空套螺母的設(shè)計(jì)參數(shù)對橫紋夾持梓木構(gòu)件極限抗拔力的影響

郝景新，周騰飛，劉文金，黃 彬

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

空套螺母的設(shè)計(jì)參數(shù)對橫紋夾持梓木構(gòu)件極限抗拔力的影響

郝景新，周騰飛，劉文金，黃 彬

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

采用正交試驗(yàn)法系統(tǒng)研究了不同空套螺母的設(shè)計(jì)參數(shù)對梓木構(gòu)件徑向極限抗拔力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：螺紋長度、螺紋間距、螺紋高度對梓木構(gòu)件徑向極限抗拔力的影響顯著，而螺母底徑的影響不顯著。隨著螺紋長度和螺紋高度的增加，螺紋間距的減小，極限抗拔力呈上升趨勢。如果要提高空套螺母連接件的抗拔力，比較有效的方法是延長螺紋的長度而不是增加螺母的底徑。

家具設(shè)計(jì)；家具五金件；梓木構(gòu)件；空套螺母；極限抗拔力；螺紋參數(shù)

梓木Catalpa ovata don廣泛分布在湖南、湖北等我國中部地區(qū)，豐富的蓄積量決定了其具有工業(yè)化家具用材的潛力。而且，梓木木紋優(yōu)美，且表面帶光澤，經(jīng)過涂飾以后，具有近似珍貴高檔家具用材相媲美的外觀屬性。開展梓木構(gòu)件可拆裝連接技術(shù)的研究是實(shí)現(xiàn)梓木家具工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

家具五金件本身的可拆裝性決定了梓木構(gòu)件的可拆裝性，因此五金連接件至少有2個(gè)基本零件組成，每一部分應(yīng)分別與對應(yīng)的梓木材料連接牢固，然后通過五金件之間連接實(shí)現(xiàn)可拆裝性，而通常必不可少的是嵌入螺母[1]。研究表明：嵌入螺母與基材之間界面連接破壞是家具構(gòu)件之間破壞的主要形式，因此嵌入螺母的極限抗拔力是家具構(gòu)件連接強(qiáng)度關(guān)鍵[2]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對于家具構(gòu)件連接性能方面的研究主要集中在榫接合[3-5]或木螺釘接合[6]等領(lǐng)域，而對于空套螺母的連接性能的研究很少。螺紋擰入式的空套螺母連接件比普通漲開式的嵌入螺母的極限抗拔力要大的多，而這是實(shí)木家具構(gòu)件連接所需要的。因此本論文以空套螺母并配合相應(yīng)的螺栓為基本連接形式，系統(tǒng)研究螺紋參數(shù)對梓木構(gòu)件徑向極限抗拔力的影響。

1 材 料

（1）梓木板材：來源于湖南榮星家具有限公司，平均含水率12.0%，平均氣干密度0.45 g/cm3。

（2）空套螺母連接件：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行定制，相關(guān)參數(shù)說明見圖1。

圖1 空套螺母的螺紋參數(shù)標(biāo)識(shí)Fig.1 Thread parameters notation of inner threaded nut

2 試驗(yàn)儀器

（1）電腦型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：蘇州健豪KHQ-002H。

（2）普通臺(tái)鉆與鉆頭：市場購買。

（3）夾具：自制。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試件制備

為了減小木材紋理的差異對測試結(jié)果的影響，本研究均選用徑切板梓木。將選好的梓木板材鋸切成50 mm×50 mm的試件，然后選擇外弦切面，在該平面的中心點(diǎn)，分別鉆φ9×12 mm（圖2），φ11×22 mm，φ13×32 mm的垂直圓孔。最后將按參數(shù)要求定制的空套螺母用六角扳手?jǐn)Q入導(dǎo)向孔中。

圖2 導(dǎo)向孔的鉆孔位置Fig.2 Hole drilling position of inner threaded nut

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)法。為了能夠系統(tǒng)研究空套螺母的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗拔力的影響，選取螺紋長度、螺母底徑、螺紋間距、螺紋高作為自變量，每個(gè)變量取三個(gè)水平，具體見表1。根據(jù)其他學(xué)者的研究成果：空套螺母與材料之間配合間隙也是影響極限抗拔力的因素[7]；并綜合考慮預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果：配合間隙過小會(huì)導(dǎo)致空套螺釘擰入十分困難，選擇預(yù)鉆孔與空套螺紋底徑之間的單邊間隙為0.5 mm。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)的因素水平Table 1 Factor and level of L9(34) testing program

3.3 測定方法

采用自制的夾具，在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拔力試驗(yàn)（圖3），在垂直于紋理方向的兩邊固定，平行于紋理方向的兩邊為自由邊。加載速度為3 mm/min。

圖3 梓木構(gòu)件抗拔試驗(yàn)加載外觀Fig.3 Loading method of specimen’s testing

4 結(jié)果與分析

4.1 直觀分析

（1）螺紋長度的影響

隨著螺紋長度的增加，梓木構(gòu)件的徑向極限抗拔力幾乎呈線性增加的趨勢?？仗茁菽傅牟迦肷疃仍黾邮菇雍厦娴膬?nèi)螺紋長度增加，產(chǎn)生力的累加效應(yīng)，從而使極限抗拔力增加。因此，只要被連接零件的橫截面尺寸足夠大，我們就可以通過延長空套螺母的長度來提要極限抗拔力，這對于高強(qiáng)度連接的部位是需要的，如椅后腿與橫檔之間的連接。

圖4 各因素對極限抗拔力影響的趨勢分析Fig.4 Trend analysis of effect of factors on MWR

（2）螺母底徑的影響

相對于其他因素，螺母底徑對梓木構(gòu)件的徑向極限抗拔力的影響較小。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中不建議采用較大螺紋底徑的空套螺母。

（3）螺紋間距的影響

隨著螺紋長度的增加，梓木構(gòu)件的徑向極限抗拔力逐漸下降，但下降的速度逐漸變小。

（4）螺紋高度的影響

隨著螺紋高度的增加，梓木構(gòu)件的徑向極限抗拔力逐漸上升。但是增加螺紋高度，也會(huì)導(dǎo)致空套螺母在旋入木材圓孔時(shí)的難度快速增加，從而不利于裝配質(zhì)量和效率的提升，因此實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體材質(zhì)的要求合理選用適當(dāng)螺紋高度的空套螺母。

4.2 方差分析

螺紋長度、螺紋間距、螺紋高度對梓木構(gòu)件徑向極限抗拔力的影響顯著，而螺母底徑的影響不顯著。螺紋長度的影響最為顯著，其次是螺紋間距、螺紋高度，最后是螺母直徑，同時(shí)，綜合考慮螺紋參數(shù)對空套螺母擰入導(dǎo)向孔的難易程度，由于較大的螺紋長度和螺紋高度會(huì)導(dǎo)致手工擰入螺母極其因難，最終選擇較優(yōu)的螺紋參數(shù)組合為：A2B1C1D2。

5 結(jié) 論

螺紋長度、螺紋間距、螺紋高度對梓木構(gòu)件徑向極限抗拔力的影響顯著，而螺母底徑的影響不顯著。隨著螺紋長度和螺紋高度的增加，螺紋間距的減小，極限抗拔力呈上升趨勢。如果要提高空套螺母連接件的抗拔力，比較有效的方法是延長螺紋的長度而不是增加螺母的底徑。

表2 梓木構(gòu)件極限抗拔力的方差分析Table 2 Variance analysis of MWR

[1] 郝景新,劉文金,吳新鳳. 基于紙質(zhì)蜂窩的家具板件結(jié)構(gòu)與工藝技術(shù)[J]. 包裝工程, 2012, 33(22):29-32.

[2] 柳萬千. 家具力學(xué)[M].哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)出版社, 1993.

[3] 宋俞成,朱麗華,馬 貞,等. 梓木家具圓榫接合抗拉強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究[J].林產(chǎn)工業(yè), 2014, 41(3): 20-23.

[4] Tsair-Bor Yen, Hans R. Zuuring, Wdwin J. Burke. The evaluation of bending moment resitance of single wood-plate corner joints in particleboard and lodgepole pine[J]. Forest Products Journal,2006, 56(2): 66-73

[5] Ali N. Tankut. Optimum dowel spacing for corner joints in 32-mm cabinet construction[J]. Forest Products Journal, 2005,55(12): 100-104.

[6] Jilei Zhang, Hasan Efe, Yusuf Z. Erdil, et al. Moment resistance of multiscrew L-type corner joints[J]. Forest Products Journal,2005, 55(10): 56-63.

[7] 李雙雙,唐立華. 杉木家具中空套螺母的抗拔力研究[J]. 木材加工機(jī)械, 2013,(1): 23-26.

Effects of inner threaded nut parameters on maximum withdrawal resistance of Catalpa ovata don components under transverse-grain holding test condition

HAO Jing-xin, ZHOU Teng-fei, LIU Wen-jin, HUANG Bin
(School of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of different inner threaded nut parameters on maximum withdrawal resistance (MWR) in radial direction of Catalpa ovata don components under transverse-grain holding test condition were carried out by orthogonal test method. The results show that the threads length, threads interval and threads height had signif i cant effects on MWR while the small diameter of screw had little inf l uence on it. With increment of thread length and height and decrement of thread interval, MWR went upward correspondingly.If the MWR of this type of connection need to be improved, the better way is to extend the screw length, not to increase screw nut’s diameter.

furniture design; furniture hardware; Chinese catalpa components; inner threaded nut; maximum withdrawal resistance;screw parameters

S781.2

A

1673-923X(2015)02-0100-03

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.019

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-09-03

國家林業(yè)行業(yè)科研專項(xiàng)：梓木增重改良與實(shí)木家具制造關(guān)鍵技術(shù)研究（201204712）

郝景新，工程師；E-mail：haojingxin1@163.com 通訊作者：劉文金，教授；E-mail：csfulwj@163.com

郝景新，周騰飛，劉文金，等. 空套螺母的設(shè)計(jì)參數(shù)對橫紋夾持梓木構(gòu)件極限抗拔力的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(2):100-102.

[本文編校：吳 彬]