TWI387687B - 用於將以低塑性變形能力之材料製作之螺帽加以鎖定之方法 - Google Patents

用於將以低塑性變形能力之材料製作之螺帽加以鎖定之方法 Download PDF

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Description

用於將以低塑性變形能力之材料製作之螺帽加以鎖定之方法
本發明係關於一種藉由使以低塑性變形能力之材料製作之螺帽變形來加以鎖定之方法。本發明之技術領域一般係關於將螺帽加以鎖定之方法。更詳言之，本發明係關於以諸如鎳、鈦或鈷合金之具有高機械強度位準及相關低塑性變形能力之材料製造的螺帽。
為充分瞭解下文，應詳細說明螺帽之鎖定操作包括在螺帽之內螺紋與相關螺絲之外螺紋之間產生足夠高之摩擦扭矩位準以避免使用中、尤其在振動作用下螺帽之任何不合時宜的旋開。然而，摩擦扭矩絕不可使組裝期間螺帽之初始旋擰操作過於困難或不確定。
在先前技術中，尤其已知文獻FR 1 155 186，其揭示一種藉助於至少兩個壓入銷使螺帽主體之至少兩側發生徑向變形來將標準螺帽加以鎖定之方法。在最普遍應用中，標準螺帽以易於抵抗此類變形之構成材料低合金鋼製作。
然而，此方法證明對於將以高強度特種合金(諸如航空構造中使用之高強度特種合金)製作之螺帽加以鎖定而言不適合且存在問題。實際上，此等材料之塑性變形能力低於低合金鋼。微小裂紋可能出現在變形側面之任一側上且使螺帽之靜態機械強度及機械疲勞強度顯著退化。此外，歸因於此低塑性變形能力，鎖定所需要之永久變形突然產生而非逐漸產生，使得其可能立即變得過量且未及螺帽在螺絲上之正確組裝。
此外，根據標準方法在室溫下使螺帽主體發生徑向塑性變形會產生第二個問題。此問題與金屬材料在塑性變形後已知之回彈現象有關。實際上，當螺帽主體經受永久徑向變形，例如呈橢圓形形式時，此變形在所施加之應力移除時並未完全保持。產生部分回彈，趨向於使橢圓形變回至初始圓形。當螺帽材料之屈服強度增加時，此回彈仍然顯著。此現象引起最終變形之顯著變化，體現在所得鎖定扭矩之顯著變化上，變化程度達到通常必須由連續測試來調節變形程度以便能夠將鎖定扭矩調節在技術規範所界定之最小值/最大值容限範圍內的程度。
文獻GB1227097說明一種在執行塑性變形操作之前局部加熱螺帽之方法。實際上，一般技術者知道加熱金屬會降低其屈服強度。
然而，選擇過高之加熱溫度可導致材料之微觀結構退化。微觀結構由材料之一組金屬結構特徵(諸如顆粒大小、其形態及多相合金之不同相的比例)來定義。此微觀結構部分地視諸如機械強度之螺帽物理特性而定。
因此，宜確定能夠使構成螺帽之材料之塑性變形能力增加，同時保持該材料之機械強度及/或微觀結構的加熱溫度。
本案申請人觀測到，除對結構淬火有高抵抗力之鋼之外，對於許多鈦、鎳或鈷合金而言，根據溫度表示之相對塑性差異具有最大值。
相對塑性差異由式(Rm-Re)/Rm定義，其中Rm為材料之機械拉伸強度且Re為材料之屈服強度或彈性極限。其以百分比表示。
在室溫下，例如在0℃與50℃之間，諸如SAE 4340之標準低合金鋼的相對塑性差異為約14%。如文獻FR 1 155 186中所述，此相對塑性差異能夠在室溫下將螺帽加以鎖定。
然而，航空構造中使用之大部分高強度合金在室溫下具有低得多之相對塑性差異。此特徵使得由此等合金構成之螺帽因先前所述之問題而難以鎖定。
當置於與高電阻合金之相對塑性差異之最大值相對應的最佳溫度下時，可對材料施加廣泛範圍之應力而不會發生材料回彈或斷裂。因此，當將螺帽加熱至與構成螺帽之材料相對應之此最佳溫度時，更容易且更有效地施用加熱鎖定。
因此，本發明係關於一種用一內螺紋將一螺帽加以鎖定之方法，其中：
-根據溫度來確定構成該螺帽之材料的機械拉伸強度(Rm)及屈服強度(Re)，
-確定最佳加熱溫度，在該溫度下該材料之相對塑性差異達到最大值，該相對塑性差異由式(Rm-Re)/Rm定義，
-確定最大加熱時間，超過該最大加熱時間，該螺帽將呈現其微觀結構及/或其初始機械強度退化之風險，
-將該螺帽加熱至一實質上等於該最佳溫度之溫度且維持一少於該最大時間之加熱時間，以便保持構成該螺帽之該材料之該初始微觀結構及該機械強度，-藉由彎曲使該螺帽之一主體局部變形。
根據本發明之一較佳具體實例，將螺帽加熱至介於該最佳溫度之80%與120%之間的溫度，該溫度以℃表示。
根據本發明之一較佳具體實例，僅對該螺帽之施加該變形之一部分施加熱。
根據本發明之一較佳具體實例，將螺帽局部加熱，接著藉由沿直徑方向對該螺帽之該主體之至少兩側施加一應力，使該內螺紋所在之區域中的螺帽外壁彎曲來實現局部變形。
根據本發明之一較佳具體實例，該方法不包含涉及熱處理之後續步驟。在螺帽之最終熱處理階段執行鎖定變形為尤其有利的，此係因為由此獲得之鎖定扭矩無法由後續製程改變。在先前技術中，已知方法包含在一退火回火中使螺帽變形，需要額外熱處理以產生材料中所需之機械強度位準。此熱處理釋放出由螺帽先前變形所誘發之殘餘應力。應力之釋放可引起與初始變形相反之變形，顯著改變初始量測之鎖定扭矩。
在閱讀以下描述及查看附圖之後將更充分地瞭解本發明及其不同應用。此等描述及附圖僅欲達成說明之目的且不欲限制本發明之範疇。
如前述文獻FR 1 155 186中所說明，藉由使螺帽壁發生徑向變形來鎖定包含藉由擠壓使該螺帽主體之至少兩側局部變形。構成螺帽之材料之變形行為直接反映在其機械彎曲強度特徵上。然而，金屬合金之彎曲行為與其拉伸行為之間存在相似性。對於大多數已知之合金而言，科學文獻有大量與拉伸強度有關之資料，但無與彎曲強度有關之資料。因此，在下文中，將提及金屬之拉伸行為特徵。
圖1展示金屬材料之典型拉伸曲線之外觀如何隨測試溫度而發展。各曲線表示在指定溫度位準下拉伸應力(繪於縱座標中)隨測試樣品延伸所產生之變形(繪於橫座標中)之變化。
曲線14對應於在室溫下執行之拉伸測試。可觀測到直線部分15，其起始於零點且達到對應於屈服強度之應力16，屈服強度通常亦稱為彈性極限且由術語Re。將橫座標中所示之相應延伸稱為伸展，此係因為在曲線之此直線部分15中，若移除施加於樣品之拉伸應力，則延伸變形將回到零點。
若所施加之應力增加超過屈服強度之應力16，則曲線根據彎曲部分17以遞增速率彎曲直至應力達到最大機械強度18，該最大機械強度18稱為機械拉伸強度且通常由術語Rm表示。在此曲線彎曲部分17中，當移除施加於樣品之拉伸應力時延伸變形仍存在。因此，觀測到由塑性變形表示而不再由如整個直線部分之情況下之彈性變形表示的永久延伸。
與最大機械強度18對應之拉伸應力對應於樣品斷裂。
位於屈服強度16與最大機械強度18之間的曲線部分17表示塑性範圍19。機械強度與屈服強度之差(Rm-Re)表示塑性差異。為使以金屬材料製作之零件改變形狀，此零件必須經受在此塑性差異內之應力位準。
曲線20、26、32及38對應於在相同材料上且分別在190℃、360℃、470℃及520℃之遞增溫度下執行之拉伸測試。曲線20、26、32及38各自呈現參考數字分別為25、31、37及43之塑性差異。塑性差異由式(Rm-Re)定義，其中Rm為機械拉伸強度且Re為屈服強度。
所有曲線14、20、26、32及38均展示，當測試溫度增加時，機械強度降低且屈服強度以更快速率降低，因此導致塑性差異顯著增加。
可在實驗上繪出每一種金屬合金類似於圖1中所示之一組曲線，相較於室溫及遞增測試溫度研究其拉伸行為。
由針對在指定熱處理回火中之指定合金繪出之此類曲線組，可產生諸如如圖2至5所示之圖，其提供塑性差異隨溫度發展之綜合表示。
使用此等曲線，本案申請人觀測到，除對結構淬火有高抵抗力之鋼外，對於許多鈦、鎳或鈷合金而言，根據溫度表示之相對塑性差異具有最大值。
相對塑性差異由式(Rm-Re)/Rm定義，其中Rm為材料之機械拉伸強度且Re為材料之屈服強度。
當置於與相對塑性差異之最大值相對應之最佳溫度下 時，可對材料施加廣泛範圍之應力而不會發生材料回彈或斷裂。因此，當將螺帽加熱至此最佳溫度時，更容易且更有效地施用加熱鎖定。
在根據圖2之實施例中，構成螺帽之材料為鈦合金，其廣泛用於航空業中且根據國際標準稱為Ti6Al4V。所討論之合金主要由鈦與6%鋁及4%釩形成合金構成。在此實施例中，構成螺帽之合金Ti6Al4V處於退火回火中。此回火對應於包含以下之熱處理：維持在高溫下，隨後緩慢冷卻，使材料能夠獲得此合金之最小機械強度位準及相關最大延性位準。在此退火回火中且在室溫下，合金Ti6Al4V之機械拉伸強度為約950 MPa且屈服強度為約850至900 MPa。然而，其在室溫下之塑性變形能力仍有限。
在圖2中，曲線1表示隨測試溫度(繪於橫座標中)而定之所考慮合金之機械拉伸強度(繪於縱座標中)。曲線2表示隨溫度而定之屈服強度或彈性極限。在室溫4下，例如在0℃與50℃之間，曲線1與曲線2相隔之距離3對應於構成螺帽之材料之機械強度與屈服強度之差，換言之該材料之塑性差異對應。在此實施例中，塑性差異3等於：950-880=70 MPa。因此相對塑性差異等於70/950=7.4%。
此相對塑性差異值遠低於針對標準低合金鋼所觀測到之比率14%。
根據圖2中之曲線，可觀測到相對塑性差異在等於370℃之最佳溫度7下為最大值。塑性差異6等於370℃下之機械強度6m與370℃下之屈服強度6e之間的差，亦即 720-590=130 MPa。因此，370℃下之相對塑性差異為130/720=18%。此值明顯高於與室溫4下之相對塑性差異相對應之7.4%。
上文所確定之最佳加熱溫度遠低於藉由鍛造使金屬成形通常所用之高於900℃之升高溫度。將以退火Ti6Al4V製作之螺帽加熱至370℃可保持材料之物理特徵，諸如其機械強度及微觀結構。
根據本發明，對於以根據前述實施例之材料製作之螺帽變形之前的加熱，將溫度實質上調節至所確定之最佳值，亦即370℃。較佳施加介於所計算最佳值之80%與120%之間的溫度，亦即300℃與440℃之間的溫度。在一較佳實施例中，在螺帽加熱製程期間，螺帽溫度藉助於光測高溫計來量測。
選擇加熱時間，使其不會呈現如例如在老化熱處理製程期間所產生之對材料機械強度進行任何持續改變的風險。此加熱時間視材料、螺帽質量及所用加熱構件而定。
較佳地，加熱時間少於1分鐘。此時間一般足以使螺帽之一部分達到所需溫度。此外，此時間顯著少於一般近乎數小時之金屬合金熱處理所需之時間。少於1分鐘之加熱時間可確保在實施本發明方法期間不會發生結構改變。
圖3以圖示方式表示用於製造螺帽之材料之第二實施例的機械拉伸強度及屈服強度(繪於縱座標中)隨測試溫度(繪於橫座標中)之變化。此材料為鈦合金Ti6Al4V，其經受特定熱處理以為其提供在室溫下約1150 MPa之機械強 度。稱經受此處理之Ti6Al4V合金處於「淬火老化」回火中。
為說明此材料選擇，應詳細說明，當前航空應用中室溫下機械強度顯著高於900 MPa之材料的使用日益增加。機械強度超過1100 MPa之許多標準低合金鋼屬於此情況。然而，此等鋼具有相對高之密度，此會阻礙飛機質量之減少。
為達成此目的，在新穎高效能飛機之開發中，建造者正尋找比標準低合金鋼輕，但機械強度超過1100 MPa之材料。前述鈦合金Ti6Al4V正符合此情況，為達成增加其機械強度之目的，已進行大量工作，到此刻為止，其在回火狀態下之機械強度仍侷限於900 MPa。此等工作已引起特定熱處理製程之開發，該製程包含在約930℃下溶解退火，接著立即以水淬滅，接著藉由在500℃至550℃之溫度範圍內老化進行淬火處理。此處理提供機械拉伸強度為約1150 MPa之Ti6AL4V合金，然而其伴隨有延性及塑性特徵顯著下降。此缺點對此合金用於某些應用中及尤其用於製造藉由變形來加以鎖定之螺帽構成明顯之主要問題。
根據圖3，曲線8表示所考慮合金Ti6Al4V在淬火老化回火中之機械拉伸強度Rm(繪於縱座標中)隨測試溫度(繪於橫座標中)之變化。曲線9表示屈服強度Re(繪於縱座標中)隨溫度(繪於橫座標中)之變化。
在室溫4下，曲線8與曲線9相隔之距離10對應於機械強度與屈服強度之差，換言之，所考慮合金之塑性差異。 在此實施例中，塑性差異10等於：1170-1030=140 MPa。因此相對塑性差異等於：140/1170=12%。此值低於針對標準低合金鋼所觀測到之比率14%。
根據圖3中之曲線，可觀測到相對塑性差異之最大值在450℃之最佳溫度12下。在此溫度下，機械強度13m與屈服強度13e之間的差13等於：825-630=195 MPa。因此，450℃下之相對塑性差異等於：195/825=23%，此值遠高於在室溫下觀測到之值12%。
根據本發明，對於以根據前述實施例之材料製作之螺帽變形之前的加熱，將溫度實質上調節至所確定之最佳值，亦即450℃。較佳施加介於所計算最佳值之80%與120%之間的溫度，亦即360℃與540℃之間的溫度。如例如圖2中所示，較佳選擇少於1分鐘之加熱時間。
本案申請人強調，在室溫下機械強度大於900 MPa之不同材料存在相對塑性差異所呈現之最大值。因此，圖4以圖示方式表示材料之第三實施例之機械拉伸強度及屈服強度(繪於縱座標中)隨測試溫度(繪於橫座標中)之變化。此實施例使用由Co-Ni26Cr19Fe9Mo7(稱為MP159® )構成之多相合金，在應變淬火老化回火中其在室溫下之機械強度超過1800 MPa。
儘管此合金不常用於製造螺帽，但可根據前述方式確立最佳加熱溫度，在此溫度下最佳相對塑性差異高於室溫下所量測之塑性差異。
在室溫下，此合金之塑性差異等於：1891-1817=73 MPa。因此，相對塑性差異等於：74/1891=4%。
在根據圖4之實施例中，塑性差異之最大值在550℃之最佳溫度下。塑性差異等於550℃下之機械強度與550℃下之屈服強度之差，亦即1579-1446=133 MPa。因此，550℃下之相對塑性差異為133/1579=8.4%，此值遠高於如先前所述之室溫下之相對塑性差異4%。
根據本發明，對於以根據前述實施例之材料製作之元件變形之前的加熱，將溫度實質上調節至所確定之最佳值，亦即550℃。較佳施加介於440℃與660℃之間的溫度。對於標準螺帽而言，少於1分鐘之加熱時間足矣。此時間顯著少於用於此材料之老化熱處理製程之近乎4小時之加熱時間。
為證明存在此相對塑性差異，圖5以圖示方式表示材料之第四實施例之之機械拉伸強度及屈服強度(繪於縱座標中)隨測試溫度(繪於橫座標中)之變化。此實施例使用由Ni-Cr19Fe19Nb5Mo3(稱為Inconel® 718)構成之基於鎳之合金，在溶解退火老化回火中其在室溫下之機械強度為約1400 MPa。
用於製造螺帽之此合金傳統上不會藉由加熱加以鎖定，此係因為其在室溫下之塑性差異大於14%。然而，使用前述方法，可確立最佳加熱溫度，在此溫度下存在最大相對塑性差異，其高於室溫下所量測之塑性差異。
在室溫下，此合金之塑性差異等於：1448-1207=241 MPa。因此，相對塑性差異等於：241/1448=16.6%。
在根據圖5之實施例中，塑性差異之最大值在316℃之最佳溫度下。塑性差異等於316℃下之機械強度與316℃下之屈服強度之差，亦即1344-1096=248 MPa。因此，316℃下之相對塑性差異為248/1344=18.5%，此值略高於如先前所述之室溫下之相對塑性差異16.6%。
根據本發明，對於以根據前述實施例之材料製作之元件變形之前的加熱，將溫度實質上調節至所確定之最佳值，亦即316℃。較佳施加介於250℃與380℃之間的溫度。對於標準螺帽而言，少於1分鐘之加熱時間足矣。此時間顯著少於用於此材料之老化熱處理製程之近乎16小時之加熱時間。
因此，本發明之方法可施用於已知在室溫下在用於最終用途之其熱處理回火中難以塑性變形之許多材料。該方法尤其適用於大多數鈦、鎳及鈷合金及對結構淬火具有高抵抗力之某些鋼。
本發明之方法呈現無可置疑之技術及經濟優勢。實際上，溫度之審慎選擇使對螺帽主體變形之精確調節操作容易，以將鎖定扭矩調節在技術規範所要求之最小值/最大值範圍內。此外，與加熱相關之相對塑性差異增加使得吾人能夠對螺帽在其最終熱處理回火中執行鎖定變形。
為更充分地瞭解該方法之應用，參看圖6，其以示意性方式表示用以使螺帽48局部變形之設備之非限制性實施例的斜透視圖。
此變形尤其在例如藉助於連接至高頻感應發生器之環 形感應器將螺帽局部加熱之後進行。或者，可使用雷射型加熱構件。已將待施加鎖定變形之螺帽48之上半部加熱，該上部之位置與該螺帽之支撐側面61相對。調節加熱構件以便獲得如對應於圖2至5之實施例中所示確定的對應於構成螺帽之材料之最佳溫度條件。如先前所示，約1分鐘之加熱時間一般足以使螺帽48之上部達到所需溫度。
在根據圖6之實施例中，藉助於組裝至根據位於同一平面上之三個軸平移且以120℃之角度會聚之三個可移動支撐物上的壓入銷49、50及51，使與呈適於活動扳手之六角形的螺帽48之主體47之三個等距側面44、45及46相對應的三個點局部變形。
壓入銷49、50及51之形狀適於形狀呈圓形、橢圓形或矩形之各類型螺帽。典型地，由銷49、50及51形成之壓痕不會影響螺帽48之側面47之高度一半以上，以免使過多內螺紋(圖6中未示)變形。實際上，為達成鎖定之目的使過多內螺紋變形會阻止螺帽擰旋至相關螺絲上。
一旦藉由變形執行鎖定操作，則可藉由標準量測構件檢查由此獲得之鎖定扭矩是否位於適用技術規範所界定之最小值/最大值範圍內。
1‧‧‧曲線
2‧‧‧曲線
3‧‧‧塑性差異/曲線1與曲線2相隔之距離
4‧‧‧室溫
6‧‧‧塑性溫度
6e‧‧‧370℃下之屈服強度
6m‧‧‧370℃下之機械強度
7‧‧‧最佳溫度
8‧‧‧曲線
9‧‧‧曲線
10‧‧‧塑性差異/曲線8與曲線9相隔之距離
12‧‧‧最佳溫度
13‧‧‧機械強度13m與屈服強度13e之差
13e‧‧‧屈服強度
13m‧‧‧機械強度
14‧‧‧曲線
15‧‧‧直線部分
16‧‧‧屈服強度之應力
17‧‧‧彎曲部分
18‧‧‧最大機械強度
19‧‧‧塑性範圍
20‧‧‧曲線
25‧‧‧塑性差異
26‧‧‧曲線
31‧‧‧塑性差異
32‧‧‧曲線
37‧‧‧塑性差異
38‧‧‧曲線
43‧‧‧塑性差異
44‧‧‧等距側面
45‧‧‧等距側面
46‧‧‧等距側面
47‧‧‧螺帽之主體
48‧‧‧螺帽
49‧‧‧壓入銷
50‧‧‧壓入銷
51‧‧‧壓入銷
61‧‧‧螺帽之支撐側面
Rm‧‧‧機械拉伸強度
Re‧‧‧材料屈服強度
圖1：指定螺帽材料之一實施例在不同加熱溫度位準下之拉伸應力(繪於縱座標中)隨延伸變形(繪於橫座標中)之變化的圖示。
圖2：螺帽材料之第一實施例之機械拉伸強度Rm及屈 服強度Re(繪於縱座標中)隨加熱溫度(繪於橫座標中)之變化的圖示。
圖3：螺帽材料之第二實施例之機械拉伸強度Rm及屈服強度Re(繪於縱座標中)隨加熱溫度(繪於橫座標中)之變化的圖示。
圖4：材料之第三實施例之機械拉伸強度Rm、屈服強度Re及相對塑性差異(繪於縱座標中)隨加熱溫度(繪於橫座標中)之變化的圖示。
圖5：材料之第四實施例之機械拉伸強度Rm、屈服強度Re及相對塑性差異(繪於縱座標中)隨加熱溫度(繪於橫座標中)之變化的圖示。
圖6：根據本發明之一具體實例藉由變形將螺帽加以鎖定之斜透視圖之圖示。
44‧‧‧等距側面
45‧‧‧等距側面
46‧‧‧等距側面
47‧‧‧螺帽之主體
48‧‧‧螺帽
49‧‧‧壓入銷
50‧‧‧壓入銷
51‧‧‧壓入銷
61‧‧‧螺帽之支撐側面

Claims (11)

  1. 一種用一內螺紋將一螺帽(48)加以鎖定之方法，其中：根據溫度來確定構成該螺帽之材料的機械拉伸強度(Rm)及屈服強度(Re)，確定一最佳加熱溫度(7；12)，在該溫度下，該材料之一相對塑性差異達到一最大值，該相對塑性差異由式(Rm-Re)/Rm定義，確定一最大加熱時間，超過該最大加熱時間，該螺帽將呈現其微觀結構及/或其初始機械強度退化之風險，將該螺帽加熱至一實質上等於該最佳溫度之溫度且維持一少於該最大時間之加熱時間，以便保持構成該螺帽之該材料之該初始微觀結構及該機械強度，藉由彎曲使該螺帽之一主體(47)局部變形。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中對該螺帽施加一介於該最佳溫度之80%與120%之間的溫度，該等溫度以℃表示。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中僅對該螺帽之施加該變形之一部分施加熱。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中使用壓入銷(49；50；51)使該螺帽變形，該等壓入銷以相對於該螺帽之一對稱軸線之一徑向方式施加且至多達至與該螺帽之支撐側面(61)相對的該螺帽之該主體的一半。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於 加熱該螺帽少於1分鐘。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中構成該螺帽之該材料係選自鈦合金、鎳合金、鈷合金或對結構淬火具有高抵抗力之鋼。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該構成材料在室溫下具有一小於14%之相對塑性差異及/或其機械強度大於900 MPa。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中該螺帽之該構成材料為Ti6Al4V。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中當Ti6Al4V處於退火回火中時，將該螺帽加熱至一介於300℃與440℃之間的溫度。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中當Ti6Al4V處於淬火老化回火中時，將該螺帽加熱至一介於360℃與540℃之間的溫度。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其不包含一涉及熱處理之後續步驟。
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