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行業動態

石家莊博瑞緊固件有限聽聽外國師傅對緊固件頭部強度的介

來源:中華標準件網 - 發布時間:2019-11-18 16:28:49

高強度螺紋緊固件是幾乎所有形式的運輸和工業機械組裝的關鍵部件。幾十年來,行業認可的這些關鍵部件的測量和性能標準已經存在,但最近螺紋緊固件在使用和鑒定測試中的失敗給緊固件的頭部和桿部之間的關鍵區域帶來了新的關注。許多用于汽車和航空航天應用的大直徑(0.5英寸或更高),高強度,外部擰緊的螺栓(六角頭,12點等)已得到高度分析,但低于此閾值的螺栓和螺釘卻很少受到關注。

最近根據歐洲標準制造的M5直徑緊固件的鑒定失敗引起了對這一問題的新關注。航空航天工業一直關注機身結構的重量,機身結構中使用的薄材料需要使用100度沉頭沖頭緊固件。這些薄型頭部以及旨在減輕航空航天,汽車和工業應用中的重量的其他薄型設計-為設計有效的扭矩傳遞機構(內部或外部)提出了獨特的挑戰,同時仍然要確保從螺栓頭-桿的結構完整性。

緊固件標準開發組織和緊固件工程師將注意力集中在開發提供屬性(長度,直徑,頭部直徑,頭部高度等)的零件標準上,這些屬性可以輕松準確地進行測量,以確認形狀和配合要求的一致性。遺憾的是,在不破壞螺栓的情況下,難以精確地測量緊固件桿部和頭部連接處或者和減重孔連接處的關鍵應力區域。

所以,必須就如何計算頭部強度比(headstrengthratio,HSR)以達到頭-桿接合處的最小可接受抗拉強度以及計算中應使用何種方法和可測量數據達成共識。

一、問題

最近審查航空螺釘的認證測試數據(100度沉頭,六葉凹槽,螺紋頭,鈦合金TI-P64001,陽極氧化,涂有二硫化鉬,在環境溫度至350℃時,強度為900兆帕斯卡),發現一批M5直徑螺栓未能滿足所要求的拉伸試驗極限,其中頭部與桿部接合處的失效水平低于要求的失效水平。通過調查發現,在環境溫度至350℃時,強度為1,100兆帕斯卡,這些零件之前已經通過類比標準用于不同的航空螺釘的標準:盤頭,六葉凹槽,粗公差正常柄,中等長度螺紋,鈦合金,陽極氧化,涂有二硫化鉬。

簡而言之,推測的類似標準是針對不同的頭部樣式,不同的桿部配置和更高的材料強度。另外,由于不同的頭部類型和桿部構造,盤頭部件具有與具有螺紋連接到頭部的100度沉頭的緊固件相比具有非常不同的頭部-桿部接合幾何形狀。鑒于這些設計和材料之間的差異,應該使用什么方法或數據,通過類比來鑒定相似或不相似的零件,或者評估給定的頭-桿幾何形狀的潛在拉伸強度呢?

設計不良的頭部和凹部構造可能導致緊固件不能滿足拉伸強度要求,并且在頭部到桿部接合處的失效水平高于預期。

二、定義變量

緊固件的頭部-桿部接合處中影響拉伸強度的變量可以限制為界面的有效幾何形狀,而緊固件螺紋部分的抗拉強度可以基于螺紋部分的有效拉伸應力區域。當從螺紋區域過渡到無螺紋區域時,我們必須定義用于計算緊固件部分的有效拉應力區域的直徑。對于給定的螺紋幾何形狀(例如,10-32UNJF),當它過渡到無螺紋的桿部時,“有效直徑”不同于當它從完全螺紋部分過渡到緊固件頭部的下側時。

在一種螺栓中,螺紋過渡到全身直徑(對于我們的10-32UNJF示例,為0.19英寸)。結果是最弱的拉應力區域出現在螺紋間距直徑一個或兩個螺紋下方的螺紋到光桿過渡處。螺紋節直徑通常等于坯料直徑。

在螺紋一直到頭部的緊固件情況下,最小拉伸應力區域經常發生在整個螺紋和頭部底部之間的區域中或者螺紋到頭部的過渡區域中。這里,有效拉伸應力直徑可以與螺距直徑相同(對于我們的10-32UNJF示例,最小值為0.1658英寸),或者如果該區域是在制造過程中圓角滾動,以減輕在該期間建立的應力,則它可能略小。

這是很重要的,因為對于通螺栓而言,頭部到桿部過渡部中的有效拉伸應力區域的差異將不同于螺紋直到頭部的螺釘。頭-桿過渡和內凹槽之間的有效截面積,或者我們稱之為應力錐,須使用螺栓過渡的較大直徑或全螺紋過渡的較小直徑來計算。

然后,HSR的計算成為螺栓的有效拉伸區域與全桿直徑或全螺紋螺釘的螺距區域的比較。理想地,HSR將始終為1或更大,使得緊固件的拉伸失效總是等于或高于螺距直徑的最小拉伸強度。這確保了在頭部到柄部接合處具有足夠的強度,以避免頭部脫離緊固件并使接頭失效。

用于全螺紋緊固件的螺紋輪廓(陰影區域)和頭部-桿部接合區域中的拉伸應力區域。注意在頭部橫截面中,應力區域從底部直徑(大約是螺距直徑)到凹部底部的最近點。在這種情況下,凹槽實際上是在最靠近頭部-桿部接合處的橫截面區域中的十字形。為了與其它緊固件凹槽驅動系統進行比較,我們將忽略凹槽翼之間的微量添加材料,并且僅使用基于橫截面上翼外徑的圓形區域。

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