固件机械性能常用

1 紧固件机械性能常用术语 扭矩( Torque ) 扭矩是一种产生旋转的力量. 下面是一些最普通的扭矩的事例 : 1. 给上弦 2. 旋开瓶盖 3. 旋转门把手 4. 拧入螺丝. 扭矩在大多数的应用场合都需要着重考虑. 下面四种扭矩有着些微小的差别. 1. 驱动扭矩( Driving Torque ) 2. 锁紧扭矩( Seating Torque ) 3. 松动扭矩( Break away Torque ) 4. 预置扭矩( Prevailing Torque ) 所有这些扭矩在实际应用中都会遇到, 但不同的使用状况其重要性不相同. 1. 驱动扭矩 — 使机件组合在一起必须的施予之旋转力量. 2. 锁紧扭矩 — 使机件组合达到预先设定的松紧程度所需要的力量. 3. 松动扭矩 — 使组合在一起的机件分离所必需要的施予之旋转力量. 4. 预置扭矩 — 在紧固件上设置的一种特性, 使紧固件在一锁入配合螺纹工件即因磨擦力产生阻 力以达成防松的目的, 克服该磨擦力矩所需要的驱动旋转力矩即称为预置扭矩. 驱动力矩 : 驱动扭矩在螺丝切削, 螺丝滚制和自锁机件应用中是主要考虑的问题. 作为旋转机件 必须的最大力, 要求是必须的. 过高的驱动扭矩会使旋转失效和旋转失败, 所有这些将增加紧固件 的成本, 所以尽可能地降低驱动扭矩是十分必要的. 这需求就引导出另一个工程要求”驱动-拉脱 比”. 它是驱动紧固件需要的扭矩值与抗脱或破坏所配合的内螺纹所需扭矩值的关系, 此值范围越 大, 越有利于减少装配不良, 重复装配和降低相应的成本, 紧固件便越适用. 对于螺纹滚制自攻螺丝而言, 其要求的驱动-拉脱比( Drive to Strip Ratio )为 1 : 3, 即有一个 单位的驱动扭矩, 就需要有三个单位的抗拉脱强度的配合螺纹强度. 锁紧扭矩 : 锁紧扭矩是将紧固件旋至所要求的松紧程度或扭力-拉力值的力量. 它以一个最大值表 示. 这就是说在小于规定的最大扭矩作用于应该得到指定的松紧度或夹紧力, 这在任何情况下都是 十分重要的. 因为紧固件应该能够适当锁紧以保证正常的装配, 但这不应该过度增加扭矩. 过度的 扭矩要求会造成驱动系统的失效, 增加劳动强度, 配合的失败, 所有这些都会造成紧固件费用的增 加. 松动扭矩 : 松动扭矩是指将紧固件由锁紧状态松开时的旋转力量. 这在紧固件容易松动的状况下 最具实际意义. 松动扭矩一般和自锁紧固件相关( 不仅是自锁紧固件, 防松用紧固件都在内 ), 它 以一个最小值来表达, 就是说紧固件不能以小于松动扭矩的力矩脱离组装件。 2 预置扭矩 : 从技术上来讲, 预置扭矩是一种对旋转力矩的的反力矩( Resistance to Rotation ). 它通常是指将以固锁但尚未锁紧的紧固件旋出时的力矩. 像松动扭矩一样, 预置扭矩用于容易松动 的场合, 它的规定值亦为最小值. 在小于规定扭矩的作用下紧固件必须固锁( 但不一定锁紧 )而不 能转动, 每一个紧固件都要求有一定的扭矩来驱动, 这是预置扭矩的”驱动扭矩”, 每一个预置扭 矩紧固件都要求有更大的扭矩来锁紧, 以确保适当的固锁状态, 这是”锁紧扭矩”. 每一个紧固件 都需要有一定的扭矩将它从固锁状态松开, 这就是”松动扭矩”. 每一紧固件都需一定扭矩将它从 未锁紧但尚固锁的状态下取出, 这就是预置扭矩. 扭矩的测试单位是磅-英寸( in pounds )或磅- 英尺( foot pounds ). 1 磅-英寸就是一磅的力作用在垂直于旋转中心 1英寸距离处产生的力量. 2 磅-英寸就是 2 磅的力作用在垂直于旋转轴心 1 英寸距离或 1 磅的力作用于 2 英寸处所产生的力量. 由此, 可得出 力矩 = 轴心到扭力的垂直距离 x 力 磅-英寸除以 12 便得到磅-英尺, 反之, 磅-英寸乘以 12 即为磅-英尺, 单位的选择要根据数值 的大小. 例如, 我们通常会用 100磅-英尺, 而不用 1200 磅-英寸. 注 : 磅-英寸和磅-英尺均是技术上所用的正确单位. 但我们经常会写成英寸-磅和英尺-磅. 扭矩 是产生转动所必须的力. 它是作用在臂末端使物体产生旋转的力量. 抗拉强度( Tensile Strength ) 抗拉强度是指材料在外力拉伸下抵抗破断的能力. 你是否有过将橡胶条拉断的经验呢? 如果有, 那么你就是在测试橡胶条的抗拉强度. 紧固件的抗拉强度也是一样的, 它是紧固件能够承受的施加 在其上而不会使其破断的抗拉值. 抗拉强度是紧固件最普通的一种物理性质. 它是紧固件的极限强度( Ultimate Strength ). 也 是紧固件在应用时考虑的其承载荷重能力( Load Bearing Ability )的基本指标. 抗拉强度用磅/英寸 2 表示( PSI ). 它是指平均分配在紧固件最小径截面积上 ( Cross-Sectional of minor Diameter )可施予紧固件承受的力量. 例如, 紧固件的破断拉力为 100,000 磅, 它的最小径断面积为 1平方英寸, 那么此紧固件的抗拉强度是 100, 000PSI. 意即 : 抗拉强度 = 力/面积 = 100,000 磅/ 1 平方英寸 = 100,000PSI 抗拉强度是紧固件抵抗轴向拉力( Axial Tensile )的能力. 它表明了紧固件承受轴向拉伸负荷 的能力. 抗拉强度通常是指极限抗拉强度( Ultimate Tensile Strength, UTS ). 因为紧固件的降 伏强度( Yield Strength )和保证荷重( Proof Load )与它的抗拉强度有关, 所以我们会在后面加 以讨论. 3 降伏强度( Yield Strength ) 理论上, 每一个轴向拉力都将使紧固件产生不同程度的伸长. 因为既有的金属均有其弹性模 数( Degree of Elasticity, 或称为杨氏模数 Young’s Moulde )存在, 通常将负荷去除, 紧固件 就会恢复到原来的长度. 当紧固件无法恢复其原长时的负荷值即为其降伏点( Yield Point ). 降伏 点是紧固件承受轴向负荷时开始产生塑性变形的那一点. 在紧固件行业, 我们真的希望它能在其弹性极限范围内使用, 以确保联接的安全性, 而不希 望将它拉伸到降伏点来使用. 因为这会降低紧固件的有效性. 当紧固件被拉伸到其降伏点后便无法 收缩回到原的长度. 这种收缩提供了紧固件连接时的有效锁紧力. 我们可以清楚看到紧固件是如何 锁紧及如何发挥功效的. 假想一个紧固件就如一个一圈圈缠紧的弹簧. 想象一个用弹簧拉紧的门, 当弹簧没有超过其降伏点时, 它可以有效地将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸而无法恢复到原来的长 度时, 弹簧将会失效而无法将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸时, 便会到达其降伏点, 此时弹簧将会 失效而无法将门拉紧. 弹簧便失去了其原有的拉力. 紧固件也是如此, 一但被过度拉伸, 便会失去 原有的拉力. 一般而言, 降服强度等于于极限抗拉强度的 25%. 紧固件的降伏点是指它承受轴向负荷产生永 久伸长的那一点. 译注 : 降伏强度与抗拉强度的关系并非一成不变的 25%, 一般而言, 同一种材料的抗拉强度越高 ( 不管是加工硬化或是热处理造成 ), 降伏强度与抗拉强度的比值会升高, 延展性则降低, 比如 4.6级的螺栓, 由于冷锻后延展性无法达到 30%要求, 因此必需退火, 此时降伏强度与抗拉强度均 降低, 降伏强度与抗拉强度大约为45-50%, 冷锻后 5.6级螺栓冷锻后不作任何处理, 降伏强度与抗 拉强度大约为 35-40%, 至于 8.8 级螺栓冷锻后作调质热处理, 降伏强度与抗拉强度大约为 20-25%, 10.9 级及 12.9 级螺栓冷锻后作调质热处理, 降伏强度与抗拉强度大约为 10-20%. 保证荷重( Proof Load ) 保证荷重是紧固件不产生永久伸长的所能承受的最大轴向拉力, 我们再以弹簧为例, 假设紧固 件为一根弹簧, 我们可以想象将弹簧拉到不使它产生永久伸长的最大长度, 就是说到去除负荷后紧 固件可以恢复到它原来的长度. 这就表明了紧固件的降伏点和保证荷重的关系十分密切. 理论上讲, 就像在一个范围内有两个 相邻的点, 一个比另一个小一点点, 那么这个比较小的值就是保证荷重, 另一个比较大的就是降伏 点. 因为两点相距太近, 在实际应用上我们将它们视为等同. 碳钢类紧固件的保证荷重是其最大抗 拉强度的 75%. 例如, 碳钢类紧固件的抗拉强度是 100,000PSI, 那么它的保证荷重即为其降伏点, 是 75,000PSI. 保证荷重的知识和意义对于业务人员很重要, 因为有时他会被要求提供紧固件在实际应用时可 承受的拉力和荷重. 记住一般的是 : 施加保证荷重的75%的力, 可以获得最佳功效. 这是紧 固件在使用时关于其拉力的通用原则. 比如我们刚才提到的紧固件, 其抗拉强度是 100, 000PSI, 因为保证荷重为抗拉强度的 75%, 故其保证荷重为 75, 000PSI, 若客户问你”这支螺栓可以承受多 4 大的拉力使用”时, 你应该回答”保证荷重的 75%或(25, 000*75%)56, 250PSI. 保证荷重是紧固件 不产生塑性变形所能承受的最大的力. 记住下列三个重要的原则 : 1. 碳钢的保证荷重是其抗拉强度的 75%. 2. 将紧固件锁紧到其保证荷重的 75%将发挥其最大功效. 3. 一般须将紧固件锁紧至其抗拉荷重的 50%-60%, 以保证其功效. 译注 : 保证荷重依规定依照公称尺寸及产品级数为一个固定值, 紧固件在承受荷重到此一规定值 时不可产生任何可能造成组装失败的变形. 同样的, 保证荷重与抗拉强度的关系并非一成不变的 25%, 与上一段的批注相同. 扭矩与伸长( Torque-Tension) 扭矩与伸长的关系 : 扭矩与伸长的关系是指当施加扭矩于紧固件时会产生伸长及抵抗力. 扭 矩与抗力的关系在应用上非常重要, 如前所述, 业务人员通常会建议客户以保证荷重的 75%的拉力 锁紧紧固件. 客户接下来就会问”要达到这一拉力需要多大的扭矩? ”, 在回答问题之前你必须清 楚为什么一些客户提出的这个问题是合理的. 在使用紧固件时我们首先考虑的是施加适当的拉力. 既然如此, 客户为什么还会问到扭矩呢? 因为紧固件在使用时是施加扭矩将其锁紧的, 因此测定扭 矩比测定其实际的拉力值要方便. 现在你知道为什么这是一个很有意义的问题了吧? 你可以考虑了, 首先扭矩和抗力有不 同的关系. 下面是会影响其相互关系的一些状况 : 1. 紧固件的表面状况(本色或电镀) 2. 螺纹配合的表面状况 3. 承面状况 4. 螺纹等级 5. 螺纹类型 6. 紧固件的强度 7. 与之配合的材料强度 8. 润滑状况 所有上述这些差异都将影响在实际使用过程中扭矩与抗力的关系. 业务人员应注意千万不能为客户推测扭矩与抗力的关系. 显然, 业务人员很难解决这样一个复杂的 问题. 业务人员的职责是了解紧固件的实际使用状况, 并反馈回来以便我们能够最好地解决客户的 问题. 如果遇到有关扭矩的问题, 你应该了解 : 5 1. 紧固件如何使用. 2. 紧固件用什么材料制成. 3. 你将使用何种类型的紧固件. 4. 你需要多大的拉力(夹紧力). 5. 使用什么样的表面被覆. 6. 你计划使用何种润滑. 7. 其它你认为比较重要的使用状况. 可能的话, 尽量取得所使用的紧固件装配的样品. 对扭矩拉力的一般性的了解是很重要的. 扭矩拉 力是指施加扭矩于紧固件上时会产生拉力. 扭矩拉力的另一个相关的概念是夹紧力. 这将在后面加 以讨论. 锁紧力( Clamp Force ) 锁紧力是紧固件锁紧物体时作用于被锁紧面( 即承面 )的力. 在应用中, 作用于被锁紧面的力的大小完全与紧固件所受拉力相等; 事实上, 配件中扭矩锁紧力的 关系与紧固件的扭矩应力关系比率完全相同. 扭力在大多数应用中非常重要, 是因为紧固件中适当的拉力能确保正确装配; 记住 : 制定扭矩 - 应力关系图并非销售人员的职责. 但绝不是说销售人员可以逃避这些问题, 而是应该由销售人员收 集必要信息交给相关部门, 以便提供最好可能答案. 剪切强度( Shear Strength ) 剪切强度是当紧固件在垂直于轴向负荷而产生的阻止变形的能力. 您也许曾在击高尔夫球时将球头折断或至少看到别人这样过. 您也许注意到球杆碰击球时, 当球飞 出的同时球头也落地情况, 大家说 : 球头被球杆剪落. 事实上, 您无意中做了球头剪切强度测试, 您可以看到球头是否可承受球杆作用于垂直于其轴线方向的力. 高尔夫球头制造时因此要使剪切强 度小到不能影响击球. 当紧固件应用于受垂直于轴向载荷时, 务必考虑其剪切强度. 不同于高尔夫球头的是紧固件必须要 能承受这些载荷以完成工作. 剪切强度通常估计为抗拉强度 2/3 大小, 因此如紧固件抗拉强度为 180,000 PSI, 剪切强度则为 120,000 PSI; 换句话说, 紧固件应能承受 120,000 PSI 的垂直于其轴向的载荷. 通常剪切力发生在 : 紧固件垂直钉在两块重迭的平行材料上, 同时两块材料所受力方向相反时. 只有当紧固件剪切强度大于这个力时紧固件不会失效. 6 疲劳强度( Fatigue Strength ) 疲劳强度是紧固件在循环震动应力( Cyclic Variations in Stress )作用下抵抗疲劳失效的能力. 换言之, 它是紧固件承受在因某种原因下产生的变负载的能力. 一般来说, 疲劳强度大大低于它的最大抗拉强度. 疲劳有若干种类, 但震动是最普遍的类型. 典型的”震动”疲劳的例子是所有应用于柴油机上的”Head-bolt”, 当活塞沿活塞缸下冲时, Head-bolt 不受力; 但当活塞再次上升时活塞缸内压力渐渐增加直至再次下冲时变为零. 整个过程 载荷的变化及周期与电机的速度相关. 为克服并确保震动变应力的疲劳失效, 紧固件应能承受大于可能碰到的循环中的最大应力. 疲劳失效是受剪或拉的紧固件需要考虑的一个因素. 延展性( Ductility ) 延展性是材料在不开裂情况下永久变形的能力. 延展性在紧固件行业中多个不同的地方均有提及, 但其概念相同的. 首先, 延展性是对将要用于紧 固件成型的材质而言, 材质延展性越好, 它在不开裂情况下变形能力越好. 我们用黏土来做例子说 明延展性, 尽管它并非紧固件材料. 您可用一个球形黏土捏成扁平形状, 并且其表面绝对不会有开裂或断裂; 这即为延展性, 相反, 用 石头做同样的试验, 即使是极轻微的变形也会导致开裂及脆断. 以上两个极端情况的例子, 而材料 有相同性质. 一些材料, 比如铝是一种延展性很好可以变形很大而不裂开的材料, 而另一些材料, 如硬度大的钢, 稍微变形即会开裂; 材质延展性是产品成型工艺的决定因素. 用来成型螺纹的材料延展性也需要考虑, 因螺纹成型是紧固件四周的材料变形而成, 而非切削掉多 余材料; 再来, 如果在黏土与石头的材料辗制螺纹; 首先, 在两种材料上各打一个相同大小孔, 然 后插入螺丝旋入, 可以看到, 黏土四周材料会移动或变形但并未有切削作用; 但是当您用同样一只 螺丝插入石块中, 石块材料会开裂. 这便是材料的脆性. 当然, 绝不会有人用螺丝旋入黏土或石头 中, 但用来制造螺丝的材料应有相似的延展性. 即材料能够变形而不致开裂或断裂才可以. 紧固件延展性要求最后与其应用场合有关. 有些场合紧固件会受到冲击或大力锤击. 一般来说, 这 些紧固件应在断裂前变形, 这很重要. 如果紧固件容易碎裂, 则受冲击会开裂; 如延展性好, 则只 会变形, 不会断裂. 再想一想黏土与石头. 如果您有两个大小形状相似的圆柱, 一个为黏土, 另一个为石头; 施以同样 垂直于其轴线的冲击, 则黏土会弯曲, 石头则会开裂. 紧固件材质有相似状况. 它们的延展性程度 大小不同. 只有定下紧固件应用的所有要求, 友汇及顾客才能一起开发出最适合每一种特殊场合的紧固件. 延展性是材料永久变形而不裂开的能力. 7 紧固件应考虑延展性三要素 : 1. 紧固件本身材质延展性. 2. 成型处材质延展性. 3. 特殊场合紧固件延展性要求. 硬度( Hardness ) 硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 弯曲的一种指标. 紧固件硬度最重要的意义是抵抗组装时的摩擦及/或在机械应用场合中的作用. 对螺纹成型及螺纹 切削自攻螺丝而言, 由于它使用来自配合孔中挤出或攻钻出配合的内螺纹, 因此很显然的, 它的硬 度必须比配合的组装件硬度要高. 如果不是这样的话, 那在组装时自攻螺纹会变形或损坏, 而导致 旋不进去. 两种不同硬度的材料可以很清楚的被分出来, 比如说黏土和钢, 如果您想将钢制的螺纹 成型自攻螺丝旋入黏土中, 因为黏土软且易于变形, 当然很轻易的就旋进去了. 接下来, 如果您想 把黏土做的螺纹成型自攻螺丝旋入钢中, xxx 咧怎么会弄不进去. 因此, 螺纹成型自攻螺丝必须比 配合的工件硬. 在某些作业场合下紧固件也会使用到承受面. 尤其是一些具有肩部的螺丝, 硬度仅在于几个重要的 承受部位起作用但却非常重要. 这些承受面必须有足够的硬度来承担组装时快速增加且会累积的多 余的摩擦以保证组装后的功能并减少维护量. 在一次我们拿黏土和钢作例子, 因为钢比黏土硬, 所 以作为移动用的紧固件钢会比黏土使用的好且久. 另一个重要性则是材料的硬度直接与材料的抗拉强度, 剪断强度及延展性相关. 当硬度增加时 : 1. 抗拉强度增加. 2. 剪断强度增加. 3. 延展性减少. 业务人员应该了解客户在每一种强度等级及延展性要求应用场合下, 如何去决定相关联的硬度值. 仔细询问这些问题并转给技术部门以便友汇可以建议客户使用何种紧固件. 硬化紧固件有两种基本方法 : 1. 冷加工或加工硬化. 2. 热处理. 当紧固件在室温之下变形我们称之曰冷间加工. 冷间加工在变形的材料上施加应力使之变形并会残 留应力使材料变硬. 这种现象在冷打头( Cold Heading )及挤制( Extrusion )均会发生. 材料在经过数种不同的热处理后其硬度也会增加. 这些方法在热处理一章中将专题处理. 紧固件的硬化依其使用场合之不同可以分为三种不同的方式 : 1. 全硬化( Through Hardened ). 8 2. 表面硬化( Case Hardened ). 3. 选择性硬化( Selectively Hardened ). 这三种名称是根据硬度在材料上状况的不同来命名, 全硬化紧固件全部的部位都多经过硬化. 其心 部与表面均予以硬化. 表面硬化紧固件在材料表面很浅的部位进行硬化处理. 在紧固件上, 表面将 会比心部要坚硬很多. 选择性硬化则是仅在紧固件选择某些部位进行硬化处理, 通常是在尾部. 经 选择性硬化处理过的部位也比其它未经硬化的部位要坚硬很多. 紧固件经过全硬化处理后可增加其强度级数, 紧固件如螺栓经全硬化处理后可以使螺栓抵抗更大的 拉力而不致破断. 紧固件经过表面硬化处理后主要可以增加其在组装时之耐磨性, 大多数的螺纹成型及螺纹切削自攻 螺丝系使用表面硬化处理, 这是因为这些自攻螺丝必须在所配合的工件上攻出配合内螺纹. 如果这 些螺丝使用全硬化到表面硬化的水平时, 紧固件会断裂, 因此在大多数场合下并不实用. 当紧固件实施全硬化或表面硬化具有危险性时, 可以使用选择性硬化处理, 选择性硬化处理主要是 用在螺纹成型自攻螺丝, 某些螺纹成型自攻螺丝因为其特殊使用场合而希望可以保存全硬化的强度 等级及延展性, 而又必须有足够的尾部及螺纹硬度来成型配合内螺纹, 因此使用选择性硬化处理. 处理时先将紧固件全硬化到希望强度等级, 再对尾部及紧固件末端曰 4-5 个螺纹进行表面硬化处理 以维持自攻功能. 选择性硬化处理成本远高于全硬化处理或表面硬化处理. 但如果使用场合必须要如此处理时, 它还 是非常具有价值. 至于热处理的实施方法可以参照本手册热处理章. 硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 弯曲的一种指标. 硬度影响紧固件组装时的摩擦. 硬度测试应该在一种可以以特定荷重压入材料并测量其深度的机械上实施. 最常用的洛式硬度计和 勃氏硬度计( 或维克式硬度计 )且具有多种尺度用以度量不同状况下的硬度值. 硬度与强度和延展性质相关, 且透过加工硬化或热处理硬化获得.