螺纹设计基本要素

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2021/04/12 08:37:50

螺纹设计基本要素

    1948年11月18日,在华盛顿签署的统一螺纹协定奠定了普遍接受的螺纹标准基础。从此,统一螺纹成为所有机加工紧固件英制螺纹的标准,并且在全球通用。

    本章介绍了美国乃至全球都认可的统一英制螺纹ASME标准。对各标准做了适当节选,以适合本书中的所有紧固件。

    本章技术内容精确,很少有原理解释和背景介绍。因此IFI认为将本章内容介绍给对螺纹基础知识了解甚少的“外行”会十分有益。其目的是用通俗易懂的语言来解释螺纹设计的更多特性,帮助技术人员更全面地了解螺纹的正确使用。

    螺纹的基本特点
    螺纹的作用是给予紧固件支承和传递载荷的能力。

    在设计和加工螺纹时,要考虑的几何特性和尺寸特性有超过125项之多。但是,工程师们只要熟悉其中的30种左右,就能通晓各种螺纹并了解其性能。参见图1、图2、图3(A—1,A—2和A—3页)。另外A—40和A—41页中图也有助于对本章的理解。
 

    螺纹通常是指在内,外圆柱体表面上以螺旋线形式制出沟槽或在内,外圆锥面上按锥螺线形式制出的沟槽而形成的具有均匀截面的凸起。在圆柱体上的螺纹称作直螺纹或圆柱螺纹。在圆锥体或圆锥截体上的螺纹称作圆锥螺纹。外螺纹指螺栓、螺丝和螺柱的螺纹,内螺纹主要指螺母和自攻孔内的螺纹。

    轴向截面内的螺纹结构称作螺纹牙型(轮廓),它由牙顶、牙底和牙侧三部分组成。螺纹牙顶和牙底形成尖V字型后所构成的三角形。原始三角形高度(H)J是指牙顶尖到牙底尖的径向测量距离。对于统一螺纹,H为0.866025倍的螺距。H的主要作用是用于计算螺纹设计参数。

    牙顶和牙底都符合尺寸要求的螺纹为完整(全)螺纹。如果牙顶或牙底成型不完全,称为不完整螺纹。这种螺纹一般发生在螺纹紧固件的末端部和螺纹收尾处,或是在螺母和自攻孔的内倒角面上。

    螺距(P)是相邻牙对应两点间沿螺纹轴线的测量距离。统一螺纹是根据每英寸的牙数设计的,即每英寸长度内所出现的完整牙数。螺距是每英寸牙数的倒数。

    对于外螺纹,牙顶处的直径称为大径,牙底处的直径称为小径。对于内螺纹则正好相反牙顶处的为小径,牙底处的为大径。

    牙侧与垂直于螺纹轴线的夹角称为牙侧角。当两牙侧角的角度相同时,该螺纹为对称螺纹(牙侧角称为牙型半角)。统一螺纹具有30°牙侧角,而且是对称的。常称作60°螺纹。
 

    中径是牙厚与牙槽宽相等位置通过螺纹的理想圆柱的直径。对于理想螺纹,这两个宽度应该相等,均为螺距的一半。对于非理想螺纹,螺纹的实际中径(沿螺纹圆周或轴向任意位置处的测量值)会有变化,这种变化取决于螺纹牙型的实际偏差,此加工偏差要在允许的极限范围之内。因此在实际中,螺纹专家在中径的定义、测量和重要性方面可能会相互矛盾。但是,在螺纹设计和计算,加工刀具和模具生产以及螺纹通止量规和测量中,中径仍然是一个重要参数。“理想”中径是中径圆柱的产物,其轴线就是螺纹轴线。

    螺纹基本牙型建立了内螺纹和外螺纹的绝对边界。无论内螺纹还是外螺纹,突破了这一边界就会存在潜在的干涉,螺纹可能旋合不良。正是基于这一基本牙型,通过增加基本偏差和公差,来得到螺纹的极限尺寸。

    基本偏差产生了配合螺纹间的最小间隙(国际公差标准)。即当内、外螺纹加工至其最大实体牙型时,内、外螺纹之间肯定会有一定的间隙。对于紧固件,基本偏差通常用于外螺纹上,即大径、中径和小径的最大值由于基本偏差的存在而小于基本尺寸;内螺纹的最小直径--其最大实体牙型--作为基本尺寸。公差是指为方便加工而允许尺寸变化的规定值。公差为在最大与最小允许极限值之间的变动量。因此,对于外螺纹,其最大实体尺寸减去公差(向螺纹轴线方向移动)定义为其最小实体牙型尺寸。对于内螺纹,其最大实体尺寸加上公差(从螺纹轴线移开)定义为其最小实体尺寸。

    配合螺纹中,基本偏差与公差的组合决定了配合情况。配合是匹配螺纹间松紧程度的量度。间隙配合可以始终确保装配后的自由转动。过盈配合需要特定的螺纹尺寸限制值以使装配后内、外螺纹间产生过盈力。

    当外螺纹紧固件装配入内螺纹螺母或自攻孔时,完整螺纹的轴向接触距离为螺纹旋合长度。这些螺纹在径向上的接触距离称作螺纹的接触高度。螺纹旋合长度和接触高度都是计算螺纹强度的重要参数。

    螺纹系列是几组彼此不同的直径一螺距组合,以特定直径系列和每英寸长度内的牙数来表示。对于紧固件,最常用的螺纹系列有统一粗牙、统一细牙和8牙系列。

    螺纹的强度--即支持和传递载荷的能力。螺纹强度与四个应力区有关。拉伸应力区是通过螺纹的假定横截面,用于计算紧固件承受拉伸力的载荷。拉伸应力区等同于具有同一材料理论圆柱的横截面积,拉伸试验时,其机械性能承受等同的极限载荷。螺纹牙底区是外螺纹小径处的截面积。螺纹牙底区用于计算横向剪切或扭转力表示的紧固件强度。螺纹剪切区(内、外螺纹)是通过螺纹牙的有效面积,它与螺纹轴线平行,包括螺纹接触的整个长度。它承受剪切载荷,阻止螺纹脱扣。内螺纹的剪切面位于外螺纹的大径处,外螺纹的剪切面位于内螺纹的小径处。

    ANSI/ASME  B1.7M标准给出了螺纹的术语、定义和符号。

    螺纹选择指南
    针对特定的使用条件,选择最佳螺纹时有三个因素需要考虑--螺纹牙型、螺纹系列和螺纹配合等级。

    螺纹牙型
    螺纹牙型多种多样。但对于英制系列机械紧固件,只有三种最重要—UN、UNR和UNJ。它们都是60°对称螺纹。彼此之间的主要区别是外螺纹牙底轮廓。

    1948年以前,美国国家螺纹是北美洲的螺纹标准。1948年,美国、加拿大和英国同意采用一种螺纹系统替代美国和加拿大用的美国螺纹以及英国的惠氏螺纹。他们称这一新螺纹系统为统一螺纹,这正是今天通行全球的英制紧固件螺纹标准。

    统一螺纹牙型实际上与已废除的美国国家螺纹的相同。按照两个标准生产的紧固件在功能上是可以互换的。

    UN螺纹
    UN螺纹牙型,正像最初设计的那样,在外螺纹牙底处有平轮廓和圆形轮廓两种。每个国家可以根据本国的标准来选择。美国趋向于选择平牙底,虽然普遍认为如果将牙底做成圆角可以减少应力集中。但经济上会有所付出。滚丝牙板和刀具都很昂贵,如果用圆牙顶的模具来生产紧固件螺纹的圆牙底,无疑会多多少少增加成本。另外,也有争论说,新刀具会磨损,加工几百个工件后,牙顶便会被磨圆,再加工出的螺纹便会开始接近理想的牙型轮廓。

    UNR螺纹
    20世纪50年代,紧固件性能的要求急剧提高,尤其是在容易产生疲劳载荷的场合,紧固件的安全性是关键因素。提高紧固件的抗疲劳性能势在必行。一个显而易见的方法就是要求外螺纹牙底轮廓做成规定的圆弧。这便导致设计和引入了一套改进的螺纹牙型--UNR,它与UN唯一的不同在于其强制性地要求最小圆弧半径(极限值0.108—0.144倍的螺距)。最小半径(0.108P)是能够与UN牙型配合而不超出外螺纹最小实体牙型的最宽半径。最大半径(0.144P)是指在最大实体牙型下能够容纳而不产生与内螺纹的理论间隙的最宽半径。

    初次接触时,要特别注明是UNR螺纹,以确保交货时紧固件为圆弧牙底。但是如今,无论是否标明是UNR,事实上公称尺寸为lin和更小的紧固件,100%都是UNR螺纹。这是因为这类尺寸的紧固件通常采用滚压螺纹,现在的标准规定滚丝板为圆牙顶。对于较大尺寸紧固件,除滚丝外,螺纹可以车削加工。如果需要圆弧牙底,必须特别指出是UNR,否则供货很可能是UN螺纹。

    UNK螺纹
    UNR螺纹出现后不久,又经过了进一步修改,定义为UNK。

    UNK螺纹只是比NUR更精密,牙型和牙底圆弧半径极限值与NUR完全相同。其区别在于外螺纹的小径有偏差,必须检查牙底,以确保圆弧半径在规定的极限值范围内。UNK螺纹已用于圆柱头内六角螺丝和沉头螺丝标准。

    1979年螺纹通止量规系统(见A-63页ASME   B1.3M)建立后,UNK螺纹开始被淘汰。原因是用量规系统22检测UNR螺纹(与通止量规系统的目的是相同的)可以代替UNK螺纹。

    UNJ螺纹
    UNJ螺纹的设计来源于优化螺纹牙型的研究--即在不损失静强度特性的条件下具有超常的抗疲劳性能。换句话说,牙底圆弧的作用能发挥多大?

    其结果是一种新的牙型诞生,定义为UNJ,牙底圆弧半径极限值0.150-0.180倍的螺距。具有这种增大圆弧,外螺纹小径就会增大并超出UN及UNR螺纹的基本牙型。结果,为避免配合螺纹间出现过盈,UNJ内螺纹的小径不得不随着增大。这意味着UNJ螺纹的螺纹接触高度会稍微缩短。但是,通过采用3A/3B级螺纹公差(UNJ螺纹所用标准公差)可以补偿此强度损失。这一公差标准可以使内、外螺纹的最小实体牙型优化。

    UNJ螺纹现在是航空紧固件标准,在高度专业化的工业应用中有时也有使用。

    螺纹配合
    UN内螺纹应与UN和UNR外螺纹配合。实际上,不存在UNR内螺纹。

    理论上,UN内螺纹不能与UNJ外螺纹装配。但是,很多大型紧固件应用商多年来一直采用这种组合并没有发现问题。计算机研究也证实,成品加工件之间的实际过盈危害可以忽略不计。尽管如此,不建议采用这种配合,尤其是带有涂层的紧固件。

    UNJ内螺纹可与UNJ外螺纹装配,也可与UN配合。但是,后者配合在使用时应该小心,因为UNJ内螺纹增大的小径会减小外螺纹的螺纹牙底区抗剪切强度。
 

    对牙底圆弧半径的其他一些认识

    对于UN螺纹,没有规定牙底圆弧半径,牙底可能是平的。对于UNR螺纹,最小牙底半径为0.108P,对于UNJ螺纹为0.150P。很难想象如此微小的差异会如此重要,但确实是这样。

    外螺纹牙底成圆弧会稍稍增加紧固件的静拉伸强度。原因是几何形状。随着圆弧半径的增大,小径增大而且螺纹的截面积也增大。但是,这种面积增大十分微小,可以忽略。在应力计算中,所有牙型都用同一拉伸应力面积。

牙底做成圆弧的最主要作用是增加紧固件的抗疲劳性能。

    通常,机械紧固件在连接装配后都要承受某种程度的动载荷。只有极其个别的情况保持静载荷,完全不受应力波动、振动、横向应力、冲击或碰撞的影响。幸好,只在极少数连接设计中单纯把紧固件自身的疲劳特性做为主要考虑因素。但就是在这类场合也不能忽视任何提高抗疲劳性能的机会。这正是牙底做成圆弧的原因。牙底圆弧半径越大,紧固件的抗疲劳性能越好。

    应力区内的疲劳失效通常发生在高应力集中区---例如槽口或横截面形状剧烈变化处。对于螺纹,截面变化和螺纹牙底都相当于槽口,特别容易受到损伤。螺纹牙底的应力集中程度最高。应力集中系数的大小直接与牙底是否要加工成圆弧相关。

    计算螺纹的应力集中系数是一项极其复杂的工作。结果也不总是可靠的。因此,已经利用物理的研究方法,如光弹性分析,来研究螺纹圆弧对抗疲劳性能的影响。一个普遍认可的结论是:当所有参数(如紧固件尺寸、螺距、材料、加工方法等)一致,唯一不同是牙底圆弧时,应力集中系数能够从尖底或平底UN螺纹的6降为UNJ螺纹的3。即只将牙底加工成圆弧就可能使抗疲劳寿命提高2倍。研究还表明,这一论点适用于所有强度等级的紧固件。

    内螺纹牙底通常不为圆弧。规定牙底圆弧就意味着要用圆牙顶攻丝。这样做额外费用会增加成本。幸好在常规设计的螺栓、螺母连接组合中,螺母的强度要大于螺栓,其目的是万一发生失效,总是外螺纹件失效。要更好理解这点,请参考B—30页的螺栓/螺母可容纳性概论。

    螺纹系列
    螺纹系列是几组直径/螺距的组合,由一系列直径和每英寸的牙数来区分。统一螺纹系统有11个标准螺纹系列。只有3种对机加工紧固件最重要
——粗牙(UNC),细牙(UNF)和8牙(8—UN)。

    如今的统一粗牙螺纹是以19世纪中期惠氏发明的螺纹系列为模板。他选择相对粗大螺距的螺纹,多半是由于当时有限的加工水平。多年之后,随着生产能力的提高,生产更精密、更细螺距的螺纹成为可能。出现了许多专用螺距系列,现在称为统一细牙系列是最受欢迎的一种。随着螺纹加工技术的提高,两种螺纹系列(粗牙和细牙)显然不能满足所有的工程应用。结果,螺距系统中又加进许多恒定螺距系列,8—UN就是其中之一。这种系列只有一个螺距,适用于系列内所有直径。

    细牙与粗牙螺纹
    细牙与粗牙螺纹各自的优点一直是紧固件业界激烈争论的问题。

    支持细牙螺纹的人指出:
    1.由于拉伸应力区面积较大,细牙的抗拉强度较高。
    2.由于细牙的小径较大,抗扭转和横向剪切强度的能力较高。
    3.细牙螺纹能够更好地拧入薄壁工件,拧入硬制材料也更容易。
    4.因为其螺旋线角度较小,可以更接近调整精度。达到螺栓顶载荷所需力矩较小。在容易出现振动的场合防松性更好。

    在后几项讨论中,第一点(调整精度)是明显的。其他两点(力矩小和防松)不太具有说服力。因为相对于以防松影响更大的其他因素,粗牙和细牙在这点上的区别很小。
支持粗牙的列举了下列优点:
    1.在相同接触长度上,粗牙螺纹的抗剪切强度较高,尤其是内螺纹。
    2.因为随着螺距增大,牙底处的应力集中系数减小,粗牙产品应该表现出更好的抗疲劳性能。
    3.粗牙更能承受搬运和船运过程中的野蛮作业。
    4.螺纹不容易交错,安装和拆卸更快更容易。
    5.当发生螺母加载膨胀而引起有害的螺纹旋合长减小时,以及由于腐蚀造成强度减小时,粗牙更具保护性。
    6.2A/2B等级配合使螺纹具有较大的最小间隙,允许螺纹进行较厚的涂层或镀层。
    7.对于易碎或易剥落的脆性材料,粗牙更适合。

    上述争执持续多年,无论是粗牙还是细牙哪一方都没有获得绝对的支持--一个合理的说法是:都有优缺点。过去20年可以看出趋势现在已经逐渐转变为:粗牙螺纹更受欢迎。其原因主要是由于简单的螺纹更具经济效益,而并非具有其他技术优势。

    在北美,尺寸小于No(0.190in)和大于lin的细牙紧固件实际上是不存在的。粗牙紧固件在从最小尺寸到最大尺寸范围内的所有紧固件产品中都普遍存在。对于大于lin的紧固件,8牙系列和粗牙螺纹同样受欢迎。

    螺纹配合等级
    螺纹配合是匹配螺纹间的松紧程度。配合等级是内、外螺纹基本偏差与公差的特定组合。

    统一英制螺纹的外螺纹有3个螺纹等级--1A,2A,3A;内螺纹也有3个等级。全部为间隙配合,即无过盈装配。等级数字越大,配合越紧。代号“A”表示外螺纹,代号“B”表示内螺纹。1A和1B级配合是最松配合,3A和3B配合是最紧配合。

    另外,还有一种5级螺纹配合。5级配合是一种过盈配合,即内、外螺纹尺寸非常精确,配合螺纹间产生过盈配合。5级过盈配合仅适用于lin和更小尺寸粗牙系列螺纹。参见A-86页的ASME/ANSI  B1.12。

    1A/1B等级
    1A和1B等级是松配合螺纹公差,仅外螺纹有基本偏差。当快速简便的安装与拆卸作为设计考虑的首选要素时,这些螺纹最适用。它们仅适用于1/4in和更大尺寸系列的粗牙和细牙螺纹。这些等级很少用于机加工紧固件。实际上,整个北美洲生产的紧固件中采用这种配合等级的可能不超过0.1%。

    2A/2B等级
    到目前为止,在英制机加工紧固件中2A和2B是最受欢迎的螺纹等级。北美生产的所有商品级和工业用紧固件中差不多90%采用这种螺纹配合。2A级外螺纹有基本偏差。2B级内螺纹无基本偏差。对于绝大多数工程应用,2A和2B级可提供最佳的螺纹配合,使紧固件性能、加工方便性和经济性之间达到最大平衡。

    3A/3B等级
    3A和3B等级螺纹适用于紧公差紧固件,如内六角螺丝,定位螺丝,航天用螺栓和螺母、连接杆螺栓及其他高强度螺栓。在这些工作场合中,安全性是设计首选要素。3A和3B级具有最严格的公差,无基本偏差。
螺纹配合的其他问题
 

    一种螺纹配合的错误理解认为:公差越紧,配合越紧,装配质量越高,工作性能越好。但是,这好像是一个幻觉,看起来明明对,但常常错误的。设计人员优先选择紧配合螺纹可能会产生意料不到的装配问题,并增加不必要的成本,还有其他各种原因。

    图4是1/2-13  UNC螺纹公差与基本偏差的对应关系。对于外螺纹,1A和2A等级有基本偏差,3A级没有。1A公差比2A级大50%,3A级只有75%。对于内螺纹,3个等级都没有基本偏差。2B公差比2A级大30%。1B级比2B级大50%,3B级为75%。
 

表1  螺纹应力区——统一英制螺纹

续表1

    注:
    1.在统一螺纹系统中,1—12UNF是英制细牙螺纹标准。1—14UNS被认为是特殊的直径/螺距组合。但是,所有北美生产的lin细牙螺纹产品都优先选择1—14UNS。

    2.As =0.7854(D- )2
    其中,As=拉伸应力面积,sq. in.
    D=螺纹公称直径(其中大径),in.
    n=每英寸牙数

    3.Ar=0.7854(D- )2
    其中,Ar =拉伸应力面积,sq. in.
    D=螺纹公称直径(其中大径),in.
    n=每英寸牙数

    4.ASs=3.1416?Le?Kn max. n[ +0.57735(Es  min-Kn max)]
    其中,ASs=外螺纹抗剪切面积,sq. in.
    Le =螺纹旋合长度,in.
    n=每英寸牙数
    Kn max =内螺纹小径最大值,in.
    Es min=外螺纹中径最小值,in.

    5.ASn=3.1416?Le?Ds min?n[ +0.57735(Ds min-En max)]
    其中,ASn=内螺纹抗剪切面积,sq. in.
    Le=螺纹旋合长度,in.
    n=每英寸牙数
    Ds min=外螺纹大径最大值,in.
    En max=内螺纹中径最小值,in.

    6.Kn、Es、Ds和En的值参见A—46页的ASME B1.1。

    强度
    配合螺纹的强度取决于螺纹旋合是否具有足够的旋合长度和接触高度。接触高度指径向重迭距离,旋合长度是(纵向)轴向接触的螺纹数量。

    参照各种不同的螺纹等级,很明显,紧公差配合等级3A/3B的承载能力更强一些。但这并不完全正确,实际上,估计不出最紧与最松配合间拉伸强度的变化。原因是每个等级的允许公差带内大部分是相同的。

    20世纪40年代,IFI的一名顾问,麻省技术研究所的E.A .Buckingham教授对不同尺寸和材料的紧固件做了一系列拉伸强度试验。唯一的变量是螺纹配合。他总结到:“就这些拉伸试验来看,1级配合和3级配合一样好。如果螺纹为脆性材料,采用比1级更紧的公差并没有任何优势。”

    当然,Buckingham教授当时试验的紧固件采用的是已经淘汰的美国国家螺纹牙型。但是,这些紧固件配合与统一螺纹系统是相同的。他补充到:

   “没有任何明确的试验数据能够支持这样的观点,即直径上的螺纹配合越紧,直径公差越小,螺栓和螺母装配后强度越大。”

    他接着说到,

   “有时较松的配合比紧配合表现出更高的弹性极限载荷承载能力。这可能是由于较松配合的额外间隙允许两体相对对方进行各自定位,这使得载荷分布更均匀。”

    40年过去了,其他各项研究已逐渐完善。1996年,IFI发表了一份研究报告:螺纹几何形状对紧固件性能的影响。这项研究探讨了螺母中径尺寸对典型的拉伸型航天连接件强度和性能的影响。还探讨了商品级螺钉和螺母组合中不同中径尺寸对强度和性能的影响。还额外进行了只有螺纹尺寸为变量的强度和性能标准试验。1996年,ASME还发表了一个报告:用于确定螺纹标准一致性的螺纹量规系统。所有这些研究都基本上支持Buckingham的发现,没有出现强有力的反驳--反对Buckingham结论的正确性。

    虽然不同的螺纹配合在抗拉强度方面可能不会表现出明显的差异,它们在搞螺纹剪切能力上却有很大区别。

    外螺纹开始剪切时,通常发生在由内螺纹小径产生的圆柱面内。同样,内螺纹剪切发生在外螺纹大径处。

    用最小实休牙型来计算螺纹剪切面积,结论是无基本偏差且紧配合的3A/3B等级可有更多的面积来抵抗剪切。3A/3B等级与2A/2B等级之间差异是显著的。例如,1/2—13  UNC  2A螺纹剪切面积为每英寸旋合长度0.779 sq. in .;1/2—13 UNC  3A为0.854 sq . in;比2A级增大近10%。对于1/2—13 UNC内螺纹,2A级的螺纹剪切面积为每英寸旋合长度1.12 sq . in .;3B为1.6  sq . in .,增大3.6%。这种情况在粗牙和细牙的所有紧固件尺寸系列中都很典型(见表1)。

    应尽可能避免出现螺纹剪切失效的任何可能,有些应用场合,由3A/3B节约用水螺纹得到的增强抗剪切性能可能非常重要。

    镀层和涂层
    很大部分紧固件带有镀层和涂层,以提高耐腐蚀性和改善外观。镀层和途层是有厚度的,会增加减小零件的尺寸。

    螺纹紧固件的镀涂层在以后的章节中有详细的讨论。这里要提到的是,一般情况下对于商品级的镀涂层,2A级外螺纹上的基本偏差(通常允许用它来容纳镀涂层)已经是很充分,螺纹不需要进行专门调整尺寸。因为3A级螺纹没有基本偏差,镀涂后的螺纹可能会出现无法装配现象。因此,在螺纹加工过程中,最基本的注意事项就是确保镀涂后3A/3B级紧固件的最后装配问题。

    高温
    暴露于高温环境中(通常超过500°F)的紧固件,要求配合螺纹间具有一定的最小间隙,以提供热膨胀空间,使螺纹的擦伤和咬死现象减至最低。这一点对于需要经常拆卸和安装紧固件的场合尤其重要。

    高速旋转拧紧,例如车辆装配线,由于配合螺纹间的摩擦力,紧固件在装配过程中会产生热量。配合越紧,摩擦越大。

    搬运和船运
    大多数紧固件在实际应用前都会受到多次野蛮搬运。外螺纹很容易出现缺口或者表面受到损伤。虽然这对于强度等级没有影响,但紧固件装配的通畅性会被削弱。相对于没有基本偏差的螺纹,带有基本偏差的螺纹能够弥补这些损伤。

    具有良好延展性的低强度和中等强度材料紧固件,如果采用2A级螺纹,其优点会更突出。原因是基本偏差连同其较自由的公差,可以在配合螺纹之间留有较大的空间,以补偿局部屈服、螺纹弯曲和其他弹性变形。当有应力产生时,螺纹彼此调整,会使载荷分布更均匀。

    相反,较高强度的紧固件其延展性较低,应该选择紧配合螺纹。加载工作载荷时,紧配合可以容纳螺纹,使发生变形的可能性降至最低。这也是航天标准件采用3A/3B级螺纹的主要原因。

    振动
    看起来好像越紧的螺纹配合能够不松脱而承受振动,抗震性要好于有基本偏差和较大公差的螺纹。或者至少性能相当。这可能正确,但是除了螺纹配合,还有其他更可行和花费更小的技术手段来防止松动。

    成本
    有充分理由说明,公差越紧,成本越高。

    镀涂螺纹
    镀涂层增大或减小螺纹的尺寸。如果镀涂层过厚,配合螺纹间会发生过盈,因此在进行镀涂前,螺纹尺寸必须做一些调整以利装配。

    在北美,与螺纹镀涂有关的一些原则大致如下:

    1.除非内、外螺纹带有厚涂镀层,例如热浸镀锌和机械沉积锌涂层,镀涂后螺纹尺寸不能超出基本牙型边界。

    2.除非紧固件采购商事先有特别的规定,2A级外螺纹所规定的基本偏差可以用来容纳镀涂层。即镀涂后螺纹的最大直径为基本尺寸,即与3A级螺纹规定的相同。

    3.在有些情况下,镀涂后要求保持2A级基本偏差。这时要修改螺纹标记,在后面添加字母“G”。2AG螺纹为镀涂螺纹,与非镀涂2A级螺纹所规定的尺寸极限相同。

    4.镀涂后必须保持1A级的基本偏差。因此,1A级螺纹不管是否镀涂,尺寸极限是一样的。

    5.3A级外螺纹和所有等级内螺纹没有基本偏差,基本偏差为零。
这意味着1A、2AG和3A外螺纹的最大直径以及1B、2B和3B内螺纹的最小直径,在镀涂前必须进行调整,以提供必要的空间来容纳镀涂层厚度。

    6.如果镀涂层较厚,利用基本偏差和/或“适当”调整公差方法还不能方便地容纳厚镀层,则俦作法是内螺纹超出,而不是削减(减小)外螺纹。即镀涂后,外螺纹的最大实体牙型尺寸允许超出基本牙型边界。

    对于60°螺纹,螺纹牙侧进行均匀镀涂的后果是增加外螺纹的中径(4倍的镀涂层厚度)。对于内螺纹,中径有一定的减小(图5)。

    商品级镀涂层厚度通常用公称或最小值表示,很少用最大值表示。而且,大多数镀涂层不是均匀的。因此,通常假下镀涂层对螺纹中径的尺寸影响为6倍的额定或最小镀涂层厚度。根据这一原则,如果镀涂层所具有的额定或最小厚度等于或小于螺纹基本偏差的1/6,它就可以被2A级螺纹所容纳,就不需要再进行调整尺寸。

    例如,商品级电镀锌额定厚度为0.00015in.。因此,任何规定基本偏差为0.0009in或更大的2A级外螺纹(8—32UNC,10—32UNF及所有大尺寸螺纹)都能容纳这一镀涂层厚度。

    如果规定的螺纹基本偏差除以6可以容纳镀涂层的额定厚度,就不需要规定特殊螺纹的尺寸。

    如果2A螺纹的镀涂层厚度走出了基本偏差所允许的容纳范围(包括内、外螺纹在内的所有螺纹等级),则需要在镀涂前调整螺纹的尺寸极限值。详细推荐值见A—56页ASME B1.1第7章。

    检查“镀涂后”尺寸时,(包括外螺纹和内螺纹在内的)所有等级螺纹使用同一量规进行检验。同一等级螺纹,无论有无镀涂层,测量要求是相同的,但只有两种情况例外。第一种情况是2A级外螺纹,镀涂后的接受条件是3A级通规和2A级止规。另一种例外是极厚镀涂层螺纹。

    如上所述,容纳较厚镀涂层时,北美的作法是增大内螺纹攻丝尺寸,而不是减小外螺纹尺寸。这样做有两点好处。

    第一,虽然增大内螺纹的攻丝尺寸和外螺纹的切削深度都会削弱配合螺纹的强度。但是,在螺栓/螺母组合中,因为螺母的强度通常较高,在不牺牲整体强度前提下,螺母强度有些损失是可以接受的。如果增加螺栓螺纹切削深度,则整体配合强度的损失就是不可避免。

    第二个原因纯粹是经济原因。大多数热浸镀锌和机械镀锌紧固件都是从无镀涂制成品再加工得到的。只有极少数的情况螺栓或螺母是有意加工成厚镀涂层来满足随后的应用。如此特殊加工在数量上很难控制,而且客户要求的镀涂层厚度经常变化。库存螺栓螺纹通常是2A级公差,库存螺母要么带未攻丝的盲孔(以后攻丝),要么是2B级螺纹。这样,在成品螺栓上进行镀涂,由成品螺母攻丝或再次攻丝以容纳镀涂螺栓的厚镀层要求的做法,比通过增加螺栓螺纹切削深度来削减尺寸方法要便宜的多。

    厚镀涂层紧固件螺纹的尺寸调整以及尺寸检测,内螺纹见B—167页,ASTM  A563;外螺纹见B—90页,ASTM  A307;B—97页的A449。

    螺纹的检验验收
    螺纹有两个功能。它们必须能够装配上,装配后必须能够承受一定的载荷。螺纹的可装配能力只与其尺寸特性有关。其强度是尺寸和紧固件材料机械性能的综合体现。很显然尺寸过大的外螺纹不能装配。同样的,尺寸过小的外螺纹不能承受预期的载荷。

    螺纹验收是用来确定尺寸的协调一致性是否令人满意。它通过用量规和其他检测仪器对螺纹进行检测。这些测量结果数据庞大,从测量整体螺纹数据到每个单项参数超高精度的测量值。

    确定必须的检查项目和建立螺纹验收标准是采购商的责任。原因很简单,工程师、设计人员等最了解紧固件的性能,紧固件在工作场合安装和应用时,他们必须提供有关数据。他们知道紧固件如何发生应力集中,使用环境,所加载荷的大小,安全危险程度,以及在整个设计中紧固件与其他零部件的相互关联。这些都要求采用一下的检测手段,以判断紧固件螺纹是否在规定的尺寸极限值内。

    为辅助这类判断,已建立了标准检测系统,详见A—63页的ASME  B1.3M,。每个检测系统包括一组必测的螺纹要素。每个系统都详细列出了可以判断某一要素是否在允许极限值范围内的各种量规和其他检测装置。

    B1.3M谨慎地避免指定采用哪种量规或装置,甚至于仲裁时也是如此。每个生产商和购买商都要自己进行选择。标准规定:只要采用任一允许的量规或装置检测某一要素时,认为可以接受,则认为该要素通过检验。

    在B1.3M中有3个外螺纹量规系统,3个内螺纹量规系统。这3个系统分别定义为21、22、23系统。其区别在于检测尺寸一致性满足要求的程度。系统编号越大,则必须检测项目就越多。

    在外螺纹和内螺纹的所有3个检验系统中,都要求检验最大实体牙型尺寸,以确保可装配性。其他检测要求的原则性区别与最小实体牙型尺寸的检验有关。21系统应用功能性量规检验,即所有要素用“通端”和“止端”量规进行检验。22系统和23系统则要求对每个螺纹要素进行实际检测,23系统的检验内容更多,要求更高。

    21系统对于常规工程应用中的大多数中低强度紧固件已经足够用了。22系统经常用于高强度外螺纹紧固件以及3A级螺纹紧固件。3A级螺纹一般用在要求严格场合,需要对螺纹做进一步的检验。23系统主要适用于Fed—Std—H28/H20A所推荐的紧固件研究和分析。

    21系统对所有内螺纹紧固件都很实用。如果对内螺纹的其他性能有要求,则诮考虑采用22系统。如果使用要求严格,必须检验确定内螺纹的其他性能时,设计人员则应该考虑23系统所规定的检验内容。

    现在,大多数紧固件生产标准都规定了哪种检测系统适用于该紧固件。如果采购商没有其他的额外要求,按照标准的规定已经可行。但是采购商经常会保留他们的特权(也常常是这样做),来专门规定一种不同的系统,或者修改已规定的系统。无论怎样做,采购商的目的是想最大限度地确保所购产品确实达到了尺寸一致性的要求。

    螺纹强度特性
    装配后,螺纹的失效方式有6种:
    —外螺纹紧固件拉伸断裂;
    —外螺纹脱扣;
    —内螺纹脱扣;
    —外螺纹紧固件垂直于轴线发生剪断;
    —外螺纹紧固件扭曲;
    —内螺纹紧固件沿螺纹截面轴向开裂。

    拉伸失效,螺纹脱扣以及螺母的轴向开裂发生在装配时或以后的应用中。紧固件安装时过度拧紧会发生拉伸失效。剪切失效仅发生在加载工作载荷后。

    紧固件强度计算
    有4个临界应力面积赋予配合螺纹的承载能力。

    a)拉伸应力面积是通过螺纹的有效截面积,它能够抵抗螺栓的拉伸断裂。
    b)外螺纹牙底面积是在小径处的横截面积。这一面积用来计算螺栓的抗横向剪切能力以及拧紧过程中的抗拧断能力。
    c)外螺纹牙剪切面积可抵抗螺栓螺纹的剪切。
    d)内螺纹剪切面积可抵抗螺母螺纹的剪切。

    A—11页表1给出了统一粗牙、细牙和8牙系列的应力面积。表1中的表注是这些应力面积的计算公式。

    螺栓断裂是极易发生的失效模式
    设计人员在选择紧固件时,应该努力确保万一发生失效(无论是安装时的过度拧紧或是使用中的过度加载),失效模式应为螺栓断裂失效而不是螺纹脱扣。这点及其重要。因为最近常见做法为拧紧螺栓达到高水平预载荷(经常故意超出屈服强度)。如果在拧紧过程中螺栓断裂,快速发现并更换是很容易的,操作工更换连接件,安装过程需做必要的调整。

    另一方面,螺纹脱扣是一种很隐蔽的失效模式。它起始于第一个受到应力的螺纹牙,然后其余螺纹牙沿着整个接触长度逐渐剥离。它是一种渐进的失效,螺母完全脱离螺栓经常需要好几个小时。螺纹脱扣失效刚开始察觉不到。看起来装配良好,不能及时提出需要修正拧紧过程的警告。

    防止螺纹脱扣
    防止螺纹脱扣的关键是提供充足的螺纹旋合长度,以使螺母的膨胀影响降低到最小,以及选择具有合适强度搭配的配合螺纹。

    螺纹旋合长度
    提高配合螺纹抗脱扣的一个显而易见的方法就是增加旋合长度。这当然有效。但是,也有个极限,超出这一极限后再增加长度,不仅什么作用达不到,而且只会增加成本。

    当螺栓/螺母装配后轴向承载时,螺栓承受拉伸应力,螺母承受压力。如果材料刚度好,螺纹牙型完美无缺,载荷在配合螺纹之间均匀分布,每个牙都满载且均等承载。但是,紧固件材料具有弹性,内、外螺纹都具有完美牙型的机率实在太少。

    轴向载荷对螺栓有拉伸作用,这样就加大了螺纹的有效螺距。同时,螺母受压应力,螺距就缩短。这些变形,虽然很小,但必须在局部乃至整个螺纹旋合长度彼此达到平衡。最后出现了整个载荷的非比例分布。假定第一个接触(螺纹)牙的承载高于平均载荷,其余的牙依次降低承载,最后或最上面的牙承载最小。分析研究表明,第一牙的承受载荷 是所有承载螺纹平均载荷的两倍多,而最后一个牙则小于平均载荷的一半。这就是螺栓拉伸失效通常发生在螺母或自攻孔内第一牙处。同样的研究还表明,螺纹旋合长度相同时,螺距越小,第一牙的平均载荷就越高。

    如果螺纹旋合长度大大超出螺栓公称直径的一倍,对螺栓本身是不利的。

    原因是在接触螺纹的中,顶部螺纹承载总裁荷的很小部分,只有当第一牙变形严重,其过度的载荷分量减轻并传递给随后的牙时,随载牙数才会增加。而此时极易发生失效。

    螺母膨胀
    随着轴向载荷增大,螺栓被拉长,螺母被压缩。由于接触螺纹的径向旋紧作用,螺母壁开始延展,或者说膨胀,螺母内的周向应力承受径向力,螺母的材料强度越小,螺母壁越薄,膨胀量越大。

    控制螺母膨胀量很重要,因为膨胀发生在螺纹最高应力区的螺母承载表面。如果螺母径向移动,螺纹接触高度会减小。由此缩减了螺栓和螺母的螺纹剪切面积,从而使单位剪切应力增大。螺距越细,情况越糟。

    通常认为对边宽度至少为螺纹公称直径1.5倍的六角螺母可以满足一般应用。对边宽度较小的应该谨慎对待。带法兰的螺母抗膨胀能力优良。在圆锥孔内,由于周围材料对厚重,由膨胀造成的强度减小可以忽略不计。

    紧固件材料强度
    当螺栓螺母材料的相对强度近乎一样时,随着轴向载荷增大,螺栓和螺母的螺纹发生弯曲,螺母膨胀加剧,两螺纹的有效剪切面积缩小。如果发生螺纹脱扣失效,很难辨别是螺栓不是螺母先失效。

    如果螺栓的材料强度大大高于螺母的材料强度(大多数螺栓/螺母组合件都是这样),螺栓螺纹不会逐渐扭曲,而且保持螺母螺纹牙型避免弯曲,即使螺母材料的屈服强度很小。如果在这些条件下发生螺纹剥落失效,螺母螺纹会在由螺栓螺纹大径形成的圆柱面内清楚地发生脱扣。

    同样,当螺母的材料强度大于螺栓时,螺栓的螺纹弯曲和扭曲受螺母螺纹的控制。如果装配因螺纹脱扣而失效,螺栓螺纹的脱扣发生在由螺母螺纹小径产生的圆柱面上。

    一般地说,螺栓和螺母彼此的材料强度越接近,螺纹脱扣失效的发生机率越小,不管是哪一个先发生脱扣。如果强度不一致,失效载荷会略高。这就是为什么用硬化心轴测试螺母时比用同等强度螺栓测试时表现出稍高的失效载荷的原因。

    利用A—11页表1中所列的应力面积值,就可以合理地计算出内、外螺纹紧固件的最小强度性能(拉伸/剪切比)以及所需的接触长度。选择紧固件的目的是必须确定紧固件螺纹剪切承载载荷(螺纹剪切面积乘以螺纹旋合长度,再乘以材料剪切强度)要充分地大于拉伸承载载荷(拉伸应力面积乘以材料拉伸强度)。

    夹紧长度内外螺纹的影响
    紧固件连接后,材料的总厚度称为夹紧长度。紧固件安装后,螺栓的应力长度基本上等于夹紧长度加上螺母内一两个牙。夹紧长度内的螺栓螺纹牙数对紧固伯的最终拉伸强度(失效时的载荷)有显著影响。

    当一个螺栓/螺母组合经拉伸试验失效时,如果螺母位于沿螺栓长度任意位置以便在螺母承载面和螺栓螺纹尾部之间至少有4个完全螺纹,则螺栓的拉伸强度保持不变。当螺母接近螺纹尾部时,螺栓的拉伸强度增大,当螺母向与螺纹尾部接触时可能增大20%。

    随着夹紧长度内外露螺纹的减少,螺栓的拉伸强度增大,而螺栓/螺母的剪切强度减小。原因是螺栓的屈服(紧固件失效的前奏)发生在螺母螺纹旋合长度内。这样就减小了两螺纹的旋合长度并增加了螺纹单元的剪切应力。可能相信,仅通过减少夹紧长度内螺栓外露螺纹的数量,就能将失效模式由螺栓断裂改变为螺纹脱扣。

    外螺纹紧固件拉伸试验的标准方法(B—207页中ASTNM  F606  第3、4段)规定夹紧长度内有6个外露完整螺纹。高强度结构螺栓是一个例外,因为它的螺纹长度较短,只要求4个外露螺纹。

    在连接件设计中,当紧固件长度与被连接件厚度适当时,标准紧固件的螺纹长度能够确保夹紧长度内合理的外露螺纹长度。其他情况下,谨慎的设计理念认为在夹紧长度内至少要留有一个完整螺纹,或者更多。

    特殊螺纹设计
    考虑到选择紧固件的最大经济利益,首先考虑的是粗牙、细牙或8牙系列,这些具有统一螺纹的标准尺寸产品。对于所有工程应用,这种选择是最基本的,事实也是如此。原因很简单,标准直径/螺距的统一螺纹是经过难的,他们的尺寸、加工工具和螺纹测量仪器完全标准化,产品种类繁多,有很多设备和供应商可供选择。

    偶尔,由于技术原因,没有合适的标准直径/螺距组合。工程师必须设计一个特殊的螺纹。这时回顾以前的案例可能会有帮助。

    我们假定设计一个33/64mm—11的应用,必须采用钢螺栓来连接一个零部件与铝制基体。基体内的自攻孔可能达lin深。由于工作中螺栓暴露于恶劣环境中,螺栓必须经过特殊的热浸镀锌厚镀层处理,最小厚度达0.0003in。螺纹为统一螺纹牙型,2A/2B级公差,镀层后必须保留外螺纹基本偏差。工作载荷经常波动,计算出的螺栓拉伸载荷最大达到10000lbs。螺栓的初始拧紧将使螺栓预加载超出工作载荷。

    确定内、外螺纹的尺寸极限并检查紧固件强度对于应用是否充分。

    对于33/64  in .—11螺纹,
    D=33/64  in .=0.5156  in .
    N=每英寸牙数=11
    P=螺距=1/n =0.0910  in .
    对于外螺纹
    基本大径=D=0.5156  in。
    基本中径=E=D-hb=0.5156-0。64953×0.0910=0.4565  in。

    中径公差,2A级=0.0015    +0.0015    +0.015    =0.0056  in .
   (注意:Le=螺纹旋合长3 度,假定 1.5D=3 2  0.773 in,随后检测。)
    大径公差,2A级=0.060  3 2=0.0121  in.
    基本偏差,2A级=0.300级2A p . d .
    公差=0.0017in

    因此
    大径,max=0.5156-0.0017=0.5139  in
    大径,min=0.5139-0.0121=0.5018  in
    中径,max=0.4565-0.0017=0.4548  in
    中径,min=0.4548-0.0056=0.4492  in

    但是,这些极限值现在必须进行调整以便外螺纹镀层后能够保持2A级余量,并且最小镀层厚度0.0003in。

    以下是(镀前)极限值:
    大径,max=0.5139-3×0.0003=0.5130  in
    大径,min=0.5018-2×0.0003=0.5012  in
    中径,max=0.4548-6×0.0003=0.4530  in
    中径,min=0.4492-4×0.0003=0.4480  in

    基本=K=D-2hn=0.5156-2×0.54127×0.0910=0.4172  in
基本中径=E=0.4565  in

    中径公差,2B级=1.300级2A  p . d .   公差=0.0073  in
    小径公差,2B级=0.25p-0.4p2=0.0194  in
   

    结果:
    小径,min=0.4172  in
    小径,max=0.4172+0.0194=0.4366  in .
    中径,min=0.4565  in .
    中径,max=0.4565+0.0073=0.4638  in .

    现在知道了螺纹尺寸的极限值,可以检测紧固件的抗拉强度。

    应力面积计算公式。

    拉伸应力面积=As=0.7854(D- )2=0.143  sq . in .
    外螺纹脱扣面积=As=3.1416×Le×Kn max×
    n+[ 0.57735(Es min-Kn max)]
    =3.1416×Le×0.4366×11[ +0.57735(0.4480-0.4366)]=0.785Le
    内螺纹脱扣面积=Ass=301416×Le×Ds  min×
    n+[ 0.57735(Dsmin-En max)]
    =3.1416×Le×0.5012×11[ +0.57735(0.5012-0.4638)]=1.16Le
    承载10000lbs .的螺栓,所受应力10000/0.143=69930  psi .。参见B—15页表2,最合适的钢种为SAE 5级钢,最大载荷应力85000psi,最小抗拉强度120000psi。

    正如前面重点强调的,如果由于安装时的过度拧紧或工作中的应力过大造成失效,失效模式应是螺栓断裂而不是螺纹脱扣。因此,必须计算出充足的螺纹旋合长度以提供有效强度来防止螺纹脱扣。无论内螺纹还是外螺纹都必须仔细研究。而且,为达到充分的安全性,螺纹必须承受的载荷应该是螺栓在拉伸方向的最大载荷,而不是规定的最小载荷。

    5级钢制螺栓规定的最大硬度断裂强度C34。参见B—9页表1,C34硬度约相当于抗拉强度153000psi,即可能的螺栓断裂强度约为21800  lbs.。

    5级钢的最小剪切强度预计为其规定最小拉伸强度的60%,即70000psi。螺纹的剪切面积为0.785Le  sq . in.。Le的

    计算如下:
    Le= =0.397 in .

    铝制材料的合理最小剪切强度为25000psi。自攻孔的脱扣面积为1.16Le,Le计算如下:
    Le= =0.752 in .
    根据前文的假下,螺纹旋合长度为1.5D(0.768  in .)。这一长度已足够,可以与自攻孔深度配合,铝制基体也能够容纳。

    技术标准
    含有5个独立标准的全套标准包含了统一英制螺纹所有的信息、数据和要求。它们是:

    ASME  B1.1统一英制螺纹(UN  和  UNR牙型),A—33页,列表示出了所有尺寸、牙型、螺纹系列、公差和代号。

    ASME  B1.5,A—98页UNJ螺纹的上述信息。

    ANSI/ASME  B—1.2统一英制螺纹的量规和测量系统,A—72页,包括检测统一螺纹的的量规仪器及其说明、设计公差、量规校准和正确使用。

    ASME  B1.3M,尺寸验收的螺纹检测系统,A—63页,介绍了用于确定内外螺纹紧固件统一螺纹验收的螺纹检验系统。

    ANSI/ASME  B1.7M,螺纹术语、定义和字母标识,A—24页,建立了统一的定义,尤其是螺纹术语及有关螺纹类型、尺寸与配合,几何形状及外形尺寸的内容。