基于精密探針掃描的焊接螺母螺紋強度分析

鄧威，鄧小雯，王生懷，鄒春龍

(1.湖北中航精機科技有限公司，湖北襄陽 441005；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

基于精密探針掃描的焊接螺母螺紋強度分析

鄧威1，鄧小雯2，王生懷2，鄒春龍2

(1.湖北中航精機科技有限公司，湖北襄陽 441005；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

針對螺紋強度等級為8.8級的焊接螺母擰緊時出現(xiàn)滑絲問題，通過建立模型將焊接螺母擰緊過程進(jìn)行簡化，分析擰緊力矩小于理論擰緊值，且實驗表明通過增加其強度等級仍無法解決滑絲問題。采用精密探針對配合的螺紋進(jìn)行掃描，分析內(nèi)外螺紋配合完整螺牙真實情況，掃描顯示：擰緊時螺紋光段與尾牙進(jìn)入焊接螺母內(nèi)，完整螺牙不足3個，螺紋副提前進(jìn)入屈服階段，解釋了滑牙的根本原因。通過對掃描后螺紋牙型分析，提出保證4個完整牙數(shù)、將焊接螺母厚度增加1.4 mm的最優(yōu)解決方案，滿足滑牙扭矩實驗要求，極大地降低了設(shè)計更改成本。

焊接螺母；螺紋強度；滑絲；探針掃描

0 引言

精密探針掃描設(shè)備已廣泛應(yīng)用于精沖模塌角和微小型齒形掃描等零部件的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究。螺紋聯(lián)接是汽車零部件之間結(jié)合的最常用方式之一，與鉚接、焊接等結(jié)合方式相比，具有裝配與維修的方便性，也是標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的機械零件。擰緊是用螺栓、螺母把零件連接起來，不能松動。為防止螺栓松動，必須對其施加一定軸向力，即適當(dāng)拉力(擰緊力)。實際工程作業(yè)時，直接測量軸向力非常困難，故擰緊螺栓、螺母時，常用“扭矩”代替。擰緊時，扭矩過大經(jīng)常會破壞掉螺紋，如滑絲。滑絲是綜合性問題，涉及到螺紋自身強度和螺紋配合等問題[1]，作者采用精密掃描探針對螺紋配合螺牙進(jìn)行精確測定，并以此分析了螺牙失效的根本原因，解決了工程實踐問題。

1 焊接螺母抗扭失效形式

1.1 焊接螺母滑牙失效原因分析

氣槍設(shè)定轉(zhuǎn)矩60 N·m，焊接螺母在氣槍裝配時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，焊接螺母螺紋被磨損，如圖1(a)所示。

圖1 焊接螺母滑扣故障件及魚刺圖

生產(chǎn)現(xiàn)場反饋熟練工人使用氣槍用同一手法，將同一批次螺栓擰進(jìn)座板直至擰緊。不同批次的螺栓都出現(xiàn)滑絲，通過魚骨圖法，如圖1(b)所示，初步分析是螺紋強度問題。

1.2 焊接螺母配合強度分析

焊接螺母的規(guī)格M10×1.25，用M10×1.25螺紋通止規(guī)對其進(jìn)行測量螺母規(guī)格符合M10×1.25標(biāo)準(zhǔn)要求。一般來講，螺母材料強度低于螺桿，所以螺紋牙抗彎和抗剪切強度校核以螺母為對象[2]，即校核母扣。

焊接螺母實物如圖2(a)所示，螺栓在擰緊過程中的受力情況如圖2(b)所示，緊固狀態(tài)下，螺紋緊固件主要受3個方面力：軸力F是作用在螺栓外螺紋的軸向拉力[3]，為被連接件提供夾緊力；螺栓與座板1和墊圈相對轉(zhuǎn)動，其接觸支承面產(chǎn)生摩擦力F1；因焊接螺母通過焊縫與座板2固連在一起，所以擰緊過程中與座板2無相對運動，表面無摩擦力。螺栓外螺紋側(cè)面與焊接螺母內(nèi)螺紋側(cè)面間摩擦力為F2。

圖2 焊接螺母與螺栓聯(lián)結(jié)

對螺母施加力時，將產(chǎn)生力矩：

T=FL×L

(1)

其擰緊力矩由兩部分組成，一部分用于克服支承面摩擦力產(chǎn)生力矩T1，另一部分克服螺紋副摩擦F2產(chǎn)生的力矩T2。彈性區(qū)內(nèi)，擰緊力矩和緊固軸力(預(yù)緊力)的關(guān)系式如下：

T=T1+T2=KP0d

(2)

P0=σ0×AS

(3)

式中：σ0為螺紋緊固件的屈服強度，σ0=(0.5～0.7)σs；AS為螺紋部分有效面積,AS計算式如下：

(4)

其中：P0為預(yù)緊力；K為扭矩系數(shù)(與支承面粗糙度和潤滑情況、螺紋副精度和潤滑情況等相關(guān))；d、d1、d2、dS分別為螺紋公稱直徑、小徑、中徑、危險剖面直徑；H為螺牙公稱工作高度；P為螺距；σs為螺栓材料的屈服極限強度。

對螺栓規(guī)格為M10×1.25的螺栓查表和計算可得d1=8.647 mm,d2=9.188 mm,d3=8.466 mm,dS=8.827 mm，AS=61.2 mm2,螺栓等級8.8級，查相關(guān)資料螺栓材料的屈服極限σs=640 N/mm2。一般加工表面且無潤滑條件下K值的范圍為0.18～0.3,此處取0.24，則擰緊力矩：

T=(0.5～0.7)σsASKd×0.001=(0.5～0.7)×93.9 N·m

(5)

T取值范圍為47～65.7 N·m。擰緊力矩在47～65.7 N·m范圍即可將螺栓擰緊，且在65.7 N·m以內(nèi)螺紋不滑扣。在實測螺紋強度時，出現(xiàn)擰緊力矩小于45 N·m就發(fā)生滑牙的情況，需進(jìn)一步提高螺栓強度等級，排除擰緊力是否過大。

將焊接螺母的強度等級由8.8級提高到9～10級[4-5]，如表1所示，材料的屈服強度σs=720～900 N/mm2。

T=(0.5～0.7)×(105.7～132) N·m

(6)

保證在74 N·m以內(nèi)螺紋不滑扣，實測仍有50 N·m就滑扣的情況出現(xiàn)。

擰緊力矩小于理論擰緊值，但還是出現(xiàn)滑牙問題，且實驗表明通過增加其強度等級仍無法解決滑絲問題。需要進(jìn)一步分析內(nèi)外螺紋配合完整螺牙真實情況，采用精密探針對配合的螺紋進(jìn)行掃描。

表1 第三方焊接螺母強度檢驗表

2 緊固螺栓螺紋掃描

用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對螺紋連接的各個零件(如圖3所示)進(jìn)行測量，并取平均值，測量結(jié)果見表2。

圖3 螺栓與螺紋

圖中：B1為彈簧墊圈的厚度;B2為平墊圈的厚度;B3為金色墊圈的厚度;δ為螺母焊接后到安裝平面的總高度(含0.5 mm間隙);X1為無牙光段尺寸;X2為含牙段尺寸。

表2 零件測量結(jié)果 mm

采用精密探針掃描儀對螺紋的牙型進(jìn)行全尺寸掃描。為保證每次掃描的結(jié)果準(zhǔn)確，掃描時將探針定位到準(zhǔn)尾牙部位后2 mm左右，探針壓頭下壓力適中，探針從尾牙勻速地掃描至頭部，如圖4(a)所示。掃描完后，掃描儀以“.dxf”文件輸出螺紋整個曲線，如圖4(b)所示。

3 螺紋配合完整螺牙計算

3.1 內(nèi)外螺紋重合牙數(shù)的計算方法

螺栓光段進(jìn)入螺母的長度：

h=X1-B1-B2-B3-0.5=8.55-(2.46+2.44+2.07)-0.5=1.08 mm

(7)

螺栓光段進(jìn)入螺母的螺紋段長度：

h1=1.08-0.8=0.28 mm

(8)

內(nèi)外螺紋重合牙數(shù)：

n=(7.63-0.5-0.8×2-0.28)/1.25=4.19 mm

(9)

如圖5所示，兩處0.8 mm的尺寸為焊接螺母的倒角，剖面線區(qū)域是螺母內(nèi)螺紋配合的示意圖，螺栓的光段進(jìn)入螺母內(nèi)部深度為1.08 mm，螺紋重合牙數(shù)4.19，去掉螺栓和螺母根部不完整牙尾，完整螺牙小于3個。擰緊力矩過大時，滑牙風(fēng)險極大，建議螺栓增加2個重合牙形數(shù) 。增加完整重合螺紋數(shù)有兩個較直接的方法：一種是增加配合墊片的厚度4 mm，保證螺栓尾牙不進(jìn)入螺母牙型，如圖6所示； 另一種方法，增加焊接螺母厚度4 mm，保證足夠的完整牙型配合，如圖7所示。

圖5 內(nèi)外螺紋配合圖

圖6 墊片加厚4 mm內(nèi)外螺紋配合圖

圖7 螺母加厚4 mm內(nèi)外螺紋配合圖

3.2 優(yōu)化螺母厚度

若直接增加墊片的厚度，其質(zhì)量增加3倍，墊片的成本則大幅度增加。若直接按照增加墊片的厚度等效螺母增加厚度，螺母的質(zhì)量增加57%，螺母的成本則大幅度增加，都是客戶難以接受的解決方案。

假設(shè)增加焊接螺母厚度所得的完整螺牙數(shù)與增加墊片完整

螺牙數(shù)一致，所獲得的抗滑牙能力相近。增加焊接螺母厚度最小值在1.4 mm左右，保證4個完整牙型配合，如圖8所示。

圖8 螺母加厚1.4 mm內(nèi)外螺紋配合圖

按照以上要求，加不同厚度墊片和增加不同厚度焊接螺母情況各50組，分別進(jìn)行滑牙扭矩測試，測量結(jié)果在2 N·m內(nèi)的按相近扭矩取值，結(jié)果如表3所示。

表3 扭矩測試結(jié)果(強度等級9～10 ,力臂500 mm)

3.3 螺紋連接螺牙數(shù)-扭矩-應(yīng)變關(guān)系

當(dāng)螺栓強度等級為8.8級時：

T=(0.5～0.7)×93.9 N·m

(10)

當(dāng)螺栓強度等級為9～10級時：

T=(0.5～0.7)×(105.7～132)N·m

(11)

為保證螺栓連接牢靠且不至于破壞連接件，螺紋緊固件的屈服強度取0.5～0.7倍螺栓材料的屈服極限強度，即擰緊力矩值取0.5～0.7倍的抗滑牙扭矩值[6-7]，8.8級螺栓的抗滑牙扭矩為94 N·m，9～10級的抗滑牙扭矩105.7～132 N·m，實測驗證正確。如圖9所示，擰緊力矩值處于螺栓線彈性區(qū)間，若繼續(xù)施加力，擰緊力矩會增至滑牙扭矩值附近，材料受力已達(dá)到屈服極限，擰緊力矩會突然下降，即滑扣或扭斷。

通過掃描和實驗驗證，當(dāng)螺栓和焊接螺母重合的完整螺牙數(shù)在1～3個區(qū)間內(nèi)，擰緊力矩大于螺紋可承受抗扭強度，螺紋連接處于危險區(qū)域(紅、紫、藍(lán)區(qū))，螺紋極易滑扣。當(dāng)螺栓和焊接螺母重合的完整螺牙數(shù)3個以上，螺栓的抗滑牙能力接近滑牙極限扭矩。

圖9 螺牙數(shù)-扭矩-應(yīng)變圖

經(jīng)探針掃描分析，增加墊片等效于螺栓牙尾段外移，如圖6所示，間接增加了螺栓完整牙數(shù)與螺母牙型配合，增加4 mm墊片時,內(nèi)外螺紋重合牙數(shù)：

n=(7.63-0.5-0.8×2)/1.25=4.42

(12)

當(dāng)擰緊扭矩增加至117～125 N·m，或繼續(xù)增加扭矩，則螺栓被扭斷，如圖10所示，即螺紋抗滑牙強度足夠。將螺母厚度分別增加4和1.4 mm，保證螺紋重合完整牙數(shù)大于3個，抗滑牙扭矩能力接近滑牙扭矩，即超過擰緊力矩區(qū)間[T1，T2]。實驗重新測定重合完整牙數(shù)大于3個的螺紋連接，抗滑牙扭矩均大于100 N·m，且螺紋連接破壞時的扭矩與滑牙扭矩值接近，見表3。將螺母加厚1.4 mm完全可以保證抗滑絲強度。

圖10 螺栓扭矩實驗扭斷圖

4 結(jié)束語

通過精密探針掃描焊接螺母配合結(jié)構(gòu)，深入分析了 “配合螺紋數(shù)-扭矩-應(yīng)變”的關(guān)系，提出將螺母加厚1.4 mm的最優(yōu)解決方案，并用于后期產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，極大降低了生產(chǎn)成本，也是精密儀器應(yīng)用于工程實踐的成功案例。

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StrengthAnalysisofWeldNutThreadBasedonPrecisionScanProbe

DENG Wei1, DENG Xiaowen2, WANG Shenghuai2, ZOU Chunlong2

(1.AVIC Hubei Aviation Precision Machinery Technology Co.,Ltd.,Xiangyang Hubei 441005，China；2.College of Mechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan Hubei 442002，China)

Regarding the existing problem of thread easily sliding teeth with 8.8 thread strength grade when weld nut was tightened, a model was established to simplify the tightening process of welding nut.It was analyzed the tightening torque was less than theory value, while the experimental result showed that sliding teeth problem still existed by increasing strength grade. The mated threads were scanned using precision probe to analyze the truth mating state of internal and external thread. The results show that the end thread teeth and unthreaded portion match with weld nut when tightened, the complete teeth number is less than 3, screw pairs enters the yield stage in advance. This explains the root cause of the slip teeth. The optimized solution was put forward through analyzing the type of thread after scanning, which four complete teeth should be ensured by increasing the thickness of weld nut 1.4 mm. It meets the requirements of sliding teeth torque experiment, reducing the cost of design change greatly.

Weld nut; Thread strength; Sliding teeth; Probe scanning

2017-03-27

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(D20141802)

鄧威(1983—)，男，工程師，主要研究方向為機械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、汽車座椅精密調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計。E-mail:dengwei_1983@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.004

TH703.8

B

1674-1986(2017)10-015-05