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紧固件常见问题及解析

2020-09-24

紧固件在市场上也称为标准件,是一种可以将两个或者多个元件以机械方式固定或者粘接在一起的机械元件,本文主要介绍一些紧固件常见的问题,大家共同了解一下。

一、螺栓螺母如何拧紧

  使用螺栓螺母配合的螺纹连接是紧固件应用中最常见的,为了保证连接的强度,一般都会采用自锁螺母,或是使用额外的机械锁紧来防止发生松脱。螺纹紧固件的安装也十分简单,只要保证有足够扭力来实现接口处的预紧力即可,但是仍然会有很多人不确定是应该通过螺母或是螺栓头来拧紧。

  ①、拧紧时是应该对螺栓头还是螺母施加扭矩呢?②、对螺栓头或螺母施加扭矩,二者是否是相同的结果?其实这没有固定的答案,在某些情况下,将螺母固定到位的同时拧紧螺栓头是完全可以接受的。但是在有些应用情况下,拧紧螺母是可行的判定的标准取决于应用情况(凸焊螺栓或者凸焊螺母)、产品本身结构,以及材料和安装条件。

在某些应用中您可以对螺栓头或螺母施加扭矩并保持紧密连接;而在下面这些应用条件下,恐怕只能对其中的一个部件施加扭矩:

  1、干涉配合在干涉配合的孔中,应该对螺母施加扭矩进行安装。

  2、螺栓头与螺母有不同的形状和直径当螺栓头与螺母的形状不同(比如六角头螺栓配方形螺母)或直径明显不同时,在承载面较小的一侧施加扭矩。例如,如果螺栓头小于螺母,则应该对螺栓头施加扭矩。可以简单理解为小处发力,大处承力。

  3、不同的材料当需要将两种不同材料夹紧在一起时,在摩擦系数较低的材料上施加紧固力,也就是说在可能产生最小摩擦力的一侧施加扭矩拧紧。

  4、长螺栓应用当扭矩施加在很长的螺栓的头部时,非常容易发生扭转卷绕的问题,因此在这种情况下,对螺母施加扭矩将有助于避免该问题的发生。 有这样一种应用,螺母是带法兰的螺母,而螺栓头却没有,也就是说螺母一侧的摩擦半径比螺栓头一侧要大。

如果紧固扭矩是在要拧紧螺母的情况下确定的,那么如果使用该扭矩对螺栓头进行拧紧的话,则可能会发生过载问题。通常,将近一半的扭矩需要用于克服紧固表面下的摩擦力,因此较小的摩擦半径将导致更多的扭矩进入螺纹连接处并因此而发生过度紧固问题。反之亦然,假定扭矩是根据螺栓头拧紧而确定的话,如果拧紧螺母的话,也就是说将扭矩施加在了摩擦半径更大的一侧,这会导致输入螺纹连接处的预紧力不足,而可能会引起松脱的问题。

二、为什么使用垫圈?

  垫圈是非常常见的标准件,我们经常会在螺栓与螺母这类螺纹连接的紧固过程中发现垫圈的身影。甚至可以这么说,垫圈总是与螺栓或螺丝这类螺纹紧固件配合使用。

为什么要使用垫圈呢?

  ①、如果基体材料非常软,那么在螺栓或螺丝拧入的过程中会导致基体母板材料的表面受到损伤。通过使用垫圈,可以将这个挤压力分布在更大的区域里,避免对母板表面的伤害。

  ②、如果基体材料非常软,而且安装紧固件的孔周边已经发生损坏,那么在紧固件拧入的过程中,可能会发生拉穿失效的问题,这是因为在大多数情况下,施加在拧紧过程中的力足以将紧固件拉过材料母板,而垫圈的存在则有助于产生较小的聚集压力。

  ③当螺栓或螺丝拧入的母板表面不够光滑、平整时,紧固件的头部很有可能被卡住,通过使用垫圈,可以保证螺栓或螺丝的表面滑动而使安装变得更加简单。

  ④、一些垫圈采用了特殊的结构设计,使其具有防止螺母发生松脱的功能。我们俗称这类垫圈为锁紧垫圈,在结构形式上有很多种,开口型、星型以及波浪型等等。这类锁紧垫圈需要与螺母配合一起使用。

 由此可见,除了特殊设计的锁紧垫圈以外,其余垫圈多是为了将载荷分布在螺栓头和螺母面下,也就是说,垫圈对于连接结构来说,只是起到了分散载荷的作用。螺纹紧固件在安装后发生松脱的原因,多半是因为横向载荷引起的,因为它会导致接头发生滑动,因此我们总是强调预紧力的重要性,足够的预载荷可以有效避免接头发生相对滑动的问题,进而避免松脱的发生。但是,对于螺纹紧固件的安装来说,有效地控制预紧力是一个非常重要的问题,即使螺纹规格和安装工具等都没有变化,不同的操作人员同样可能会造成预紧力不足的问题发生。此外,我们不能忽略的一点就是,当使用垫圈进行安装时,垫圈不是保持固定不动的,它是可以沿着螺纹紧固件的轴线旋转的,而这必定会影响扭力的输入,进而影响到预紧力。近年来,法兰紧固件的使用逐渐增多,因为法兰同样具有合理分散载荷力的能力,而且消除了上面提到的旋转问题,因此法兰紧固件才会逐渐替代垫圈的应用。

三、预紧力的作用

  当你选用螺栓螺母连接时,你需要通过扭力工具或手动扳手施加扭转力来实现锁紧,扭力终将转化为连接部位需要的预紧力,一定强度的预紧力可以确保接头抵抗振动松动和疲劳,在大多数应用中,预紧力载荷越高越好。预紧力怎么形容呢?当你拧紧螺栓或螺母时,螺栓头部和螺母头部之间会产生张力,这个张力就像你拉伸弹簧一样,弹簧总会试图恢复到正常状态,被拉伸的螺栓也一样要试图恢复到原来的长度来缓解张力,因此就会产生压缩或是压紧力,它们将螺栓头和螺母朝向彼此拉动,进而将接头夹紧在一起。但是在螺栓与螺母的配合安装过程中,还有很多其它因素会左右预紧力的大小,比如说摩擦力,包括螺纹之间的摩擦力以及螺纹部件与被连接部件之间的摩擦力,因此我们经常讨论“螺母系数”这个抽象的概念,来判定输入扭矩与预紧力之间的关系。T=KFD其中T是扭矩测量值,K是螺母系数,F是张力,D是螺栓直径。当使用这个公式的时候,如果K、F、D是已知的,就可以通过它们的乘积获得拧紧螺栓所需的扭矩,以确保螺纹连接具有适当的预紧力。

在这其中螺母系数K是一个相对复杂的变量,复杂到它的变化足以影响拧紧的难度,其中就包括摩擦力、螺栓和螺母以及垫圈的材料以及表面处理类型、润滑形式、螺纹的螺距等。因为这其中包括很多变量,因此对于每种不同的应用,甚至同一应用下的不同次拧紧,这些变量都会发生变化。因此,准确地确定螺母系数,成为确定安装扭力的关键,也可以说是一项挑战。实际经验表明,任何假定的K值对于特定的紧固件应用来说都不是百分百可靠的,安装时的实际情况也可能会导致实际预紧力的变化。 有些安装需要在到达所需的扭矩后,再给螺栓旋转一定的角度,该方法的实际意义是为了达到曲线所示的屈服阶段,即发生轻微塑性变形,这样可以保证安装达到一定的预紧力,但是同样有也缺点,即紧固件本身已经发生了轻微的沿轴向的塑性变形,重复使用恐无法再达到所需的预紧力。

四、螺套的应用

  螺套在结构组装中非常常见,在锻件、铸件和机加工件上应用较多,尤其当螺纹孔不能提供足够的螺纹剪切区域,也不能使用自锁装置时,内置螺套是一个十分有效的解决方案。而且对于有些大型锻件或铸件来说,直接在基体部件上攻丝,一旦螺纹损坏可能会危及整个零部件。

螺旋线圈螺套是最简单的一种螺套产品,它是由高品质的不锈钢丝轧制而成,卷绕成弹簧螺纹形状。通常情况下,螺套的直径设计会比螺纹孔更大一些,因此在安装过程中就存在被压缩的过程,这样做的目的首先是为了让螺套本身获得与螺纹孔的接触面积;其次被压缩后,螺套向外的张力就是为螺套提供锁紧功能的摩擦力,将螺套地固定在螺纹孔里。

除了机械强度这些硬性指标以外,这类产品还有很多优点:螺纹寿命即使在重复安装和拆卸后,仍然有显著的增加。螺套的硬度和光滑的表面处理消除了由于螺纹摩擦而容易引起的磨损。· 在安装过程中,螺旋线螺套并不是通过铆接或插入式锁紧的方式进行固定的,因此没有任何内部应力导入到母体材料中。· 螺旋线圈螺套可以安装在塑料条上并缠绕在卷轴上,通过使用气动工具安装时,可以显著提高安装效率。缺点:需要断尾处理,因为螺套上的这个“小尾巴“也仅仅是为了在安装过程中起到一定的螺纹导向作用,对于产品结构并没有任何意义,却需要在安装结束后通过专用的工具将其去除,而这恰恰是可以提高组装效率的地方。

  因此无需断尾处理的螺旋线螺套开始被大量使用,它具备了带“小尾巴”产品的全部优点,并且在安装后无需断尾处理。它的螺纹导向功能是通过在螺旋线圈上开槽的方式实现的。没有导向尾的螺旋线螺套相比于传统的需要断尾处理的螺套,具有下列优点:①、消除了断尾处理这道工序,适用于大批量的自动化安装;②、双向槽口设计,避免了对每次安装前插入螺套方向的检查;③、无断尾处理,避免在安装过程中产生杂质;④、无断尾处理,免去购买断尾工具。

在很多盲孔应用中,采用传统的断尾式螺套可能在螺套下方需要额外的安装空间来完成最后的断尾操作,而且需要保证该操作过程不会对母体材料造成伤害。而采用无断尾式螺套时,这个额外的空间就极大地被缩小了。

五、总结

  通过上述介绍,我们了解拧紧时是应该对螺栓头还是螺母施加扭矩及对应情况,垫圈的作用及法兰紧固件的发展,如何保证安装所需的预紧力,螺套的功能及优缺点。


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