螺紋的基本特點

1、螺紋的基本特點螺紋的作用是給予緊固件支承和傳遞載荷的能力。在設計和加工螺紋時，要考慮的幾何特性和尺寸特性有超過125項之多。但是，工程師們只要熟悉其中的 30 種左右，就能通曉各種螺紋并了解其性能。 參見圖 1、 圖 2 、 圖 3（ a1 ， a2 和 a3 頁）另外 a 40 和 a41 頁中圖也有助于對本章的理解。圖2a un外端紋iqn力型0 iffirr 土dmxi 幅才1/f 骨底小耗。*附力的卬iashe ftl 1到寰中現(xiàn)# 眄小桂公稔色-1 i u!lft f. ：+京汪 w%隼桂本la式江w*陰的/m 畫/粒府國2b unr外力蛾:設計牙型螺紋通常是指在內(nèi)，外圓柱體表面上以

2、螺旋線形式制出溝梢或在內(nèi)，外圓錐面上按錐螺線形式制出的溝梢而形成的具有均勻截面的凸 起。在圓柱體上的螺紋稱作直螺紋或圓柱螺紋。 在圓錐體或圓錐截體上的螺紋稱作圓錐螺紋。外螺紋指 螺栓 、 螺絲 和螺柱的螺紋，內(nèi)螺紋主要指 螺母 和自攻孔內(nèi)的螺紋。軸向截面內(nèi)的螺紋結構稱作螺紋牙型（輪廓），它由牙頂、牙底和牙側三部分組成。螺紋牙頂和牙底形成尖v 字型后所構成的三角形。原始三角形高度（ h） j 是指牙頂尖到牙底尖的徑向測量距離。對于統(tǒng)一螺紋， h 為 0.866025 倍的螺距。 h 的主要作用是用于計算螺紋設計參數(shù)。牙頂和牙底都符合尺寸要求的螺紋為完整（全）螺紋。如果牙頂或牙底成型不完全， 稱為

3、不完整螺紋。 這種螺紋一般發(fā)生在螺紋緊固件的末端部和螺紋收尾處，或是在 螺母 和自攻孔的內(nèi)倒角面上。螺距（ p ）是相鄰牙對應兩點間沿螺紋軸線的測量距離。統(tǒng)一螺紋是根據(jù)每英寸的牙數(shù)設計的， 即每英寸長度內(nèi)所出現(xiàn)的完整牙數(shù)。 螺距是每英寸牙數(shù)的倒數(shù)。對于外螺紋，牙頂處的直徑稱為大徑，牙底處的直徑稱為小徑。對于內(nèi)螺紋則正好相反牙頂處的為小徑，牙底處的為大徑。牙側與垂直于螺紋軸線的夾角稱為牙側角。當兩牙側角的角度相同時，該螺紋為對稱螺紋（牙側角稱為牙型半角）。統(tǒng)一螺紋具有30 牙側角，而且是對稱的。常稱作60 螺紋。中徑是牙厚與牙梢寬相等位置通過螺紋的理想圓柱的直徑。對于理想螺紋，這兩個寬度應該相等

4、，均為螺距的一半。對于非理想螺紋， 螺紋的實際中徑（沿螺紋圓周或軸向任意位置處的測量值） 會有變化， 這種變化取決于螺紋牙型的實際偏差，此加工偏差要在允許的極限范 圍之內(nèi)。因此在實際中，螺紋專家在中徑的定義、測量和重要性方面 可能會相互矛盾。但是，在螺紋設計和計算，加工刀具和模具生產(chǎn)以 及螺紋通止量規(guī)和測量中，中徑仍然是一個重要參數(shù)。理想”中徑是中徑圓柱的產(chǎn)物，其軸線就是螺紋軸線。螺紋基本牙型建立了內(nèi)螺紋和外螺紋的絕對邊界。無論內(nèi)螺紋還是外螺紋，突破了這一邊界就會存在潛在的干涉，螺紋可能旋合不良。 正是基于這一基本牙型，通過增加基本偏差和公差，來得到螺紋的極 限尺寸?；酒町a(chǎn)生了配合螺紋間的

5、最小間隙（國際公差標準）。即當 內(nèi)、外螺紋加工至其最大實體牙型時，內(nèi)、外螺紋之間肯定會有一定的間隙。對于緊固件，基本偏差通常用于外螺紋上，即大徑、中徑和 小徑的最大值由于基本偏差的存在而小于基本尺寸； 內(nèi)螺紋的最小直徑-其最大實體牙型-作為基本尺寸。公差是指為方便加工而允許尺寸變化的規(guī)定值。 公差為在最大與最小允許極限值之間的變動量。 因此，對于外螺紋，其最大實體尺寸減去公差（向螺紋軸線方向移動）定義為其最小實體牙型尺寸。 對于內(nèi)螺紋， 其最大實體尺寸加上公差（從螺紋軸線移開）定義為其最小實體尺寸。配合螺紋中，基本偏差與公差的組合決定了配合情況。配合是匹配螺紋間松緊程度的量度。間隙配合可以始終

6、確保裝配后的自由轉(zhuǎn)動。 過盈配合需要特定的螺紋尺寸限制值以使裝配后內(nèi)、 外螺紋間產(chǎn)生過盈力。當外螺紋緊固件裝配入內(nèi)螺紋螺母 或自攻孔時，完整螺紋的軸向接觸距離為螺紋旋合長度。 這些螺紋在徑向上的接觸距離稱作螺紋的接觸高度。螺紋旋合長度和接觸高度都是計算螺紋強度的重要參數(shù)。螺紋系列是幾組彼此不同的直徑一螺距組合，以特定直徑系列和每英寸長度內(nèi)的牙數(shù)來表示。 對于緊固件， 最常用的螺紋系列有統(tǒng)一粗牙、統(tǒng)一細牙和8 牙系列。螺紋的強度- 即支持和傳遞載荷的能力。 螺紋強度與四個應力區(qū)有關。 拉伸應力區(qū)是通過螺紋的假定橫截面， 用于計算緊固件承受拉伸 力的載荷。 拉伸應力區(qū)等同于具有同一材料理論圓柱的橫

7、截面積， 拉伸試驗時，其 機械性能承受等同的極限載荷。 螺紋牙底區(qū)是外螺紋小徑處的截面積。 螺紋牙底區(qū)用于計算橫向剪切或扭轉(zhuǎn)力表示的緊固件強度。螺紋剪切區(qū)（內(nèi)、外螺紋）是通過螺紋牙的有效面積，它與螺紋軸線平行，包括螺紋接觸的整個長度。它承受剪切載荷，阻止螺紋脫扣。 內(nèi)螺紋的剪切面位于外螺紋的大徑處， 外螺紋的剪切面位于內(nèi)螺紋的小徑處。ansi/asme b1.7m 標準給出了螺紋的術語、定義和符號。螺紋選擇指南針對特定的使用條件， 選擇最佳螺紋時有三個因素需要考慮- 螺紋牙型、螺紋系列和螺紋配合等級。螺紋牙型螺紋牙型多種多樣。但對于英制系列 機械 緊固件，只有三種最重要 un、 unr 和 u

8、nj 。它們都是60對稱螺紋。彼此之間的主要區(qū)別是外螺紋牙底輪廓。1948 年以前，美國國家螺紋是北美洲的螺紋標準。 1948 年，美國、 加拿大和英國同意采用一種螺紋系統(tǒng)替代美國和加拿大用的美國螺紋以及英國的惠氏螺紋。 他們稱這一新螺紋系統(tǒng)為統(tǒng)一螺紋， 這正是今天通行全球的英制緊固件螺紋標準。統(tǒng)一螺紋牙型實際上與已廢除的美國國家螺紋的相同。按照兩個 標準生產(chǎn)的緊固件在功能上是可以互換的。un 螺紋un 螺紋牙型， 正像最初設計的那樣， 在外螺紋牙底處有平輪廓和圓形輪廓兩種。 每個國家可以根據(jù)本國的標準來選擇。 美國趨向于選擇平牙底， 雖然普遍認為如果將牙底做成圓角可以減少應力集中。 但經(jīng)濟上

9、會有所付出。 滾絲牙板和刀具都很昂貴， 如果用圓牙頂?shù)哪＞邅砩a(chǎn)緊固件螺紋的圓牙底，無疑會多多少少增加成本。另外，也有爭論說，新刀具會磨損，加工幾百個工件后，牙頂便會被磨圓，再加工出的螺紋便會開始接近理想的牙型輪廓。unr 螺紋20 世紀 50 年代，緊固件性能的要求急劇提高，尤其是在容易產(chǎn)生疲勞載荷的場合， 緊固件的安全性是關鍵因素。 提高緊固件的抗疲勞性能勢在必行。 一個顯而易見的方法就是要求外螺紋牙底輪廓做成規(guī)定的圓弧。這便導致設計和引入了一套改進的螺紋牙型 -unr ，它與 un 唯一的不同在于其強制性地要求最小圓弧半徑（極限值0.108 0.144倍的螺距）。最小半徑（0.108p）

10、是能夠與un牙型配合而不超出外螺紋最小實體牙型的最寬半徑。最大半徑（ 0.144p ）是指在最大實體牙型下能夠容納而不產(chǎn)生與內(nèi)螺紋的理論間隙的最寬半徑。初次接觸時， 要特別注明是unr 螺紋， 以確保交貨時緊固件為圓弧牙底。但是如今，無論是否標明是unr ，事實上公稱尺寸為lin 和更小的緊固件， 100% 都是 unr 螺紋。這是因為這類尺寸的緊固件通常采用滾壓螺紋， 現(xiàn)在的標準規(guī)定滾絲板為圓牙頂。 對于較大尺寸緊固件，除滾絲外，螺紋可以車削加工。如果需要圓弧牙底，必須特別指出是unr ，否則供貨很可能是un 螺紋。unk 螺紋unr 螺紋出現(xiàn)后不久，又經(jīng)過了進一步修改，定義為 unk 。u

11、nk 螺紋只是比 nur 更精密，牙型和牙底圓弧半徑極限值與nur 完全相同。其區(qū)別在于外螺紋的小徑有偏差，必須檢查牙底，以確保圓弧半徑在規(guī)定的極限值范圍內(nèi)。 unk 螺紋已用于圓柱頭 內(nèi)六角螺絲 和沉頭 螺絲 標準。1979 年螺紋通止量規(guī)系統(tǒng) （見 a-63 頁 asme b1.3m ） 建立后，unk 螺紋開始被淘汰。原因是用量規(guī)系統(tǒng)22 檢測 unr 螺紋（與通止量規(guī)系統(tǒng)的目的是相同的）可以代替unk 螺紋。unj 螺紋unj 螺紋的設計來源于優(yōu)化螺紋牙型的研究- 即在不損失靜強度特性的條件下具有超常的抗疲勞性能。 換句話說， 牙底圓弧的作用能發(fā)揮多大？其結果是一種新的牙型誕生，定義為

12、 unj ，牙底圓弧半徑極限值0.150-0.180 倍的螺距。具有這種增大圓弧，外螺紋小徑就會增大并超出 un 及 unr 螺紋的基本牙型。結果，為避免配合螺紋間出現(xiàn)過盈， unj 內(nèi)螺紋的小徑不得不隨著增大。這意味著unj 螺紋的螺紋接觸高度會稍微縮短。但是，通過采用 3a/3b 級螺紋公差（ unj 螺紋所用標準公差）可以補償此強度損失。這一公差標準可以使內(nèi)、外螺紋的最小實體牙型優(yōu)化。unj 螺紋現(xiàn)在是航空緊固件標準，在高度專業(yè)化的工業(yè)應用中有時也有使用。螺紋配合un 內(nèi)螺紋應與 un 和 unr 外螺紋配合。實際上，不存在unr內(nèi)螺紋。理論上， un 內(nèi)螺紋不能與 unj 外螺紋裝配。

13、但是，很多大型緊固件應用商多年來一直采用這種組合并沒有發(fā)現(xiàn)問題。 計算機研究也證實，成品加工件之間的實際過盈危害可以忽略不計。盡管如此，不建議采用這種配合，尤其是帶有涂層的緊固件。unj 內(nèi)螺紋可與 unj 外螺紋裝配，也可與un 配合。但是，后者配合在使用時應該小心，因為 unj 內(nèi)螺紋增大的小徑會減小外螺紋的螺紋牙底區(qū)抗剪切強度。對牙底圓弧半徑的其他一些認識對于 un 螺紋， 沒有規(guī)定牙底圓弧半徑， 牙底可能是平的。 對于 unr 螺紋，最小牙底半徑為 0.108p ，對于 unj 螺紋為 0.150p 。很難想象如此微小的差異會如此重要，但確實是這樣。外螺紋牙底成圓弧會稍稍增加緊固件的靜

14、拉伸強度。原因是幾何形狀。隨著圓弧半徑的增大，小徑增大而且螺紋的截面積也增大。但是，這種面積增大十分微小，可以忽略。在應力計算中，所有牙型都用同一拉伸應力面積。牙底做成圓弧的最主要作用是增加緊固件的抗疲勞性能。通常， 機械 緊固件在連接裝配后都要承受某種程度的動載荷。只有極其個別的情況保持靜載荷，完全不受應力波動、振動、 橫向應力、沖擊或碰撞的影響。 幸好， 只在極少數(shù)連接設計中單純把緊固件自身的疲勞特性做為主要考慮因素。但就是在這類場合也不能忽視任何提高抗疲勞性能的機會。 這正是牙底做成圓弧的原因。 牙底圓弧半徑越大，緊固件的抗疲勞性能越好。應力區(qū)內(nèi)的疲勞失效通常發(fā)生在高應力集中區(qū)-例如槽口

15、或橫截面形狀劇烈變化處。對于螺紋，截面變化和螺紋牙底都相當于槽口，特別容易受到損傷。 螺紋牙底的應力集中程度最高。 應力集中系數(shù)的大小直接與牙底是否要加工成圓弧相關。計算螺紋的應力集中系數(shù)是一項極其復雜的工作。結果也不總是可靠的。因此，已經(jīng)利用物理的研究方法，如光彈性分析，來研究螺紋圓弧對抗疲勞性能的影響。 一個普遍認可的結論是： 當所有參數(shù) （如緊固件尺寸、螺距、材料、加工方法等）一致，唯一不同是牙底圓弧時，應力集中系數(shù)能夠從尖底或平底un 螺紋的 6 降為 unj 螺紋的3。即只將牙底加工成圓弧就可能使抗疲勞壽命提高2 倍。研究還表明，這一論點適用于所有強度等級的緊固件。內(nèi)螺紋牙底通常不為

16、圓弧。規(guī)定牙底圓弧就意味著要用圓牙頂攻絲。這樣做額外費用會增加成本。幸好在常規(guī)設計的 螺栓 、 螺母 連接組合中， 螺母 的強度要大于 螺栓 ，其目的是萬一發(fā)生失效，總是外螺紋件失效。要更好理解這點，請參考b 30 頁的 螺栓/螺母可容納性概論。螺紋系列螺紋系列是幾組直徑/螺距的組合，由一系列直徑和每英寸的牙數(shù)來區(qū)分。統(tǒng)一螺紋系統(tǒng)有11 個標準螺紋系列。只有3 種對機加工緊固件最重要粗牙（unc）,細牙（unf）和8牙（8un）。如今的統(tǒng)一粗牙螺紋是以 19 世紀中期惠氏發(fā)明的螺紋系列為模板。他選擇相對粗大螺距的螺紋，多半是由于當時有限的加工水平。多年之后，隨著生產(chǎn)能力的提高，生產(chǎn)更精密、更細

17、螺距的螺紋成為可能。 出現(xiàn)了許多專用螺距系列， 現(xiàn)在稱為統(tǒng)一細牙系列是最受歡迎的一種。隨著螺紋加工技術的提高，兩種螺紋系列（粗牙和細牙）顯然不能滿足所有的工程應用。 結果， 螺距系統(tǒng)中又加進許多恒定螺距系列，8 un 就是其中之一。這種系列只有一個螺距，適用于系列 內(nèi)所有直徑。細牙與粗牙螺紋細牙與粗牙螺紋各自的優(yōu)點一直是緊固件業(yè)界激烈爭論的問題。支持細牙螺紋的人指出：1由于拉伸應力區(qū)面積較大，細牙的抗拉強度較高。2由于細牙的小徑較大，抗扭轉(zhuǎn)和橫向剪切強度的能力較高。3細牙螺紋能夠更好地擰入薄壁工件，擰入硬制材料也更容易。4因為其螺旋線角度較小，可以更接近調(diào)整精度。達到螺栓 頂載荷所需力矩較小。

18、在容易出現(xiàn)振動的場合防松性更好。在后幾項討論中，第一點（調(diào)整精度）是明顯的。其他兩點（力矩小和防松） 不太具有說服力。 因為相對于以防松影響更大的其他因素，粗牙和細牙在這點上的區(qū)別很小。支持粗牙的列舉了下列優(yōu)點：1在相同接觸長度上，粗牙螺紋的抗剪切強度較高，尤其是內(nèi)螺紋。2因為隨著螺距增大，牙底處的應力集中系數(shù)減小，粗牙產(chǎn)品應該表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能。3粗牙更能承受搬運和船運過程中的野蠻作業(yè)。4螺紋不容易交錯，安裝和拆卸更快更容易。5當發(fā)生 螺母 加載膨脹而引起有害的螺紋旋合長減小時，以及由于腐蝕造成強度減小時，粗牙更具保護性。6 2a/2b 等級配合使螺紋具有較大的最小間隙，允許螺紋進行較厚

19、的涂層或鍍層。7對于易碎或易剝落的脆性材料，粗牙更適合。上述爭執(zhí)持續(xù)多年，無論是粗牙還是細牙哪一方都沒有獲得絕對的支持-一個合理的說法是：都有優(yōu)缺點。過去20 年可以看出趨勢現(xiàn)在已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?粗牙螺紋更受歡迎。 其原因主要是由于簡單的螺紋更具經(jīng)濟效益，而并非具有其他技術優(yōu)勢。在北美，尺寸小于 no （0.190in ）和大于 lin 的細牙緊固件實際上是不存在的。 粗牙緊固件在從最小尺寸到最大尺寸范圍內(nèi)的所有緊固件產(chǎn)品中都普遍存在。對于大于 lin 的緊固件， 8 牙系列和粗牙螺紋同樣受歡迎。螺紋配合等級螺紋配合是匹配螺紋間的松緊程度。配合等級是內(nèi)、外螺紋基本偏差與公差的特定組合。統(tǒng)一英制

20、螺紋的外螺紋有3 個螺紋等級-1a ， 2a ， 3a ；內(nèi)螺紋也 有 3 個等級。全部為間隙配合，即無過盈裝配。等級數(shù)字越大，配合越緊。代號”除示外螺紋，代號”限示內(nèi)螺紋。1a和1b級配合是最松配合， 3a 和 3b 配合是最緊配合。另外，還有一種 5 級螺紋配合。 5 級配合是一種過盈配合，即內(nèi)、外螺紋尺寸非常精確，配合螺紋間產(chǎn)生過盈配合。 5 級過盈配合僅適用于 lin 和更小尺寸粗牙系列螺紋。 參見 a-86 頁的 asme/ansi b1.12。1a/1b 等級1a 和 1b 等級是松配合螺紋公差，僅外螺紋有基本偏差。當快速簡便的安裝與拆卸作為設計考慮的首選要素時， 這些螺紋最適用。

21、 它們僅適用于 1/4in 和更大尺寸系列的粗牙和細牙螺紋。這些等級很少用于機加工緊固件。 實際上， 整個北美洲生產(chǎn)的緊固件中采用這種配合等級的可能不超過0.1% 。2a/2b 等級到目前為止，在英制機加工緊固件中 2a 和 2b 是最受歡迎的螺紋等級。北美生產(chǎn)的所有商品級和工業(yè)用緊固件中差不多 90% 采用這種螺紋配合。 2a 級外螺紋有基本偏差。 2b 級內(nèi)螺紋無基本偏差。對于絕大多數(shù)工程應用， 2a 和 2b 級可提供最佳的螺紋配合，使緊固件性能、加工方便性和經(jīng)濟性之間達到最大平衡。3a/3b 等級3a 和 3b 等級螺紋適用于緊公差緊固件，如 內(nèi)六角螺絲 ，定位 螺絲 ，航天用 螺栓

22、和 螺母 、連接桿 螺栓 及其他高強度 螺栓 。在這些工作場合中，安全性是設計首選要素。 3a 和 3b 級具有最嚴格的公差，無基本偏差。螺紋配合的其他問題一種螺紋配合的錯誤理解認為：公差越緊，配合越緊，裝配質(zhì)量 越高，工作性能越好。但是，這好像是一個幻覺，看起來明明對，但 常常錯誤的。設計人員優(yōu)先選擇緊配合螺紋可能會產(chǎn)生意料不到的裝 配問題，并增加不必要的成本，還有其他各種原因。圖4是1/2-13 unc螺紋公差與基本偏差的對應關系。對于外螺 紋，1a和2a等級有基本偏差，3a級沒有。1a公差比2a級大50% , 3a級只有75%。對于內(nèi)螺紋，3個等級都沒有基本偏差。2b公差比 2a級大30

23、%。 1b級比2b級大50% , 3b級為75%。e3d-r-35國4i/2-13 iac事統(tǒng)點含等貨中.中拴u萬公*加對應走算.表1螺紋應力區(qū)一一統(tǒng)一英制螺紋公稱尺寸，每英寸牙數(shù)反螺紋系列.a .a ：as ,as投伸應力. 面積 麗，螂紈牙底 面根sjotl-s螂故抗胡切面導 橘英寸旋合氏度上的面株 以也川外螺墳、內(nèi)螺坡.，class.2aclass.i 3a .class. 2b,c1455.i3b：17 總-9 xunc.0.462.0.419n1.43.2d3.x2叫7國14 1unf；口力二o4bo7n.44;一1由；口第；2j0371-8.uhc.口面6.oj5s1,1絡is2.

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29、4*7,umc，口目由-090，2.11.2,30-2.94 .，3.02，un,1.000.0.929 ,2.12 ,2.33.2.92,3 00 .1-3%b，unc，1,18，】g，2.34,2.52.3,27-3至11-3je-8 ,ju1 23,】16,234,2.58：3.21 .330、1-126，umc ,141.,1.292.5s ,2.77.%門，3.65,1-13，un z1.49.1.41.2.57，2.84-3 50.3.61.，1-5je-sunc .1.78，1.6!2 80.3.10.3.79 工3.91.1白再勒unx190，1.74.3.043,24-4,2

30、0 工4.30.1-8,unc .208；1 96,3 tn,3.35,4.%421 .l7jeun,2.41.,2.303.25,3.63.4.37,4.50,unc ,250，2.30,3 s3，3.72.4.83.4.93.部盯un?節(jié)7 :26573.43,3.延4匹4名2-1庫4-1 口,umc，3.25 ：3.02.4,02，4.23-5.44 -.55s.2-1j4-8,un,356,342,3 93 ,4.37.5.245 40.第124，uhc，4.00.3.72,.4.50 14m6.07.6.20,2-1j2-8 ，unl4.44 .14.29.,438 r4.87.,5

31、.81.6 00,還4；uhc .4,934 2.,4.995.22,6.6&、6.e2沁&，un，5.43，5 62 .生53，538.亂泄，6 co.34unc.,5.9?.,“2542,5.74.,7.29.7 44.3-8.,un?6.51，&32；5.2b.x5.8s ;6,95：7.20,3-14.,unc.,710，612 r5 9?,424 -190,s06,至 1w8：un17.69 7.49.上73 ；407.53.7.79.,隼1m，unc h&33，792，6.47.6.77,8.51.8 68 ,3-1/2-e,un8 96s.75,619.690,e.10,6 35

32、.工事44，unc，9.669.21,6.95,工29，9.11 9.31.,3.38.,un.10.34.10.11 ,5el ,7 .41.,a67.r9注，4.4unc .1】08 ,10.17.44 ;7.81.5.71,9.92,4-8.un，1151，1157，7.07,7,91，s.24 ,9.57.見胸.r，2 ,3.4 . 6,5 . 6,注：1.在統(tǒng)一螺紋系統(tǒng)中，1 12unf是英制細牙螺紋標準。1 14uns被認為是特殊的直徑/螺距組合。但是，所有北美生產(chǎn)的lin細牙 螺紋產(chǎn)品都優(yōu)先選擇1 14uns。2 as =0.7854 （ d ） 2其中，人5=拉伸應力面積，sq

33、. in.d=螺紋公稱直徑（其中大徑），in.n=每英寸牙數(shù)3 ar=0.7854 （ d ） 2其中， ar =拉伸應力面積，sq. in.d=螺紋公稱直徑（其中大徑），in.n=每英寸牙數(shù)4 ass=3.1416?le?kn max. n +0.57735（es min kn max）其中，ass=外螺紋抗剪切面積，sq. in.le =螺紋旋合長度， in.n=每英寸牙數(shù)kn max = 內(nèi)螺紋小徑最大值， in.es min=外螺紋中徑最小值，in.5 asn=3.1416?le?ds min?n +0.57735 （ds minen max） 其中， asn= 內(nèi)螺紋抗剪切面積， s

34、q. in.1$=螺紋旋合長度，in.n=每英寸牙數(shù)ds min=外螺紋大徑最大值，in.en max= 內(nèi)螺紋中徑最小值， in.6 kn、 es、 ds 和 en 的值參見a 46 頁的 asme b1.1強度配合螺紋的強度取決于螺紋旋合是否具有足夠的旋合長度和接觸高度。接觸高度指徑向重迭距離，旋合長度是（縱向）軸向接觸的螺紋數(shù)量。參照各種不同的螺紋等級，很明顯，緊公差配合等級3a/3b 的承載能力更強一些。但這并不完全正確，實際上，估計不出最緊與最松配合間拉伸強度的變化。 原因是每個等級的允許公差帶內(nèi)大部分是相同的。20 世紀 40 年代， ifi 的一名顧問，麻省技術研究所的 e.a

35、.bucki ngham 教授對不同尺寸和材料的緊固件做了一系列拉伸強度試驗。唯一的變量是螺紋配合。 他總結到： “就這些拉伸試驗來看， 1 級配合和 3 級配合一樣好。 如果螺紋為脆性材料， 采用比 1 級更緊的公差并沒有任何優(yōu)勢。 ”當然， buckingham 教授當時試驗的緊固件采用的是已經(jīng)淘汰的美國國家螺紋牙型。但是，這些緊固件配合與統(tǒng)一螺紋系統(tǒng)是相同的。他補充到：“沒有任何明確的試驗數(shù)據(jù)能夠支持這樣的觀點，即直徑上的螺紋配合越緊，直徑公差越小， 螺栓 和 螺母 裝配后強度越大。 ”他接著說到，“有時較松的配合比緊配合表現(xiàn)出更高的彈性極限載荷承載能力。這可能是由于較松配合的額外間隙允

36、許兩體相對對方進行各自定位，這使得載荷分布更均勻。 ”40 年過去了，其他各項研究已逐漸完善。 1996 年， ifi 發(fā)表了一份研究報告： 螺紋幾何形狀對緊固件性能的影響。 這項研究探討了 螺母 中徑尺寸對典型的拉伸型航天連接件強度和性能的影響。 還探討了商品級 螺釘 和 螺母 組合中不同中徑尺寸對強度和性能的影響。 還額外進行了只有螺紋尺寸為變量的強度和性能標準試驗。 1996 年， asme 還發(fā)表了一個報告： 用于確定螺紋標準一致性的螺紋量規(guī)系統(tǒng)。 所有這些研究都基本上支持buckingham 的發(fā)現(xiàn)， 沒有出現(xiàn)強有力的反駁-反對 buckingham 結論的正確性。雖然不同的螺紋配合

37、在抗拉強度方面可能不會表現(xiàn)出明顯的差異，它們在搞螺紋剪切能力上卻有很大區(qū)別。外螺紋開始剪切時，通常發(fā)生在由內(nèi)螺紋小徑產(chǎn)生的圓柱面內(nèi)。同樣，內(nèi)螺紋剪切發(fā)生在外螺紋大徑處。用最小實休牙型來計算螺紋剪切面積，結論是無基本偏差且緊配合的 3a/3b 等級可有更多的面積來抵抗剪切。 3a/3b 等級與 2a/2b等級之間差異是顯著的。例如， 1/2 13 unc 2a 螺紋剪切面積為每英寸旋合長度0.779 sq. in . ； 1/2 13 unc 3a 為 0.854 sq . in;比2a級增大近10%。對于1/2 13 unc內(nèi)螺紋，2a級的螺紋剪切面積為每英寸旋合長度1.12 sq . in

38、. ； 3b 為 1.6 sq . in . ，增大 3.6% 。這種情況在粗牙和細牙的所有緊固件尺寸系列中都很典型（見表 1 ）。應盡可能避免出現(xiàn)螺紋剪切失效的任何可能， 有些應用場合， 由 3a/3b 節(jié)約用水螺紋得到的增強抗剪切性能可能非常重要。鍍層和涂層很大部分緊固件帶有鍍層和涂層，以提高耐腐蝕性和改善外觀。鍍層和途層是有厚度的，會增加減小零件的尺寸。螺紋緊固件的鍍涂層在以后的章節(jié)中有詳細的討論。這里要提到的是，一般情況下對于商品級的鍍涂層， 2a 級外螺紋上的基本偏差（通常允許用它來容納鍍涂層） 已經(jīng)是很充分， 螺紋不需要進行專門調(diào)整尺寸。因為 3a 級螺紋沒有基本偏差，鍍涂后的螺紋

39、可能會出現(xiàn)無法裝配現(xiàn)象。因此，在螺紋加工過程中，最基本的注意事項就是確保鍍涂后 3a/3b 級緊固件的最后裝配問題。高溫暴露于高溫環(huán)境中（通常超過500 f ）的緊固件，要求配合螺紋間具有一定的最小間隙， 以提供熱膨脹空間， 使螺紋的擦傷和咬死現(xiàn)象減至最低。這一點對于需要經(jīng)常拆卸和安裝緊固件的場合尤其重要。高速旋轉(zhuǎn)擰緊，例如車輛裝配線，由于配合螺紋間的摩擦力，緊 固件在裝配過程中會產(chǎn)生熱量。配合越緊，摩擦越大。搬運和船運大多數(shù)緊固件在實際應用前都會受到多次野蠻搬運。外螺紋很容易出現(xiàn)缺口或者表面受到損傷。 雖然這對于強度等級沒有影響， 但緊固件裝配的通暢性會被削弱。 相對于沒有基本偏差的螺紋，

40、帶有基本偏差的螺紋能夠彌補這些損傷。具有良好延展性的低強度和中等強度材料緊固件， 如果采用 2a 級螺紋，其優(yōu)點會更突出。原因是基本偏差連同其較自由的公差，可以在配合螺紋之間留有較大的空間， 以補償局部屈服、 螺紋彎曲和其他彈性變形。當有應力產(chǎn)生時，螺紋彼此調(diào)整，會使載荷分布更均勻。相反，較高強度的緊固件其延展性較低，應該選擇緊配合螺紋。加載工作載荷時， 緊配合可以容納螺紋， 使發(fā)生變形的可能性降至最低。這也是航天標準件 采用 3a/3b 級螺紋的主要原因。振動看起來好像越緊的螺紋配合能夠不松脫而承受振動，抗震性要好于有基本偏差和較大公差的螺紋?；蛘咧辽傩阅芟喈敗＿@可能正確，但是除了螺紋配合，

41、 還有其他更可行和花費更小的技術手段來防止松動。成本有充分理由說明，公差越緊，成本越高。鍍涂螺紋鍍涂層增大或減小螺紋的尺寸。如果鍍涂層過厚，配合螺紋間會發(fā)生過盈，因此在進行鍍涂前，螺紋尺寸必須做一些調(diào)整以利裝配。在北美，與螺紋鍍涂有關的一些原則大致如下：1除非內(nèi)、外螺紋帶有厚涂鍍層，例如熱浸鍍鋅和 機械 沉積鋅涂層，鍍涂后螺紋尺寸不能超出基本牙型邊界。2除非緊固件采購商事先有特別的規(guī)定，2a 級外螺紋所規(guī)定的基本偏差可以用來容納鍍涂層。即鍍涂后螺紋的最大直徑為基本尺寸，即與 3a 級螺紋規(guī)定的相同。3在有些情況下，鍍涂后要求保持2a 級基本偏差。這時要修改螺紋標記，在后面添加字母“ g?！?2

42、ag 螺紋為鍍涂螺紋，與非鍍涂2a 級螺紋所規(guī)定的尺寸極限相同。4 鍍涂后必須保持1a 級的基本偏差。 因此， 1a 級螺紋不管是否鍍涂，尺寸極限是一樣的。5 3a 級外螺紋和所有等級內(nèi)螺紋沒有基本偏差，基本偏差為零。這意味著1a、 2ag 和 3a 外螺紋的最大直徑以及1b、 2b 和 3b 內(nèi)螺紋的最小直徑， 在鍍涂前必須進行調(diào)整， 以提供必要的空間來容納鍍涂層厚度。6如果鍍涂層較厚，利用基本偏差和/或 “適當 ”調(diào)整公差方法還不能方便地容納厚鍍層，則儔作法是內(nèi)螺紋超出，而不是削減（減?。┩饴菁y。 即鍍涂后， 外螺紋的最大實體牙型尺寸允許超出基本牙型邊界。對于 60 螺紋， 螺紋牙側進行均

43、勻鍍涂的后果是增加外螺紋的中徑（ 4 倍的鍍涂層厚度）。對于內(nèi)螺紋，中徑有一定的減?。▓D 5 ）。商品級鍍涂層厚度通常用公稱或最小值表示， 很少用最大值表示。而且，大多數(shù)鍍涂層不是均勻的。因此，通常假下鍍涂層對螺紋中徑的尺寸影響為 6 倍的額定或最小鍍涂層厚度。 根據(jù)這一原則， 如果鍍涂層所具有的額定或最小厚度等于或小于螺紋基本偏差的 1/6 ，它就可以被 2a 級螺紋所容納，就不需要再進行調(diào)整尺寸。例如，商品級電鍍鋅額定厚度為 0.00015in. 。因此，任何規(guī)定基本偏差為 0.0009in 或更大的 2a 級外螺紋（ 8 32unc ， 10 32unf 及所有大尺寸螺紋）都能容納這一鍍

44、涂層厚度。如果規(guī)定的螺紋基本偏差除以 6 可以容納鍍涂層的額定厚度，就 不需要規(guī)定特殊螺紋的尺寸。如果 2a 螺紋的鍍涂層厚度走出了基本偏差所允許的容納范圍 （包 括內(nèi)、外螺紋在內(nèi)的所有螺紋等級），則需要在鍍涂前調(diào)整螺紋的尺寸極限值。詳細推薦值見a56 頁 asme b1.1 第 7 章。檢查 “鍍涂后 ”尺寸時， （包括外螺紋和內(nèi)螺紋在內(nèi)的）所有等級螺紋使用同一量規(guī)進行檢驗。同一等級螺紋，無論有無鍍涂層，測量要求是相同的，但只有兩種情況例外。第一種情況是2a 級外螺紋，鍍涂后的接受條件是3a 級通規(guī)和 2a 級止規(guī)。另一種例外是極厚鍍涂層螺紋。如上所述，容納較厚鍍涂層時，北美的作法是增大內(nèi)螺

45、紋攻絲尺寸，而不是減小外螺紋尺寸。這樣做有兩點好處。第一，雖然增大內(nèi)螺紋的攻絲尺寸和外螺紋的切削深度都會削弱配合螺紋的強度。但是，在 螺栓/螺母組合中，因為 螺母 的強度通常較高，在不犧牲整體強度前提下， 螺母 強度有些損失是可以接受的。如果增加 螺栓 螺紋切削深度，則整體配合強度的損失就是不可避免。第二個原因純粹是經(jīng)濟原因。大多數(shù)熱浸鍍鋅和 機械 鍍鋅緊固件都是從無鍍涂制成品再加工得到的。 只有極少數(shù)的情況 螺栓或 螺母是有意加工成厚鍍涂層來滿足隨后的應用。 如此特殊加工在數(shù)量上很難控制，而且客戶要求的鍍涂層厚度經(jīng)常變化。庫存 螺栓 螺紋通常是2a 級公差，庫存螺母 要么帶未攻絲的盲孔（以后

46、攻絲），要么是2b級螺紋。這樣， 在成品 螺栓 上進行鍍涂，由成品 螺母 攻絲或再次攻絲以容納鍍涂 螺栓 的厚鍍層要求的做法， 比通過增加 螺栓 螺紋切削深度來削減尺寸方法要便宜的多。厚鍍涂層緊固件螺紋的尺寸調(diào)整以及尺寸檢測， 內(nèi)螺紋見 b 167頁， astm a563 ；外螺紋見 b 90 頁， astm a307 ； b 97 頁的 a449 。螺紋的檢驗驗收螺紋有兩個功能。它們必須能夠裝配上，裝配后必須能夠承受一定的載荷。螺紋的可裝配能力只與其尺寸特性有關。 其強度是尺寸和緊固件材料機械性能的綜合體現(xiàn)。很顯然尺寸過大的外螺紋不能裝配。同樣的，尺寸過小的外螺紋不能承受預期的載荷。螺紋驗收

47、是用來確定尺寸的協(xié)調(diào)一致性是否令人滿意。它通過用量規(guī)和其他檢測儀器對螺紋進行檢測。 這些測量結果數(shù)據(jù)龐大， 從測量整體螺紋數(shù)據(jù)到每個單項參數(shù)超高精度的測量值。確定必須的檢查項目和建立螺紋驗收標準是采購商的責任。原因很簡單，工程師、設計人員等最了解緊固件的性能，緊固件在工作場合安裝和應用時，他們必須提供有關數(shù)據(jù)。他們知道緊固件如何發(fā)生應力集中，使用環(huán)境，所加載荷的大小，安全危險程度，以及在整個設計中緊固件與其他零部件的相互關聯(lián)。 這些都要求采用一下的檢測 手段，以判斷緊固件螺紋是否在規(guī)定的尺寸極限值內(nèi)。為輔助這類判斷，已建立了標準檢測系統(tǒng)，詳見a 63 頁的 asme b1.3m ，。每個檢測系

48、統(tǒng)包括一組必測的螺紋要素。每個系統(tǒng)都詳細列出了可以判斷某一要素是否在允許極限值范圍內(nèi)的各種量規(guī)和其他檢測裝置。b1.3m 謹慎地避免指定采用哪種量規(guī)或裝置，甚至于仲裁時也是如此。每個生產(chǎn)商和購買商都要自己進行選擇。標準規(guī)定：只要采用任一允許的量規(guī)或裝置檢測某一要素時， 認為可以接受， 則認為該要素通過檢驗。在 b1.3m 中有 3 個外螺紋量規(guī)系統(tǒng)， 3 個內(nèi)螺紋量規(guī)系統(tǒng)。這3個系統(tǒng)分別定義為 21 、 22 、 23 系統(tǒng)。其區(qū)別在于檢測尺寸一致性滿足要求的程度。系統(tǒng)編號越大，則必須檢測項目就越多。在外螺紋和內(nèi)螺紋的所有 3 個檢驗系統(tǒng)中，都要求檢驗最大實體牙型尺寸， 以確保可裝配性。 其他

49、檢測要求的原則性區(qū)別與最小實體牙型尺寸的檢驗有關。 21 系統(tǒng)應用功能性量規(guī)檢驗， 即所有要素用 “通端 ”和 “止端 ”量規(guī)進行檢驗。 22 系統(tǒng)和 23 系統(tǒng)則要求對每個螺紋要素進行實際檢測， 23 系統(tǒng)的檢驗內(nèi)容更多，要求更高。21 系統(tǒng)對于常規(guī)工程應用中的大多數(shù)中低強度緊固件已經(jīng)足夠用了。 22 系統(tǒng)經(jīng)常用于高強度外螺紋緊固件以及3a 級螺紋緊固件。 3a 級螺紋一般用在要求嚴格場合，需要對螺紋做進一步的檢驗。 23系統(tǒng)主要適用于fed std h28/h20a 所推薦的緊固件研究和分析。21 系統(tǒng)對所有內(nèi)螺紋緊固件都很實用。如果對內(nèi)螺紋的其他性能有要求，則誚考慮采用 22 系統(tǒng)。如果

50、使用要求嚴格，必須檢驗確定內(nèi)螺紋的其他性能時，設計人員則應該考慮23 系統(tǒng)所規(guī)定的檢驗內(nèi)容?，F(xiàn)在，大多數(shù)緊固件生產(chǎn)標準都規(guī)定了哪種檢測系統(tǒng)適用于該緊固件。如果采購商沒有其他的額外要求，按照標準的規(guī)定已經(jīng)可行。但是采購商經(jīng)常會保留他們的特權（也常常是這樣做），來專門規(guī)定一種不同的系統(tǒng)，或者修改已規(guī)定的系統(tǒng)。無論怎樣做，采購商的目的是想最大限度地確保所購產(chǎn)品確實達到了尺寸一致性的要求。螺紋強度特性裝配后，螺紋的失效方式有 6 種： 外螺紋緊固件拉伸斷裂； 外螺紋脫扣； 內(nèi)螺紋脫扣； 外螺紋緊固件垂直于軸線發(fā)生剪斷； 外螺紋緊固件扭曲； 內(nèi)螺紋緊固件沿螺紋截面軸向開裂。拉伸失效，螺紋脫扣以及 螺母

51、的軸向開裂發(fā)生在裝配時或以后的應用中。 緊固件安裝時過度擰緊會發(fā)生拉伸失效。 剪切失效僅發(fā)生在 加載工作載荷后。緊固件強度計算有 4 個臨界應力面積賦予配合螺紋的承載能力。a) 拉伸應力面積是通過螺紋的有效截面積，它能夠抵抗 螺栓 的拉伸斷裂。b) 外螺紋牙底面積是在小徑處的橫截面積。這一面積用來計算螺栓 的抗橫向剪切能力以及擰緊過程中的抗擰斷能力。c) 外螺紋牙剪切面積可抵抗 螺栓 螺紋的剪切。d) 內(nèi)螺紋剪切面積可抵抗螺母 螺紋的剪切。a 11 頁表 1 給出了統(tǒng)一粗牙、細牙和 8 牙系列的應力面積。表1 中的表注是這些應力面積的計算公式。螺栓 斷裂是極易發(fā)生的失效模式設計人員在選擇緊固件

52、時，應該努力確保萬一發(fā)生失效(無論是安裝時的過度擰緊或是使用中的過度加載) ， 失效模式應為 螺栓 斷裂失效而不是螺紋脫扣。 這點及其重要。 因為最近常見做法為擰緊 螺栓達到高水平預載荷(經(jīng)常故意超出屈服強度)。如果在擰緊過程中 螺栓 斷裂，快速發(fā)現(xiàn)并更換是很容易的，操作工更換連接件，安裝過程需做必要的調(diào)整。另一方面，螺紋脫扣是一種很隱蔽的失效模式。它起始于第一個受到應力的螺紋牙， 然后其余螺紋牙沿著整個接觸長度逐漸剝離。 它是一種漸進的失效， 螺母 完全脫離 螺栓 經(jīng)常需要好幾個小時。 螺紋脫扣失效剛開始察覺不到。 看起來裝配良好， 不能及時提出需要修正擰 緊過程的警告。防止螺紋脫扣防止螺紋脫扣的關鍵是提供充足的螺紋旋合長度，以使螺母 的膨脹影響降低到最小，以及選擇具有合適強度搭配的配合螺紋。螺紋旋合長度提高配合螺