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弹簧垫圈涨圈原因初探 航天紧固件标委会 孙小炎 丁开禄 文摘 通过对弹簧垫圈在装配中的受力分析和国内外弹簧垫圈标准的对比研 究 , 提出涨圈的根本原因是弹簧垫圈的截面形状内薄外厚 。而根据我国现行的弹簧 垫圈 (包括不锈钢弹簧垫圈) 标准 , 难以保证截面形状内厚外薄 , 据此建议弹簧垫 圈应限制在低强度的螺栓连接中使用 。 关键词 弹簧垫圈 质量问题 分析 建议 弹簧垫圈在装配过程中或装配后 ,出现 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 。这种现象有人称为 “涨圈”,为了叙述方便 ,本文暂用此术语 。涨 圈对弹簧垫圈的使用效果极为不利 ,因为它 会降低或丧失弹簧垫圈的防松作用 。显然这 种现象是不允许出现的 。因此 ,有必要深入 分析涨圈产生的原因及解决途径 。 一 涨圈问题的提出 1979 年底 , 航天部一院标准化处针对 轻型弹簧垫圈出现涨圈问题发出了 BT - 148 号文件 , 指出问题的原因是轻型弹簧垫圈 GB 859《轻型弹簧垫圈》与院标螺栓 、螺母 的六角尺寸不协调而造成的 , 推荐用 GB 93 《标准型弹簧垫圈》, 限制用 GB 859 。一院 211 厂按 BT - 148 号文件的要求 , 采用 GB93 进行装配 , 仍发 现 有 涨 圈 现 象 。1981 年 , 211 厂立专题对涨圈问题开展研究 。研究结 果认为 : ①标准型弹簧垫圈和轻型弹簧垫圈一 样 , 都有涨圈问题 。 ②弹簧垫圈切口尺寸和内径公差过大是 产生涨圈的重要原因 。 ③装配力矩大对涨圈有重要影响 , 装配 力矩大的重要螺栓不宜采用弹簧垫圈 。 这个研究结果以论文《关于弹簧垫圈装 配中的变形问题对 m 值增大的初步分析》 的形式在 1981 年的第一届全国紧固件学术 会上发表 , 引起讨论 。 80 年代 , 某汽车制造厂也报告了涨圈 问题 , 他们把原因归咎为弹簧垫圈的表面润 滑状态 。后来在另一家的汽车生产装配线上 也发现有涨圈现象 。90 年代以来 , 一院 704 所多次发现涨圈现象 , 难以施加规定的安装 力矩 , 一直没有很好解决 。在这些例子中所 用的弹簧垫圈都是弹簧钢 ( 65Mn 或 70 号 钢) 。1998 年航天系统根据航天总公司的要 求 , 全部改用不锈钢弹簧垫圈 , 同时人们也 不妨开展如下方面的标准化课题研究工作 : a1 航天标准化工作的效益评价 ( 包括 社会效益和经济效益) , 因为按目前的有关 标准进行的效益评价往往侧重于经济效益 , 且可操作性较差 ; 同时 , 仅仅从经济效益来 评价航天标准化工作 ( 或其它标准化工作) ·4 · 也欠公允 。 b1 航天系统推行 CIMS ( 计算机集成制 造系统) 的标准化工作研究 。如建立航天工 业 CIMS 标准体系 , 结合航天产品的特点 , 制定相应的标准或指导性技术文件等 。 c1 其它标准化研究课题 。 1999 年 , ○六七基地 7103 厂在总装过程 中发现不锈钢弹簧垫圈 (QJ 296312 12) 出现 涨圈 ,即在无法使用平垫圈 ( 空间有限) 的情 况下 ,施加较大安装力矩后出现涨圈的比例 比弹簧钢弹簧垫圈的高 。 八院 149 厂去年在总装中 , 用标准型不 锈钢弹簧垫圈 (QJ 296312) 替换了过去使用 的弹簧钢轻型弹簧垫圈 ( GB 859) ,结果出现 涨圈 。直观原因是装配精度过低 、平垫圈材 质过软 、替代关系不准 ,后改用轻型不锈钢弹 簧垫圈 (QJ 296313) , 问题暂时解决 ( 实质是 矛盾被掩盖) ,产品出厂 。 综合上述涨圈现象 ,不难看出 :所有涨圈 现象都是在施加较大安装力矩的情况下发生 的 ;轻型弹簧垫圈和标准型弹簧垫圈都可能 发生涨圈 ;涨圈现象可能发生在不锈钢弹簧 垫圈上 ,也同样可能发生在弹簧钢弹簧垫圈 上 ;涨圈的发生往往伴随着一些诸如装配精 度低 、平垫圈或螺母选用不当等现象 ,使问题 难以归零 。这些对于我们分析弹簧垫圈涨圈 的真正原因很有启发 。 二 涨圈产生的机理分析 从理论上讲 ,弹簧垫圈在装配过程中应 该只受轴向压力 。但是 ,极个别的弹簧垫圈 在施加足够大的预紧力矩后开始向外涨大 , 说明弹簧垫圈在螺母拧紧过程中肯定受到了 径向的外张力 ,那么这个外张力是从哪里来 的呢 ? 为了弄清这个问题 ,首先让我们分析 一下弹簧垫圈的装配过程 。 理想的装配过程见图 1 ,假设弹簧垫圈 、 平垫圈 、螺栓 —螺母等相对于螺栓安装孔均 处于对中位置 。装配过程大致分为三个阶 段 :第一阶段 ,弹簧垫圈随螺母的旋转而逐渐 被压平 ,在这个过程中 ,弹簧垫圈受力逐渐变 在前两