结 语

钢丝螺套具有很多优良的特性，目前在民用及航空航天领域应用已十分广泛，但是在复合材料的机械连接中的应用还鲜有报道。随着复合材料研究的进一步深入，复合材料层间性能的进一步提升，钢丝螺套在复合材料机械连接方面的直接应用会逐渐增多，从而可以进一步拓宽复合材料的应用领域、进一步发挥复合材料的减重特性。

[1] 吕建坤.飞机复合材料结构件的连接技术[J].航空制造工程,1995(4):25-26.

[2] 胡宝刚.复合材料结构件的机械连接工艺[J].导弹与航天运载技术,1995(6):46-47.

[3] 王梅芝.卫星总装中钢丝螺套装配工艺[J].航天器环境工程,2008,12(1):598-599.

[4] 谭锦皇,毛正荣,李军.钢丝螺套用于提高铝材螺纹联接强度的试验研究[J].铝加工,2012(5):39-40.

[5] 张惠清.钢丝螺套的连接强度及其正确选用[J].金城科技,1994(1):12-13.

[6] 益小苏，张明，安学锋，等.先进航空树脂基复合材料研究与应用进展[J].工程塑料应用,2009,37(10):72-73.

The Application of Steel Wire Lo Sets in Composite Mechanical Connection

LIU Jiaqiu，YI Cuiyun

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Steel wire lo sets has many excellent characteristics, the applications in the civil and aerospace fields has been very widely. But the report about composite mechanical connection is less. In this paper, we researched the application of 1Cr18Ni9Ti steel wire Lo sets(specification: 6×1×10mm) in 10 mms thick T700 carbon fiber reinforced composites and the tensile test. By adjusting gasket size, we obtain the pull-out force of about 10 kN～14 kN.In the end of this paper, we discussed the application prospect of steel wire Lo sets in the composite mechanical connection.

T700 carbon fiber reinforced composites ；steel wire lo sets；mechanical connection

2015-01-21)

刘甲秋(1985-)，男，黑龙江人，硕士、工程师。研究方向：复合材料工艺研究。 E-mail：liujiaqiu2007@126.com.