螺紋連接

　　螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結構簡單、連接可靠、裝拆方便等優點。

　　1概述

　　傳統的螺紋檢測方法是利用螺紋量規進行接觸或利用萬能工具顯微鏡進行人工測量，工作量大，工作效效率規的低，測量結果易受人為影響。在接觸式測量中，螺紋量規易磨損，從而影響測量精度，更換量規的成本也高。另外，在有些工作場合人工難以完成檢測工作。為此，需要自動的螺紋檢測設備來解決螺紋檢測的瓶頸問題，以提高緊固件企業的效益。

　　2形成

　　πd2S ψ將一直角三角形繞在直徑為d2的圓柱表面上，使三角形底邊ab與圓柱體的底邊重合，則三角形的斜邊在圓柱體表面形成一條螺旋線。三角形的斜邊與底邊的夾角λ，稱為螺旋線升角。若取一平面圖形，使其平面始終通過圓柱體的軸線并沿著螺旋線運動，則這平面圖形在空間形成一個螺旋形體，稱為螺紋。

　　根據平面圖形的形狀，螺紋可分為三角形、矩形、梯形和鋸齒形螺紋等(見教材圖9—2)。根據螺旋線的繞行方向，可分為左旋螺紋和右旋螺紋(見教材圖9—3)，規定將螺紋直立時螺旋線向右上升為右旋螺紋，向左上升為左旋螺紋。機械制造中一般采用右旋螺紋，有特殊要求時，才采用左旋螺紋。根據螺旋線的數目，可分為單線螺紋和等距排列的多線螺紋(見教材圖9—4)。為了制造方便，螺紋一般不超過4線。

　　3主要參數

　　要區分不同的螺紋，就要掌握說明螺紋特點的一些參數。以廣泛應用的圓柱普通螺紋為例，螺紋的主要參數如下：[1]

　　(1)大徑d(外徑)(D)——與外螺紋牙頂相重合的假想圓柱面直徑——亦稱公稱直徑

　　(2)小徑(內徑)d1(D1)——與外螺紋牙底相重合的假想圓柱面直徑，在強度計算中作危險剖面的計算直徑

　　(3)中徑d2——在軸向剖面內牙厚與牙間寬相等處的假想圓柱面的直徑，近似等于螺紋的平均直徑 d2≈0.5(d+d1)

　　(4)螺距P——相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對應兩點間的軸向距離

　　(5) 導程(S)——同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對應兩點間的軸向距離

　　(6) 線數n——螺紋螺旋線數目，一般為便于制造n≤4;螺距、導程、線數之間關系：L=nP

　　(7) 螺旋升角ψ——在中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角。

　　(8) 牙型角α——螺紋軸向平面內螺紋牙型兩側邊的夾角;牙型斜角β指螺紋牙型的側邊與螺紋軸線的垂直平面的夾角。

　　4特點應用

　　螺紋是螺紋聯結和螺旋傳動的關鍵部分，現將機械中幾種常用螺紋(教材圖9—2)的特點和應用介紹如下：

　　1. 三角形螺紋

　　牙型角大，自鎖性能好，而且牙根厚、強度高，故多用于聯接。常用的有普通螺紋、英制螺紋和圓柱管螺紋。

　　(1)普通螺紋：國家標準中，把牙型角α = 60°的三角形米制螺紋稱為普通螺紋(教材圖9-6)，大徑d為公稱直徑。同一公稱直徑可以有多種螺距的螺紋，其中螺距最大的稱為粗牙螺紋，其余都稱為細牙螺紋(圖9-7b)，粗牙螺紋應用最廣。細牙螺紋的小徑大、升角小，因而自鎖性能好、強度高，但不耐磨、易滑扣，適用于薄壁零件、受動載荷的聯接和微調機構的調整。普通螺紋的基本尺寸見教材表9—1。

　　(2).英制螺紋：　牙型角α = 55°，以英寸為單位，螺距以每英寸的牙數表示，也有粗牙、細牙之分。主要是英、美等國使用，國內一般僅在修配中使用。

　　2. 圓柱管螺紋

　　牙型角α = 55°，牙頂呈圓弧形，旋合螺紋間無徑向間隙，緊密性好，公稱直徑為管子的公稱通徑(圖9-8c)，廣泛用于水、煤氣、潤滑等管路系統聯接中。

　　3. 矩形螺紋

　　牙型為正方形，牙型角α = 0°，牙厚為螺距的一半，當量摩擦系數較小，效率較高，但牙根強度較低，螺紋磨損后造成的軸向間隙難以補償，對中精度低，且精加工較困難，因此，這種螺紋已較少采用。

　　受力分析、效率和自鎖

　　§9—2螺旋副的受力分析、效率和自鎖

　　矩形螺紋

　　(牙型角α=0)

　　1.受力分析

　　螺紋副中，螺母所受到的軸向載荷Q是沿螺紋各圈分布的(教材圖9-8a)，為便于分析，用集中載荷Q代替，并設Q作用于中徑d2圓周的一點上(教材圖9-8b)。這樣，當螺母相對于螺桿等速旋轉時，可看作為一滑塊(螺母)沿著以螺紋中徑d2展開，斜度為螺紋升角l的斜面上等速滑動(教材圖9-9)。

　　勻速擰緊螺母時，相當于以水平力推力F推動滑塊沿斜面等速向上滑動(圖教材9-8a)。設法向反力為N，則摩擦力為fN，f為摩擦系數，ρ 為摩擦角，ρ = arctan f。由于滑塊沿斜面上升時，摩擦力向下，故總反力R與Q的的夾角為λ+ρ 。由力的平衡條件可知，R、F和Q三力組成力封閉三角形，由圖可得：

　　FQyd2　使滑塊等速運動所需要的水平力

　　等速上升： Ft=Qtan(ф+ρ)

　　等速上升所需力矩：

　　T= Ftd2/2= Qtan(ф+ρ)d2/2

　　等速下降： Ft=Qtan(ф—ρ)

　　等速上升所需力矩：

　　T= Ftd2/2= Qtan(ф—ρ)d2/2

　　2.螺紋的自鎖

　　螺母等速松退時的受力分析：觀察教材圖9—10，此時相當于滑塊沿斜面等速下滑，由力的封閉三角形，得： 若ф≤ρ，則F≤0，這時必須加一反向作用力F才會使滑塊下滑，若不加外力，則不論Q有多大，滑塊也不會下滑，這種現象叫"自鎖"。自鎖條件：ф≤ρ

　　3.螺旋副的效率

　　螺旋副效率為有效功W2與輸入功W1之比。螺母在力矩T作用下轉動一周時，輸入功W1=2лT，此時升舉重物所作的有效功W2=QS;故螺旋副的效率為：η=W2/W1=QS/2лT=tanф/ tan(ф+ρ)。

　　非矩形螺紋

　　螺紋的牙型角α≠0時的螺紋為非矩形螺紋，如教材圖9—11所示。非矩形螺紋的螺桿和螺母相對轉動時，可看成楔形滑塊沿楔形斜面移動;

　　平面時法向反力N=Q; 平面時摩擦力Ff =fN =fQ;

　　楔形面時法向反力N/=Q/cosβ;楔形面摩擦力Ff! =f N/ =fQ/ cosβ;

　　令f/ =f/ cosβ稱當量摩擦系數。Ff! =f/Q;楔形面和矩形螺紋的摩擦力相比，與當量摩擦系數對應的摩擦角稱為當量摩擦角，用ρV 表示。擰緊螺母時所需的水平推力及轉矩：由于矩形螺紋與非矩形螺紋的運動關系相同，將ρV代替ρ后可得：

　　使滑塊等速運動所需要的水平力

　　等速上升： Ft=Qtan(ф+ρV)

　　等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= Qtan(ф+ρV)d2/2

　　等速下降： Ft=Qtan(ф—ρV)

　　等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= Qtan(ф—ρV)d2/2

　　自鎖條件：ф≤ρV

　　效率為：η=W2/W1=QS/2лT=tanф/ tan(ф+ρV)。

　　由于三角形螺紋的β=α/2=300;梯形螺紋β=α/2=150;鋸齒形螺紋β=3;矩形螺紋β=0，所以各種螺紋的當量摩擦系數之間有如下關系：

　　fv三角>fv梯形>fv鋸齒>fv矩形

　　可見，三角形螺紋的fv大，自鎖性能好，且牙根強度高，故常用于聯結。梯形、鋸齒形及矩形螺紋，多用于傳動。

　　基本類型及預緊和防松

　　§9—3 螺紋聯接的基本類型及預緊和防松

　　螺紋聯接的基本類型

　　1.螺栓聯接

　　被聯接件的孔中不切制螺紋，裝拆方便。如教材圖9-12a為普通螺栓聯接，螺栓與孔之間有間隙，由于加工簡便，成本低，所以應用最廣。如教材圖9-12b為鉸制孔用螺栓聯接，被聯接件上孔用高精度鉸刀加工而成，螺栓桿與孔之間一般采用過渡配合，主要用于需要螺栓承受橫向載荷或需靠螺桿精確固定被聯接件相對位置的場合。

　　2.雙頭螺柱聯接

　　使用兩端均有螺紋的螺柱，一端旋入并緊定在較厚被聯接件的螺紋孔中，另一端穿過較薄被聯接件的通孔(如教材圖9-13)。適用于被聯接件較厚，要求結構緊湊和經常拆裝的場合。

　　3. 螺釘聯接

　　螺釘直接旋入被聯接件的螺紋孔中(如教材圖9-14)，結構較簡單，適用于被聯接件之一較厚，或另一端不能裝螺母的場合。但經常拆裝會使螺紋孔磨損，導致被聯接件過早失效，所以不適用于經常拆裝的場合。

　　4. 緊定螺釘聯接

　　將緊定螺釘擰入一零件的螺紋孔中，其末端頂住另一零件的表面(如教材圖9-15)，或頂入相應的凹坑中。常用于固定兩個零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉矩。

　　標準螺紋聯接件

　　螺紋聯接件品種很多，大都已標準化。常用的標準螺紋聯接件有螺栓、螺釘、雙頭螺柱、緊定螺釘、螺母和墊圈。

　　普通螺栓 六角頭：小六角頭，標準六角頭，大六角頭

　　1)螺栓 圓柱頭(內六角)

　　鉸制孔螺栓——螺紋部分直徑較小

　　螺栓 粗制

　　精制——機械制造中常用

　　2)雙頭螺栓——兩端帶螺紋 A型——有退刀槽 施入端長度也各有不同。

　　B型——無退刀槽

　　3)螺釘種類繁多

　　半圓頭 一字槽

　　平圓頭 十字槽 共有

　　按頭部形狀 六角頭 頭部起子槽 內六角孔

　　圓柱頭 一字加十字槽

　　沉頭

　　要求全螺紋

　　與螺栓區別 要求螺紋部分直徑較粗

　　4)緊定螺釘 錐端——適于零件表面硬度較低不常拆卸常合

　　末端 平端——接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，

　　適于經常拆卸

　　圓柱端——壓入軸上凹抗中，適于緊定空心軸上零件的位置

　　適于較輕材料和金屬薄板

　　5)自攻螺釘——由螺釘攻出螺紋

　　6)螺母 六角螺母：標準，扁，厚

　　圓螺母(與帶翅墊圈)+止退墊圈——帶有缺口，應用時帶翅墊圈內舌嵌

　　入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內，螺母即被鎖緊。

　　螺母 粗制

　　精制 粗制

　　平墊 精制 A型

　　普通墊圈 斜墊 B型——帶倒角

　　7)墊圈 防松墊圈(彈簧墊圈)——起防松作用

　　帶翅墊圈等　螺紋聯接的預緊　螺紋聯接 松聯接——在裝配時不擰緊，只存受外載時才受到力的作用——輕少用

　　緊聯接——在裝配時需擰緊，即在承載時，已預先受力，預緊力QP

　　預緊目的：保持正常工作。如汽缸螺栓聯接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大性，靠摩擦力工作時，增大剛性等。

　　增大剛性：增加聯接剛度、緊密性和提高防松能力

　　1. 擰緊力矩TΣ

　　在預緊螺栓聯接時，加在扳手上的力矩TΣ必須克服螺旋副中的螺紋力矩T和螺母與支撐面之間的摩擦力矩Tf

　　TΣ=T+Tf

　　T=F0tan(ф+ρV)d2/2

　　Tf=fc* F0*rf; rf支撐面間的摩擦半徑， fc為摩擦系數。

　　TΣ=0.2 F0*d*10

　　式中：TΣ的單位N.m; d的單位為mm.。

　　2. 預緊力的控制

　　通過測力矩扳手和完力矩扳手控制扳手力矩大小。

　　螺紋聯接的防松

　　螺紋連接一般具有自鎖性，此外螺母及螺栓頭部的支撐面上的摩擦力也有防松作用，故擰緊后一般不會松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，以及在高溫或溫度變化較大時，螺紋鋼之間的摩擦力會順時減小或消失，聯接就可能松動。防松的關鍵就是防松螺旋鋼的相對轉動。

　　1. 摩擦防松

　　(1)彈簧墊片：如圖教材圖9—23所示;利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊。

　　(2)對頂螺母：如圖教材圖9—24所示;增加摩擦放松;

　　(3)自鎖螺母：如圖教材圖9—25所示;增加摩擦放松;

　　2. 機械放松

　　開槽螺母與開口銷,見教材圖9—26;圓螺母與止動墊圈，見教材圖9—27;帶翅墊片,見教材圖9—28。

　　3. 變為不可拆聯接

　　端鉚、沖點(破壞螺紋)見教材圖9—29、點焊。

　　螺紋聯接的強度計算

　　§9—4 螺紋聯接的強度計算

　　螺栓聯接強度計算的目的，主要是根據聯接的結構形式、材料性質和載荷狀態等條件，分析螺栓的受力和失效形式，然后按相應的計算準則計算螺紋小徑d1，再按照標準選定螺紋公稱直徑d和螺距P等。螺栓其余部分尺寸及螺母、墊圈等，一般都可根據公稱直徑d直接從標準中選定，因為制定標準時，已經考慮了螺栓、螺母的各部分及墊圈的等強度和制造、裝配等要求。

　　需要說明的是，螺栓聯接、螺釘聯接和雙頭螺柱聯接的失效形式和計算方法基本相同，所以，本節對螺栓聯接計算的討論，其結論對螺釘聯接和雙頭螺柱聯接也基本適用。

　　松螺栓聯接

　　松螺栓聯接的特點是裝配時不擰緊螺母，在承受工作載荷前，聯接并不受力。這種聯接只能承受靜載荷，故應用不廣。教材圖9-30所示起重滑輪中的螺栓聯接就是典型的例子。當承受軸向工作載荷F(N)時，螺紋部分的強度條件為：

　　設計公式為：

　　式中：d1——螺桿危險截面直徑(mm)

　　[σ]——許用拉應力 N/mm2 (MPa) 見教材表9—6.

　　緊螺栓聯接

　　1.采用普通螺栓

　　如圖9-32所示，工作時聯接受到與螺栓軸線相垂直的外載荷FR的作用。被聯接件在預緊力的作用下相互壓緊，依靠結合面產生的摩擦力來抗衡外載荷，從而避免產生相對移動。顯然，無論工作前還是工作后，螺栓本身僅受裝配時由于擰緊螺母而產生的預緊力和螺紋副阻力矩的作用。預緊力使螺栓危險截面上產生拉應力:

　　F0f*z*m≥KFR FR≥KFR/ f*z*m

　　式中：z ——聯接螺栓的數目;

　　m ——結合面數目;

　　f ——結合面間摩擦系數，對于鋼或鑄鐵的干燥加工表面，可取f =0.1～0.15;

　　K ——可靠性系數，亦稱防滑系數，通常取K =1.1～1.3。

　　由此可得，單個螺栓所需的預緊應力為：б=4F0/πd12 若計入扭轉切應力的影響，

　　強度條件為:

　　設計公式為：

　　式中：[σ]——許用拉應力 N/mm2 (MPa) 見教材表9—6。

　　3. 采用鉸制孔用螺栓

　　絞制孔用螺栓聯接一般均需擰緊，由預緊力產生的拉應力對聯接強度的 影響可以不計。螺栓桿受橫向工作載荷FR時，剪切強度條件為：

　　螺栓桿或孔壁的擠壓強度條件：

　　式中：ds-螺栓桿剪切面直徑(mm);

　　Z-聯接螺栓數;m-接合面數;

　　[τ]-螺栓的許用剪切應力(MPa);查教材表9—6。

　　[σp]-螺栓桿或孔壁中的低強度材料的許用擠壓用力(MPa);(查表教材9—6)

　　h-螺栓桿與孔壁間的最小高度。

　　緊螺栓聯接

　　這種承載形式在緊螺栓聯接中比較常見，圖9-33所示的汽缸與汽缸蓋螺栓組聯接就是這種聯接的典型例子。在這種聯接中，螺栓實際承受的總拉力Fo并不等于預緊力和軸向工作載荷F之和。結合圖9-34分析如下：

　　1、壓力容器中壓強P對每個螺栓產生的軸向工作載荷為： F=p(лD2/4)/Z

　　式中：Z為聯接螺栓個數。p為氣缸內的壓強Mpa。

　　未擰緊未受工作載荷時螺栓情況：如上圖預緊前;擰緊后未受工作載荷時螺栓受預緊力F0作用：如上圖的預緊。

　　擰緊后受工作載荷時螺栓受到總拉力FΣ作用： FΣ=F+ F0

　　此時，由于螺栓受工作載荷F的作用，伸長量又增加了δ2，被聯接件間隨螺栓伸長而被放松了δ2，故其壓緊力由F0減小到F0'，被聯接件作用與螺栓的反作用力也應為F0'， F0'稱為剩余預緊力。

　　剩余預緊力F0'值可參照教材表9-3選取。

　　選取了F0'后，用FΣ=F+ F0計算出螺栓的總拉力FΣ的值。然后代入下式：

　　強度計算為：

　　.

　　設計公式為：

　　根據受工作載荷F的伸長量與被聯接件回彈變形量相等的關系，可導出預緊力F0與剩余預緊力F0/的關系為：F0= F0/+(1—Kc)F;

　　式中：Kc=C1/(C1+C2)，Kc稱相對剛度系數見教材表9—4;C1為螺栓剛度;C2為被聯接件剛度。

　　FΣ=F+ F0/=F0+ C1F/(C1+C2)。

　　由上式可知，當螺栓受軸向工作載荷由0至F之間變化時，螺栓中總的拉力的變化范圍是F0～FΣ。

　　5系統構成

　　①硬件系統螺紋參數自動檢測系統基于PC架構，主要由照明系統、CCD相機和光路成像系統、、圖像采集卡、圖像處理系統、機械檢測系統以及電控系統等組成。

　　測量時，經照明系統照明后，通過CCD相機和光路成像系統采集緊固件的螺紋圖像，然后經過圖像采集卡，將數字化圖像傳到計算機，計算機對該數字圖像按相應算法處理后，計算出螺紋的牙型角、螺距和中徑等參數，并與標準進行比較，計算出偏差。

　　②軟件系統螺紋參數自動檢測的軟件系統主要包括系統控制模塊圖像處理模塊等。

　　系統控制模塊：初始化;完成系統圖像接口卡及標準參數的初始化配置。圖像操作;采集并保存8位的灰色圖像，捕獲圖像到內存。

　　圖像處理模塊：圖像處理模塊包括減少噪聲、突出螺紋輪廓邊緣信息的圖像預處理算法，檢測和提取輪廓邊緣信息的邊緣檢測和提取算法，測量數字圖像實際尺寸的系統標定算法，以及用于計算螺紋參數的算法等。

　　6測量方法

　　①螺紋夾角的測量

　　螺紋夾角也叫牙型角。螺紋夾角的測量可通過測量側面角來實現，螺紋側面角是螺紋側面與螺紋軸線的垂直面之間的夾角。螺紋牙的近似輪廓在螺紋兩側直線段采樣，對采樣點進行直線最小二乘擬合。

　　②螺距的測量

　　螺距是指螺紋上某一點至相鄰螺紋牙上對應點之間的距離。測量時必須平行于螺紋軸線。

　　③螺紋中徑的測量

　　螺紋中徑是中徑線沿垂直于軸線距離，中徑線是一個假想的線。

　　7測量結果

　　采用機器視覺技術，設計螺紋參數測量自動檢測系統，并對標準螺紋試樣的螺紋夾角、螺距和中徑等參數進行測量。測量結果表明，螺紋參數在規定的誤差范圍之內。由于視覺檢測具有高效和可靠的特點，經過進一步考察，認為可用于生產實踐中。