一種浮動(dòng)不脫出螺釘組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

肖百川

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所, 四川 成都 610036)

引 言

國(guó)標(biāo)不脫出螺釘常用于蓋板等經(jīng)常拆卸的零部件上[1]，它的優(yōu)點(diǎn)是拆卸后螺釘不會(huì)與被連接件分離，可以防止螺釘丟失。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種規(guī)格不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸都有具體的規(guī)定[2]，這類螺釘?shù)墓餐Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：螺釘光桿段的直徑較小，強(qiáng)度較差；同等螺紋規(guī)格和旋入深度的情況下，不脫出螺釘光桿段的長(zhǎng)度大于普通螺釘，長(zhǎng)度增加也會(huì)使螺釘?shù)目箯潖?qiáng)度下降；螺釘?shù)墓鈼U部位與被連接件螺釘通過(guò)孔之間的活動(dòng)間隙較小，對(duì)連接件與被連接件之間的孔位精度要求較高。

在某些工程應(yīng)用場(chǎng)合，比如一些尺寸較大的、易發(fā)生變形的焊接件、中大型機(jī)加工件等，孔位誤差難以達(dá)到較高的精度要求。這種情況下，國(guó)標(biāo)不脫出螺釘就難以勝任了。裝配過(guò)程中，螺釘?shù)墓鈼U段易與被連接件螺釘通過(guò)孔的螺牙干涉，導(dǎo)致螺釘錯(cuò)位。若強(qiáng)行裝配，螺釘就會(huì)承受巨大的徑向彎曲載荷，導(dǎo)致螺釘被“別斷”或者螺紋損傷。

浮動(dòng)不脫出螺釘組件在不改變連接件結(jié)構(gòu)、不增加被連接件結(jié)構(gòu)尺寸的前提下進(jìn)行原位替換，在提高螺釘關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，還增大了螺釘?shù)难b配容差，避免因孔位偏差導(dǎo)致的螺釘錯(cuò)位和損壞。

1 浮動(dòng)不脫出螺釘組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)

國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示。螺釘由螺紋段、光桿段和螺釘頭構(gòu)成。

圖1 國(guó)標(biāo)不脫出螺釘

國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)难b配結(jié)構(gòu)如圖2所示，被連接件上的螺釘通過(guò)孔是與螺釘規(guī)格相同的螺紋孔，螺釘光桿段直徑d1須小于螺紋孔的小徑D1，以確保光桿段與螺紋孔的螺牙之間有一定的活動(dòng)間隙。

圖2 國(guó)標(biāo)不脫出螺釘裝配圖

1.2 浮動(dòng)不脫出螺釘組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮動(dòng)不脫出螺釘組件的裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 浮動(dòng)不脫出螺釘組件裝配圖

浮動(dòng)不脫出螺釘?shù)难b配結(jié)構(gòu)與國(guó)標(biāo)螺釘?shù)牟煌幨牵罕贿B接件上的螺釘通過(guò)孔由螺紋孔改成了光孔，在滿足國(guó)標(biāo)對(duì)螺釘通過(guò)孔直徑要求的前提下，通孔的直徑D2可以設(shè)計(jì)得盡量大，用于增加螺釘光桿部位與通孔側(cè)壁之間的間隙；在被連接件的螺釘止退槽內(nèi)增加了浮動(dòng)螺母和螺母的止動(dòng)簧片。

浮動(dòng)螺母穿在螺釘?shù)墓鈼U段上，而止動(dòng)簧片則采用過(guò)盈配合嵌入螺釘止退槽內(nèi)。螺母的作用是阻止螺釘從被連接件上脫出，螺母與其周圍的結(jié)構(gòu)體之間預(yù)留有足夠的活動(dòng)間隙。在實(shí)現(xiàn)螺釘不脫出功能的同時(shí)又保證了螺桿有足夠的活動(dòng)間隙，從而提高了螺釘?shù)难b配容差。

螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)則與國(guó)標(biāo)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同圖1。不同之處是螺釘光桿段的直徑d2設(shè)計(jì)得比國(guó)標(biāo)螺釘?shù)闹睆酱?，以提高螺釘關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 浮動(dòng)不脫出螺釘組件的裝配容差分析

從不脫出螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)可以看出，其裝配容差δ取決于螺釘光桿部位與被連接件螺釘通過(guò)孔之間的活動(dòng)間隙。裝配容差越大則螺釘在裝配過(guò)程中越不易發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉，對(duì)連接件和被連接件之間孔位加工精度的要求就越低。

2.1 國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)难b配容差分析

如圖2所示，國(guó)標(biāo)不脫出螺釘裝配容差δ1的計(jì)算公式為

δ1=±(D1-d1)/2

(1)

式中：D1為被連接件螺紋孔的小徑，國(guó)標(biāo)對(duì)不同規(guī)格螺紋孔的小徑[1]有明確規(guī)定；d1為螺釘光桿段的直徑，國(guó)標(biāo)對(duì)不同規(guī)格不脫出螺釘?shù)墓鈼U段直徑[2]也有明確規(guī)定。

表1為根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定計(jì)算出的常用規(guī)格不脫出螺釘?shù)难b配容差，計(jì)算時(shí)螺釘光桿段直徑取國(guó)標(biāo)推薦范圍內(nèi)的平均值。

表1國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)难b配容差mm

螺紋規(guī)格M3M4M5M6螺紋孔小徑D12.4603.2404.1304.920螺釘光桿段直徑d11.9302.7303.4104.410裝配容差δ1±0.265±0.255±0.360±0.255

2.2 浮動(dòng)不脫出螺釘組件的裝配容差分析

如圖3所示，浮動(dòng)不脫出螺釘組件裝配容差δ2的計(jì)算公式為

δ2=±(D2-d2)/2

(2)

式中：D2為被連接件螺釘通過(guò)孔的直徑，國(guó)標(biāo)對(duì)不同規(guī)格螺釘通過(guò)孔的大小[3]有明確規(guī)定；d2為螺釘光桿段的直徑，在小于螺紋孔小徑的前提下可根據(jù)設(shè)計(jì)需要自由選取，不再受國(guó)標(biāo)的限制。

表2為根據(jù)設(shè)計(jì)值和相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定值計(jì)算出的常用規(guī)格浮動(dòng)不脫出螺釘組件的裝配容差，表中螺釘通過(guò)孔直徑選用的是國(guó)標(biāo)規(guī)定的中等裝配值。

表2浮動(dòng)不脫出螺釘組件的裝配容差mm

螺紋規(guī)格M3M4M5M6螺釘通過(guò)孔直徑D23.404.505.506.60螺釘光桿段直徑d22.303.204.004.80裝配容差δ2±0.55±0.65±0.75±0.90

2.3 兩種不脫出螺釘?shù)难b配容差對(duì)比

將表1和表2的容差進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，浮動(dòng)不脫出螺釘組件的容差值比國(guó)標(biāo)螺釘至少提高±0.285 mm，由±0.255 mm提高到±0.55 mm～±0.9 mm之間，提升1.07～2.52倍。

表3兩種不脫出螺釘?shù)难b配容差對(duì)比mm

螺紋規(guī)格M3M4M5M6國(guó)標(biāo)螺釘裝配容差δ1±0.265±0.255±0.360±0.255浮動(dòng)螺釘裝配容差δ2±0.550±0.650±0.750±0.900容差差值(δ2-δ1)±0.285±0.395±0.390±0.645容差比值(δ2/δ1)2.0752.5492.0833.529

3 浮動(dòng)不脫出螺釘組件的強(qiáng)度分析

螺釘作為裝配承力的關(guān)鍵部件，需要承受彎曲載荷、拉壓載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，這3個(gè)維度的強(qiáng)度值直接決定了其安全系數(shù)。

3.1 理論計(jì)算

螺釘?shù)淖畲髲澢鷳?yīng)力計(jì)算公式[4]為

(3)

式中：M為彎曲載荷；d為螺釘光桿段的直徑。

螺釘?shù)淖畲罄瓑簯?yīng)力計(jì)算公式[4]為

(4)

式中：F為拉壓載荷。

螺釘?shù)淖畲笈まD(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算公式[4]為

(5)

式中：T為扭轉(zhuǎn)載荷。

從上面的計(jì)算公式可以看出，在外界施加同等載荷的情況下，螺釘?shù)淖畲髲澢鷳?yīng)力和最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均與螺桿直徑的三次方成正比，而最大拉壓應(yīng)力則與螺桿直徑的二次方成正比，如式(6)～式(8)所示。因此，增大螺桿直徑是提高螺釘強(qiáng)度的有效手段。

σ(1,1)max/σ(2,1)max=d13/d23

(6)

σ(1,2)max/σ(2,2)max=d12/d22

(7)

τ1max/τ2max=d13/d23

(8)

表4是根據(jù)式(6)～式(8)計(jì)算得到的兩種不脫出螺釘強(qiáng)度的對(duì)比值。

表4國(guó)標(biāo)螺釘與浮動(dòng)螺釘組件的強(qiáng)度對(duì)比mm

螺紋規(guī)格M3M4M5M6國(guó)標(biāo)螺釘光桿段直徑d11.932.733.414.41浮動(dòng)螺釘光桿段直徑d22.303.204.004.80彎曲強(qiáng)度比值(σ2,1/σ1,1)1.691.611.611.29拉壓強(qiáng)度比值(σ2,2/σ1,2)1.421.371.381.18扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度比值(τ2/τ1)1.691.611.611.29

從表4可以看出，浮動(dòng)結(jié)構(gòu)不脫出螺釘組件的強(qiáng)度相對(duì)于國(guó)標(biāo)不脫出螺釘提高明顯。對(duì)于M5以下的小規(guī)格螺釘，抗拉強(qiáng)度提高37%以上，抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度提高61%以上。

3.2 仿真分析

利用Ansys數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)2種結(jié)構(gòu)的螺釘進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比仿真。仿真中選取的是GB837不脫出螺釘和本文中的浮動(dòng)不脫出螺釘，螺紋規(guī)格均為M4，螺釘長(zhǎng)度均為16 mm，螺釘材質(zhì)均為不銹鋼1Cr18Ni9Ti[5]。

仿真時(shí)施加的載荷和約束條件為：拉壓載荷，在螺紋段施加固定約束、在螺帽上沿徑向施加80 N橫向壓力載荷；扭轉(zhuǎn)載荷，在螺紋段施加固定約束、在螺帽上沿軸向施加800 N拉力載荷；彎曲載荷，在螺紋段施加固定約束、在螺帽上繞軸向施加3 N·m扭轉(zhuǎn)載荷。

在上述邊界條件下，仿真得到在3種典型載荷下螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5國(guó)標(biāo)螺釘與浮動(dòng)螺釘?shù)膹?qiáng)度仿真結(jié)果對(duì)比MPa

螺釘類型國(guó)標(biāo)不脫出螺釘浮動(dòng)不脫出螺釘最大彎曲應(yīng)力303459最大拉壓應(yīng)力368460最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力347537

從表5可知，在同等載荷下，浮動(dòng)不脫出螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值下降122 MPa以上，螺釘強(qiáng)度提高明顯。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

對(duì)于中大型焊接件，如整體焊接機(jī)架、機(jī)箱等，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，工件在使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生一定的形變，附著在工件上的螺釘孔也會(huì)隨著該變形同步發(fā)生孔位偏移，偏移量往往會(huì)超過(guò)國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)淖畲笱b配容差，導(dǎo)致螺釘或螺孔損壞。

圖4為某整體焊接機(jī)架，受焊接時(shí)效和裝配應(yīng)力的共同影響，機(jī)架使用一段時(shí)間后發(fā)生變形，導(dǎo)致機(jī)架上的蓋板安裝孔孔位發(fā)生偏移。經(jīng)測(cè)試，孔距與理論值的最大偏移量達(dá)到0.922 mm。

圖4 某設(shè)備變形引起的孔位偏差

該機(jī)架采用規(guī)格為M4的國(guó)標(biāo)不脫出螺釘與蓋板進(jìn)行連接，其裝配容差僅為±0.25 mm，允許最大孔距偏移量為0.5 mm，遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)的孔距偏差值(0.922 mm)。因此，在蓋板的裝配過(guò)程中出現(xiàn)了多批次螺釘被“別”斷和螺紋孔的鋼絲螺套被損傷的情況。如圖5～圖6所示。

圖5 螺釘?shù)膹澢嗔押蛽p傷

圖6 鋼絲螺套損傷、螺釘無(wú)法擰入

為解決上述問(wèn)題，工藝上采用了多種成本高昂的校形手段，但變形量還是無(wú)法控制到0.5 mm以下，螺釘斷裂的問(wèn)題始終沒(méi)有徹底解決。

將國(guó)標(biāo)不脫出螺釘更換為同規(guī)格的浮動(dòng)不脫出螺釘組件，對(duì)蓋板進(jìn)行原位替換。替換后，蓋板與機(jī)架之間的孔位容差由±0.25 mm提高到±0.65 mm，孔距的最大允許偏差值提高到1.3 mm，螺釘?shù)膽?yīng)力也下降了122 MPa以上。從而解決了因孔位偏差導(dǎo)致螺釘斷裂和螺紋孔損傷的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)浮動(dòng)不脫出螺釘組件與國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)膶?duì)比，從結(jié)構(gòu)、裝配容差和強(qiáng)度幾個(gè)維度進(jìn)行了理論分析和仿真，分析結(jié)果和工程應(yīng)用的情況表明：采用浮動(dòng)不脫出螺釘組件后，裝配容差提高到國(guó)標(biāo)不脫出螺釘?shù)膬杀兑陨?，螺釘?shù)膹?qiáng)度安全系數(shù)也得到較大提高。

浮動(dòng)不脫出螺釘組件，適用于容易發(fā)生變形和孔位偏差的焊接件或中大型機(jī)加工件。它不但可以有效解決螺釘斷裂和螺紋損傷的問(wèn)題，還可以降低對(duì)工件變形和孔位公差的要求，從而減小工藝難度，提高成品率，縮短加工周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。