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螺栓配合螺母到底孰強孰弱

螺紋配合廣泛應用在各類零件的連接。但如果設計不當,生產(chǎn)過程不佳,也會產(chǎn)生如滑牙、斷裂等失效現(xiàn)像。

各位朋友可能會有這樣的疑問,螺栓和螺母在配合的過程中,誰會更容易失效呢?

今天,法士威通過詳細數(shù)據(jù),研究下到底孰強孰弱?設計過程中有哪些的注意事項?

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一)受力分析

當螺栓螺母在擰緊的過程中,會將扭矩轉化為軸向力,軸向力最后會由相互嚙合的螺紋(內(nèi)螺紋和外螺紋)承受。

受力狀態(tài)如下圖所示,軸力會轉化為內(nèi)螺紋和外螺紋的剪切應力。

如果螺栓和螺母材料完全相同,因為螺栓的受力面積比較小,在相同作用力的情況下,螺紋更容易滑牙和斷裂。

那么,實際情況是什么樣的呢?

我們需要用數(shù)據(jù)來支撐。

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二)螺拴和螺母的力學能力分析 

最直接反應材料孰強孰弱的性能參數(shù)之一是硬度。
通常,8.8級以上的螺栓和8級以上的螺母屬于高強度緊固件,為了保證零件的硬度,需采用合適的熱處理工藝。
下表為螺母和螺栓的強度數(shù)據(jù)。
1)尺寸小于M16的8級的螺母硬度為200-302HV,尺寸小于M16的8.8級的螺栓硬度為250-320HV;
2)尺寸小于M16的10級的螺母硬度為272-353HV,尺寸小于M16的10.9級的螺栓硬度為320-380HV。
從對比來看,螺母的硬度略低于螺栓的硬度,也即是螺栓的強度更高。

螺母硬度

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螺拴硬度

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那么,是不是螺栓硬度和強度較高,在擰緊過程中就更不容易被破壞呢?

我們需要再介紹另一個力學參數(shù)-保載力,保載力是反應螺紋抗剪切力的重要參數(shù)。
檢測時,將被檢測緊固件加載至指定載荷數(shù)值,停頓15s后,看對手件能否自由的從被檢測零件中自由旋出,如果能自由旋出,則證明螺紋強度良好;如果不能自由旋出,則證明螺紋強度較弱。
下表是螺栓和螺母的保載力要求。
1)M10強度8級的螺母保載力要求數(shù)值為50500N,M10強度8.8級的螺栓保載力要求數(shù)值為33700N;
2)M12強度10級的螺母保載力要求數(shù)值為88500N,M12強度10.9級的螺栓保載力要求數(shù)值為70000N。
從兩組對比數(shù)據(jù)上看,螺母的保載力是均高于螺栓的保載力,即螺母的抗剪切能力高于螺栓的抗剪切能力。
雖然從材料強度上看,螺栓的強度略高于螺母強度。但在實際擰緊時,因為螺母的保載力更高,螺牙承受能力更強,這使得螺栓通常先被破壞。

螺母保載力

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螺拴保載力

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經(jīng)常也有朋友會問,粗牙螺紋和細牙螺紋哪個承載能力更強?
我們還是通過數(shù)據(jù)來解析。
下表為細牙螺紋的保載力要求,
1)10.9級M10*1的螺栓保載力要求是53500N,
2)10.9級M10*1.25的螺栓保載力要求是50800N,

3)而10.9級M10*1.5粗牙螺紋的保載力為48100N(見上表)。

通過對比來看,螺紋的螺距越小,其承載能力則會越強。

細牙螺拴保載力

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三)螺拴設計的注意事項

要選用對應等級的螺紋進行配合

螺栓和螺母配合時,其通常的配合原則如下表所示。

例如,當采用的螺母等級為8級時,螺栓的最高等級只能是8.8級,這樣能保證螺母的載荷承受能力始終大于螺栓。

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輕金屬內(nèi)螺紋連接螺栓時,應選用合適的配合長度并做螺紋孔強度校核

鋁合金的硬度一般在60-80 BHN,其硬度遠低于配合的螺栓。

因此螺紋孔較常見的一種失效模式是螺紋孔滑牙,如下圖所示。

當出現(xiàn)螺紋孔滑牙時,其返工和維修的難度相對較高,因此設計時需遵循一些規(guī)則。

如下表所示,鋁、鎂合金零件的配合長度要達到2.0-2.7d,相較于鋼螺母的配合長度0.8-1d,配合長度有了明顯的提升。

配合長度的增加可以有效的防止螺紋孔滑牙,即使過載擰緊的連接副,首先失效的是螺栓,而非內(nèi)螺紋。

設計的螺紋孔在批量使用前,可采用重復擰緊的方法來驗證螺紋孔強度(具體方法之前文章有詳細介紹)。

實驗過程中,螺紋不允許出現(xiàn)滑牙或脫扣,擰至失效時,要求螺栓斷裂在螺紋處,新螺栓仍可以輕松擰入。

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四)如何通過曲線看螺紋失效模式
將螺紋連接副擰至失效時,常見的失效模式有螺栓斷裂和螺紋滑牙,兩者的曲線分別有什么特征呢?
如圖1 紅框中所示,在擰緊的最后階段,扭矩出現(xiàn)突然跌落,并接近零,這類失效模式一般為螺栓斷裂。
如圖2 紅框中所示,在擰緊的最后階段,扭矩相對緩慢的降低,且扭矩跌落過程中,還會伴隨扭矩階段性升高,最終的扭矩一般是高于零,這類失效模式一般為螺紋滑牙。
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五) 法士威的總結

1)為了便于維修和返工,螺母的設計保載力會高于螺栓的設計保載力,過載擰緊時,螺栓會首先失效。

2)設計螺栓螺母連接時,應該遵循相應的配合準則,即螺栓的級別小于或等于螺母的級別。對于輕金屬連接的內(nèi)螺紋孔,螺紋嚙合長度應滿足一定尺寸要求,同時可通過重復擰緊的方法來校核螺紋孔的強度。

3)螺紋連接副擰至失效時,當擰緊扭矩出現(xiàn)突然跌落,其失效模式通常是螺栓斷裂;當扭矩相對緩慢的降低,還伴隨階段性扭矩升高,其失效模式一般為螺紋滑牙。


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