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螺栓配合螺母到底孰强孰弱

螺纹配合广泛应用在各类零件的连接。但如果设计不当,生产过程不佳,也会产生如滑牙、断裂等失效现像。

各位朋友可能会有这样的疑问,螺栓和螺母在配合的过程中,谁会更容易失效呢?

今天,法士威通过详细数据,研究下到底孰强孰弱?设计过程中有哪些的注意事项?

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一)受力分析

当螺栓螺母在拧紧的过程中,会将扭矩转化为轴向力,轴向力最后会由相互啮合的螺纹(内螺纹和外螺纹)承受。

受力状态如下图所示,轴力会转化为内螺纹和外螺纹的剪切应力。

如果螺栓和螺母材料完全相同,因为螺栓的受力面积比较小,在相同作用力的情况下,螺纹更容易滑牙和断裂。

那么,实际情况是什么样的呢?

我们需要用数据来支撑。

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二)螺拴和螺母的力学能力分析 

最直接反应材料孰强孰弱的性能参数之一是硬度。
通常,8.8级以上的螺栓和8级以上的螺母属于高强度紧固件,为了保证零件的硬度,需采用合适的热处理工艺。
下表为螺母和螺栓的强度数据。
1)尺寸小于M16的8级的螺母硬度为200-302HV,尺寸小于M16的8.8级的螺栓硬度为250-320HV;
2)尺寸小于M16的10级的螺母硬度为272-353HV,尺寸小于M16的10.9级的螺栓硬度为320-380HV。
从对比来看,螺母的硬度略低于螺栓的硬度,也即是螺栓的强度更高。

螺母硬度

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螺拴硬度

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那么,是不是螺栓硬度和强度较高,在拧紧过程中就更不容易被破坏呢?

我们需要再介绍另一个力学参数-保载力,保载力是反应螺纹抗剪切力的重要参数。
检测时,将被检测紧固件加载至指定载荷数值,停顿15s后,看对手件能否自由的从被检测零件中自由旋出,如果能自由旋出,则证明螺纹强度良好;如果不能自由旋出,则证明螺纹强度较弱。
下表是螺栓和螺母的保载力要求。
1)M10强度8级的螺母保载力要求数值为50500N,M10强度8.8级的螺栓保载力要求数值为33700N;
2)M12强度10级的螺母保载力要求数值为88500N,M12强度10.9级的螺栓保载力要求数值为70000N。
从两组对比数据上看,螺母的保载力是均高于螺栓的保载力,即螺母的抗剪切能力高于螺栓的抗剪切能力。
虽然从材料强度上看,螺栓的强度略高于螺母强度。但在实际拧紧时,因为螺母的保载力更高,螺牙承受能力更强,这使得螺栓通常先被破坏。

螺母保载力

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螺拴保载力

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经常也有朋友会问,粗牙螺纹和细牙螺纹哪个承载能力更强?
我们还是通过数据来解析。
下表为细牙螺纹的保载力要求,
1)10.9级M10*1的螺栓保载力要求是53500N,
2)10.9级M10*1.25的螺栓保载力要求是50800N,

3)而10.9级M10*1.5粗牙螺纹的保载力为48100N(见上表)。

通过对比来看,螺纹的螺距越小,其承载能力则会越强。

细牙螺拴保载力

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三)螺拴设计的注意事项

要选用对应等级的螺纹进行配合

螺栓和螺母配合时,其通常的配合原则如下表所示。

例如,当采用的螺母等级为8级时,螺栓的最高等级只能是8.8级,这样能保证螺母的载荷承受能力始终大于螺栓。

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轻金属内螺纹连接螺栓时,应选用合适的配合长度并做螺纹孔强度校核

铝合金的硬度一般在60-80 BHN,其硬度远低于配合的螺栓。

因此螺纹孔较常见的一种失效模式是螺纹孔滑牙,如下图所示。

当出现螺纹孔滑牙时,其返工和维修的难度相对较高,因此设计时需遵循一些规则。

如下表所示,铝、镁合金零件的配合长度要达到2.0-2.7d,相较于钢螺母的配合长度0.8-1d,配合长度有了明显的提升。

配合长度的增加可以有效的防止螺纹孔滑牙,即使过载拧紧的连接副,首先失效的是螺栓,而非内螺纹。

设计的螺纹孔在批量使用前,可采用重复拧紧的方法来验证螺纹孔强度(具体方法之前文章有详细介绍)。

实验过程中,螺纹不允许出现滑牙或脱扣,拧至失效时,要求螺栓断裂在螺纹处,新螺栓仍可以轻松拧入。

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四)如何通过曲线看螺纹失效模式
将螺纹连接副拧至失效时,常见的失效模式有螺栓断裂和螺纹滑牙,两者的曲线分别有什么特征呢?
如图1 红框中所示,在拧紧的最后阶段,扭矩出现突然跌落,并接近零,这类失效模式一般为螺栓断裂。
如图2 红框中所示,在拧紧的最后阶段,扭矩相对缓慢的降低,且扭矩跌落过程中,还会伴随扭矩阶段性升高,最终的扭矩一般是高于零,这类失效模式一般为螺纹滑牙。
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五) 法士威的总结

1)为了便于维修和返工,螺母的设计保载力会高于螺栓的设计保载力,过载拧紧时,螺栓会首先失效。

2)设计螺栓螺母连接时,应该遵循相应的配合准则,即螺栓的级别小于或等于螺母的级别。对于轻金属连接的内螺纹孔,螺纹啮合长度应满足一定尺寸要求,同时可通过重复拧紧的方法来校核螺纹孔的强度。

3)螺纹连接副拧至失效时,当拧紧扭矩出现突然跌落,其失效模式通常是螺栓断裂;当扭矩相对缓慢的降低,还伴随阶段性扭矩升高,其失效模式一般为螺纹滑牙。


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