分析沉頭螺釘在運用中出現的問題

■ 中國船舶重工集團公司第七二二所 （湖北武漢 430079） 鮑力南 程澤平 龔雅娟

在所接觸的很多產品中，有許多結構件通過采用緊固件把各個零件相互聯接、固定起來，裝配成結構部件。但在使用緊固件時，往往會受到聯接件的剛性、強度、結構形式及安裝空間等方面的要求和限制，很多情況下只能選擇采用沉頭螺釘聯接結構零件，以實現我們的最終產品。沉頭螺釘的最大優點是其沉頭部旋緊后在工件的表面以下，不突出工件的表面，所以在許多的結構件中用它來聯接和固定。沉頭螺釘又稱作平機螺釘。

沉頭螺釘頭部是一個90°的錐體，與常見的木螺釘類似，頭部有工具擰緊槽，分為一字槽、十字槽及內六角形等形式。但內六角形這種形式的沉頭螺釘，內六角孔深一般只有4mm，孔口易變形，不能承受較大的力矩，在國外這種沉頭螺釘采用較多，由于沉頭螺釘材料好、很耐用且質量突出，用在許多緊湊的結構件上。但在國內，內六角形這種形式的沉頭螺釘使用的范圍受到一定的限制，一般常用的是一字形和十字槽這兩種形式的沉頭螺釘。

1. 存在的問題及分析

沉頭螺釘在使用過程中，存在孔位不準確、沉頭螺釘90°斜錐面單邊受力、旋緊力量不夠及操作人員用力大小不一等問題。

（1）沉頭螺釘孔位不準確，造成其安裝不到位問題。沉頭螺釘聯接兩個零件時，一般情況都是1個零件為通孔，另1個零件為螺紋孔，如果用于聯接的沉頭螺釘是兩個以上時，就要求通孔之間孔距與螺紋孔之間孔距一一對應，而且孔位的基準都要準確一致。圖1、圖2所示是兩個實例。

圖1 活動架示意圖

圖2 運動軸示意圖

圖1所示兩個側板采用4個沉頭螺釘，聯接固定在中間的拉板上組成一個結構件（活動架），活動架聯接完成后再加工側板上的兩組安裝定位孔，并且要以兩個側板的外底面為基準，如果兩個側板上的沉孔或者中間拉板的螺孔之間偏差過大，就很難將兩個側板的外底面調平，如果兩個側板的外底面調不平，給加工兩個側板上的兩組同軸的孔帶來麻煩，所以在這個活動架上采用沉頭螺釘聯接固定，存在一定缺陷。

圖2所示法蘭蓋起著支撐定位作用，固定聯接采用的是沉頭螺釘。如果法蘭蓋上的沉頭孔與支撐板的螺孔有一定的偏差，在法蘭蓋與支撐板會有一定的配合間隙的方向偏移，從而造成法蘭蓋上軸出現不同軸的情況，運動會產生噪聲，并加快軸承的磨損，所以這種結構形式盡量不要采用沉頭螺釘來定位固定。

對于聯接件中使用多個沉頭螺釘的情況，在加工中一定要特別注意，盡量采用數控鉆床、數控設備來保證孔距，如果在加工中孔距出現了偏差，就會造成沉頭螺釘的90°斜錐面與零件上沉頭的斜面產生偏位，沉頭螺釘頭部會沉不到90°斜錐面里，沉頭螺釘就會形成半斜錐面受力的狀態，嚴重時還會造成通孔零件和螺紋零件的錯位，沉頭螺釘就會裝不上去，結果達不到我們所需要的技術要求和狀態。

（2）沉頭螺釘旋緊力不夠和大小不一致問題。在使用沉頭螺釘聯接零件的過程中，單件和小批量一般采用手工方法來旋緊，在旋緊過程中由于操作人員的力量大小存在一定的差異，受到這種差異的影響，沉頭螺釘擰緊的程度也就有所不同。沉頭螺釘的工具擰緊槽為一字形和十字形槽，擰緊用的工具為螺絲刀，工具擰緊槽為內六角形，擰緊用的工具為內六角扳手，就擰緊形式相比較，螺絲刀沒有加長的力臂，與內六角扳手相比旋緊力矩往往要小40～50N·m左右，操作人員在擰緊一字形和十字槽的沉頭螺釘時，只能使用直柄的螺絲刀擰緊沉頭螺釘，若沒有力臂，單靠操作人員的力量大小決定擰緊力，常會出現螺釘松動和零件聯接不穩定的情況。

在旋轉運動結構件中通常使用沉頭螺釘，沉頭螺釘經過與旋轉件一起旋轉運動后，會出現松動的情況，當旋轉件達到一定速度的轉速時，就會發生相應的振動，而振動強度的大小，根據沉頭螺釘擰緊的狀態，會發生相應的變化。如果沉頭螺釘在旋緊的狀態下其頭部沉不到90°斜錐面里，往往經過一定時間的振動，沉頭螺釘就會出現松動，嚴重的情況會造成沉頭螺釘完全脫落出原螺紋孔，造成機械故障；有的振動雖然沒有造成沉頭螺釘從螺紋孔中脫落出來，但會造成緊固的聯接件松動，使得緊固的聯接件發生位移和脫離原安裝位置，這樣非常容易發生故障和事故，不能實現運動部件的功能和作用，造成質量事故和經濟損失。

在裝配過程中，理論上沉頭螺釘預緊力的大小根據沉頭螺釘組受力的大小和聯接件的工作要求決定，一般規定擰緊后螺紋聯接件預緊應力不得大于其材料屈服點σs的80%。一般鋼制螺釘取0.6～0.7σs·AS。由于操作人員擰緊力量大小有差異，決定了沉頭螺釘擰緊的程度不能保持一致，在有機械振動的情況下，沉頭螺釘松動的情況會顯現得較為突出。所以在沉頭螺釘用于聯接運動件時，會采用其他的方法加以解決，在較大批量聯接件的裝配中，往往會采用電動、氣動工具，裝上可更換的螺絲刀頭進行裝配，電動和氣動裝載槍分別適用于電器、機柜類的裝配和機械設備的裝配。在用電動和氣動槍裝配一字形的沉頭螺釘時，電動和氣動槍頭上的活動螺絲刀頭，在沒有定心的情況下，在旋轉中很容易偏移出一字槽中，力量大的時候會使螺絲刀頭和一字槽造成損壞，嚴重的情況下螺絲刀頭和沉頭螺釘均不能使用，所以在設計選用以及實際使用電動和氣動裝載槍裝配沉頭螺釘時，最好使用十字槽的沉頭螺釘。

2. 解決問題的方法

根據上述一字槽沉頭螺釘在使用中存在的問題，通常在設計過程中，盡量不選用一字槽沉頭螺釘。但是由于有些特殊的結構件，沒有安裝空間或者有外觀要求等方面的需要，而不得不采用沉頭螺釘，針對這種情況，應努力尋找有效的手段和方法來解決這個問題。

（1）解決方法一。為增大沉頭螺釘的旋緊力，在螺絲刀中段靠近柄部焊接上一個橫桿，橫桿的長度在200～300mm左右，需要旋緊的沉頭螺釘先經過沒有焊橫桿的螺絲刀旋擰不動后，再用焊接有橫桿的螺絲刀，讓左手握住螺絲刀柄部，把螺絲刀刀口對準沉頭螺釘一字槽或十字槽，并用力，右手握住橫桿按順時針方向加力旋轉，直到沉頭螺釘完全旋擰不動為止，這種方法在實際中確實很有效果。但是也存在幾個方面的缺陷：首先在要旋緊的沉頭螺釘周邊不能有障礙物，要有足夠的操作空間；其次不方便攜帶，使用過后收存也不便，通用性不強。

（2）解決方法二。為了使沉頭螺釘能達到好的旋緊狀態，還采用另外一種方法，就是用鉆床主軸頂住螺絲刀柄部及基本旋緊的沉頭螺釘上，再用活動扳手卡住螺絲刀扁方，按順時針方向旋緊螺釘。操作的具體方法：用螺絲刀將沉頭螺釘旋擰緊后，再將旋緊的螺釘與工件一起放置在立式鉆床或搖臂鉆床的工作臺，調整工作臺臺面或搖臂鉆床的橫臂，使還需要繼續旋緊的沉頭螺釘外平面直立在鉆床主軸下端面，能夠放入螺絲刀，用螺絲刀刀口對在螺釘一字槽里，用主軸的下端面壓住螺絲刀的柄尾部，操作鉆床的主軸上升、下降的手柄，使手柄向下用力壓緊，使鉆床主軸向下的力傳遞在螺絲刀和螺釘上，力加上后，再用活動扳手，收小活動口與螺絲刀扁方一致，并卡在螺絲刀扁方上，一邊按順時針方向旋擰絲錐，一邊繼續使鉆床的主軸向下方用力，始終保持壓緊的狀態，直到用活動扳手將螺絲刀下的沉頭螺釘旋緊不動為止，這種方法能使沉頭螺釘旋擰的力矩達到45～55 N·m，使沉頭螺釘能夠達到擰緊的狀態。但是這種方法也存在不足，在操作上一般需要兩個人協同操作，適用于M5以上的沉頭螺釘，較大的工件在鉆床操作多有不便，沉頭螺釘的拆裝都要在鉆床上操作，效率很低。

（3）解決方法三。沉頭螺釘在常態旋緊狀態下，通過增大力矩和在鉆床上加力頂緊旋緊這兩種方式，來防止沉頭螺釘在振動條件下不松動和脫落。另外還可采用沖鉚的方法，就是在沉頭螺釘用螺絲刀擰緊后，在沉頭螺釘平頭一字槽口與90°沉孔斜錐面上，用樣沖沖出多個較大的樣沖眼，用樣沖沖起的翻邊，來防止螺釘的松動，以達到防松的目的，這種方法也起到了一定的防松效果。但從外觀上看，十分不美觀，在沖樣沖眼的過程中，有很多不確定的因素，每個人沖出的樣沖眼很難保持一致，尺度和標準難以統一，如果螺釘需要反復地拆卸，操作上就很不方便，從機械制造這個角度來講，是一種沒有水準的方法，不能作為一種好的方法進行推廣。

（4）解決方法四。一字槽沉頭螺釘通常用于聯接結構件，通常使用的一字槽螺釘有半圓頭、圓柱頭和沉頭等，由于旋緊螺釘采用的是通用的螺絲刀（起子、改錐），螺釘的旋緊程度根據操作者作用力的大小有所不同，這些情況都是由螺絲刀的形狀決定，在操作上不好用力，導致螺釘旋緊狀態松緊不一。如此的狀態對于有抗顛振、沖擊等環境要求的產品，螺釘如果出現松動式脫落，就有可能造成設備的故障，造成物質上的損失。

（5）解決方法五。鑒于上述弊端，我們在工作中通過不斷的總結和摸索，設計了一種活動加力桿工具，如圖3所示。

這種工具是在螺絲刀下端刀口扁方處增加一個附加力矩，使對螺釘的旋緊力增加了數倍以上，操作者便于用力，操作方便、簡單，有很好的通用性。現設計這種加力桿工具是利用增大力矩的原理，用一個整體式的加力桿，下部槽口卡住螺絲刀刀口扁方，也可擰緊螺釘卡住螺絲刀的扁方，當螺絲刀手柄旋轉力矩不夠時，使用加力桿工具可有效旋緊螺釘，使螺釘有很強的抗顛振、沖擊的性能，而且加力桿的范圍適用于各種螺絲刀。

圖3 活動加力桿工具

具體的操作使用方法：操作者在使用螺絲刀旋緊螺釘擰不動時，將螺絲刀穿入到加力桿的槽中，再將螺絲刀刀口作用在螺釘的一字槽處，左手握緊螺絲刀手柄上端向被旋緊螺釘方向用力，右手抓住加力桿工具橫向柄部，順時針方向旋轉用力，這樣增加螺絲刀的旋轉力矩，使螺釘達到旋擰緊的狀態，同理，在拆卸螺釘時，也可使用加力桿工具反向旋轉旋出螺釘，具體操作如圖4所示。

圖4 加力桿操作示意圖

3. 結語

在實際工作中，使用沉頭螺釘聯接結構件的形式很多，經常碰到沉頭螺釘旋緊的狀態不夠穩定、旋緊力不一致，而且經過運轉顛振，對螺釘產生沖擊，會發生螺釘松動和脫落等問題。我們在生產實踐中不斷地進行思考和總結，先后嘗試了很多種方法，找到了一種克服沉頭螺釘出現松動、脫落等問題最有效的方法和手段，取得了一定的成績和效益。

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