螺紋緊固件工程應用研究

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1 研究背景

螺紋緊固件在工業(yè)生產(chǎn)及生活中隨處可見,因結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、操作便捷和裝拆方便等特點而被廣泛應用于機械、電子、交通、家具、建筑、化工、船舶、玩具等領域[1-2]。螺紋緊固件是機械設計中最常見、最標準化的一種零部件,被稱為“工業(yè)之米”。螺紋緊固件的螺距、小徑、旋合長度、擰緊力矩是螺紋緊固件的關(guān)鍵參數(shù),正確應用這些參數(shù)對提高連接可靠性和工作效率具有重要作用。筆者對這些參數(shù)的確定及在工程實際中的應用進行研究。

2 螺距

螺紋緊固件的螺距指螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對應兩點之間的軸向距離。在工程實際應用中,確定螺紋緊固件的旋合長度及擰緊力矩均需要知道螺距的大小。通常情況下，可通過查找相關(guān)標準確定常用螺紋緊固件的螺距大小,但查找過程較為麻煩。實際工作中，通過計算的方式可快速獲得常用螺紋緊固件的螺距。

常用粗牙螺紋緊固件的螺距可通過以下方式進行計算。對于規(guī)格為M6～M14的螺紋緊固件,螺距P等于比公稱直徑稍大的偶數(shù)除以8。以規(guī)格為M8的螺紋為例,公稱直徑為8 mm,比8稍大的偶數(shù)為10,由此可得P=10/8=1.25 mm。對于規(guī)格為M14～M64的螺紋緊固件,螺距P等于公稱直徑除以6的商再除以 2后加1,但M60的螺紋不適用該方法,其螺距為5.5 mm。以規(guī)格M16的螺紋為例，公稱直徑為16 mm,16除以6的商為2,由此可得P=2/2+1=2 mm。

3 旋合長度

螺紋緊固件的旋合長度是保證連接可靠性的重要因素。旋合長度過長，會導致需要加工的螺紋過長,精度難以保證,成本增加,且在裝配過程中易出現(xiàn)裝配及拆卸困難,甚至咬死等問題[3]。旋合長度過短，則會出現(xiàn)嚙合間隙偏大的現(xiàn)象,使連接可靠性降低[4]。因此,合理的旋合長度不僅可以保證連接可靠性,還可以降低加工難度,提高工作效率,降低加工成本。

根據(jù)螺紋緊固件受力遞減的規(guī)律,對于螺紋緊固件旋合長度而言,前三牙將承載80%以上的力。一般情況下，旋合長度為螺距的8～10倍。在實際工程應用中，經(jīng)常會遇到在鋼板上加工螺紋孔固定零部件的情況,螺紋連接如圖1所示。為保證連接可靠且旋合長度適中，不出現(xiàn)因旋合長度過長而導致的加工困難、成本增加等情況,以使用規(guī)格為M8的螺紋緊固件為例，螺紋板的板厚D≥8P=8×1.25=10 mm,即螺紋板應選用厚度不小于10 mm的鋼板為宜。

4 擰緊力矩

在裝配時，需要對螺栓施加一定的預緊力。預緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度,增強連接的緊密性和剛性,防止受載后連接件之間出現(xiàn)縫隙或滑移[5]。如果預緊力太小,作用在螺栓上的載荷會很快使螺栓松動。適當選用較大的預緊力，對螺栓連接的可靠性及連接件的疲勞強度都是有利的。如果預緊力過大，則會使整個連接件的結(jié)構(gòu)尺寸增大,可能導致螺栓在預緊過程中因為偶然過載而被拉斷[6]。螺栓連接中產(chǎn)生的松動、斷裂、連接零部件壓陷、破壞等絕大多數(shù)問題,都是由于預緊力施加不正確而導致的。擰緊后的螺栓預緊力QP不得超過材料屈服極限的80%。

▲圖1 螺紋連接

QP≤K1σsA1

(1)

式中:K1為預緊力因數(shù),碳素鋼螺栓一般取0.6～0.7，合金鋼螺栓一般取0.5～0.6;σs為螺栓材料屈服極限;A1為螺栓危險剖面的截面積。

(2)

式中:d1為螺栓小徑。

螺栓小徑可通過相關(guān)標準查得,同樣存在標準查找麻煩的情況。實際工作中，可通過螺栓公稱直徑d和螺距P進行計算:

d1=d-1.082 5P

(3)

擰緊力矩為達到初始預緊力擰緊螺栓或螺母所需要的力矩[7]。在螺栓擰緊過程中,通常采用力矩扳手對螺栓的擰緊力矩進行控制,實現(xiàn)螺栓與連接件之間的可靠連接[8]。螺栓的連接可靠性完全依賴于合適的預緊力，通過控制擰緊力矩間接獲得預緊力進而鎖緊的方式，是目前常用的操作方法。螺栓擰緊力矩控制也是裝配生產(chǎn)中的重要工藝,每個企業(yè)均有自己的螺紋緊固件擰緊力矩規(guī)范。對于擰緊力矩的大小，通過相應的計算得到理論參考值,然后根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品及裝配件的特點，并結(jié)合相關(guān)工程實踐經(jīng)驗進行修訂完善而確定。通常，擰緊螺栓需要的擰緊力矩T為:

T=KQPd×10-3

(4)

式中：K為扭矩因數(shù),主要與螺紋副摩擦、支承面摩擦有關(guān),一般取值范圍為0.15～0.2。

筆者取K為0.2進行計算[9]，螺栓最大擰緊力矩Tmax為:

Tmax=KQPmaxd×10-3

(5)

式中：QPmax為螺栓最大預緊力。

由式(5)可知,只要知道螺栓的規(guī)格型號及性能等級，即可計算出最大擰緊力矩。以8.8級M8碳素鋼螺栓為例,公稱直徑為8 mm，螺距為1.25 mm，材料屈服極限為640 MPa,取K1為0.7，則Tmax為：

Tmax=0.2×0.7×640×3.14

×(8-1.082 5×1.25)2×8×10-3/4

=24.86 N·m

常用的不同規(guī)格、不同等級螺栓最大擰緊力矩都可通過計算獲得,筆者根據(jù)理論計算及車間實際裝配情況，得到常用螺栓擰緊力矩，見表1。

表1 常用螺栓擰緊力矩

5 扳手的選用

螺紋緊固件的擰緊、拆卸等工作往往需要使用相應規(guī)格的專用工具,如扳手。扳手因為使用方便,成為車間裝配生產(chǎn)中最常見的工具之一,也是使用頻率最高的螺紋擰緊工具[10]。在裝配過程中，不同的螺栓需要選用不同規(guī)格的扳手。快速選擇正確的扳手,對提高車間工作人員裝配熟練程度及提升工作效率有重要作用。通常，經(jīng)驗豐富的車間工作人員憑借工作經(jīng)驗,可迅速確定扳手的規(guī)格，而對于新入職的工人而言,很難快速找到合適的扳手。由于螺栓規(guī)格眾多,對應的扳手種類也很多,如果采用死記硬背的方式，不僅效率低,而且容易出錯。因此，采用計算的方法可幫助車間工作人員快速選擇正確的扳手。

普通六角螺栓的螺栓頭及六角螺母的寬度參數(shù)S與扳手開口尺寸S1是一一對應關(guān)系,如圖2所示。只要確定螺栓頭或者螺母的寬度參數(shù)S，即可選出正確的扳手。常用六角螺栓頭和六角螺母的寬度參數(shù)S可通過表2進行確定。

▲圖2 扳手與螺栓、螺母尺寸

表2 六角螺栓頭和螺母寬度參數(shù)

通過表2計算所得的數(shù)值,如果不是整數(shù)，則采用進位法取整數(shù)來確定扳手規(guī)格尺寸。以規(guī)格為M8的六角螺栓頭為例,S=8×1.6=12.8 mm,則可選用寬度參數(shù)為13 mm的扳手。

六角法蘭面螺栓在實際生產(chǎn)中也有廣泛應用。目前，六角法蘭面螺栓和螺母均有小系列和加大系列之分。兩種系列所對應的螺栓頭和螺母寬度參數(shù)存在差異。加大系列的六角法蘭面螺栓和螺母寬度參數(shù)與普通六角螺栓頭和螺母一致。小系列六角法蘭面螺栓和螺母需按以下方式確定：將普通六角螺栓頭和螺母計算方法中的螺栓或螺母公稱直徑改為比所用螺栓公稱直徑小一個規(guī)格的公稱直徑。以規(guī)格為M8的小系列六角法蘭面螺栓為例,比M8小一個規(guī)格的螺栓為M6,則寬度參數(shù)S=6×1.6=9.6 mm,可選用寬度參數(shù)為10 mm的扳手。

6 結(jié)束語

螺紋緊固件是應用最為廣泛的五金通用件,已融入人類生產(chǎn)生活的各個方面。筆者對螺紋緊固件的螺距、旋合長度、預緊力、擰緊力矩、扳手選用等進行了介紹，對螺紋緊固件連接設計,確定螺栓預緊力及擰緊力矩,提高車間工人裝配作業(yè)熟練程度,提高工作效率,降低裝配工具選用時間,節(jié)省工時等具有參考作用。