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鋼絲螺套用于提高鋁材螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的試驗(yàn)研究
2022-12-06
0 前言
在軍工、航天和現(xiàn)代通訊的一些精密設(shè)備中，需要降低設(shè)備的質(zhì)量，同時(shí)又要保證散熱性能，設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常會(huì)采用鋁材來(lái)替代黑色金屬，但是鋁材在使用過(guò)程中也有很多不足之處，它的強(qiáng)度和鋼材相比較低，螺紋連接強(qiáng)度不足影響了它的正常使用。由于鋁材較軟，在一些需要反復(fù)拆裝的部位中，螺牙很容易損壞，有時(shí)候會(huì)造成整個(gè)設(shè)備不能再次使用。所以，解決鋁材螺紋連接的強(qiáng)度不足是一個(gè)重要的問(wèn)題。采用熱處理加工或者加入合金元素提高鋁材強(qiáng)度是一個(gè)好方法，但對(duì)于某些強(qiáng)度等級(jí)比較高的螺紋連接所需要的強(qiáng)度還是不足。
鋼絲螺套用高精度、高強(qiáng)度、表面光潔的菱形不銹鋼絲精確成形而成，為高精度的內(nèi)外螺紋同心體。鋼絲螺套是提高鋁材螺紋連接強(qiáng)度的一種非常好的方法。在安裝完成后可以形成滿足相關(guān)精度要求的內(nèi)螺紋并提高力學(xué)性能。過(guò)去鋼絲螺套主要應(yīng)用于軍事和航天領(lǐng)域，目前在一些民用產(chǎn)品方面，應(yīng)用也非常廣泛。如某型號(hào)APPle筆記本的顯示屏鎂合金支架由于需要承受很多次數(shù)的開(kāi)合，顯示屏和底座結(jié)合處的螺絲會(huì)松動(dòng)，安裝鋼絲螺套可以提高內(nèi)螺紋強(qiáng)度，受力均勻，抗破壞扭矩大大提高，增加了使用壽命；在通用電氣LED燈泡的鋁鑄件燈座上，由于需要承受一定的高溫并且要防松，安裝熱穩(wěn)定性好的鋼絲螺套可以使螺紋的防松性能和強(qiáng)度在溫度變化情況下保持不變；在GE水利發(fā)電的水輪機(jī)輪轂上安裝耐腐蝕的鋼絲螺套，可以大大延長(zhǎng)使用壽命并提高力學(xué)性能；在汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和需要防振動(dòng)的部位（如底盤(pán)支架等），安裝鋼絲螺套可以提高內(nèi)螺紋的受力性能并方便維修；在波音747飛機(jī)上鋼絲螺套的單臺(tái)用量甚至達(dá)到25萬(wàn)個(gè)。
1. 鋼絲螺套增強(qiáng)螺紋連接強(qiáng)度的原理
標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)螺紋存在螺紋加工的角度誤差和牙距為誤差，導(dǎo)致螺栓和基體內(nèi)螺紋之間的接觸面很小，甚至發(fā)生點(diǎn)接觸，從而導(dǎo)致螺栓或基體螺紋的受力不均，降低了螺紋連接的強(qiáng)度和疲勞壽命。圖1右邊為預(yù)裝鋼絲螺套的螺紋連接，由于鋼絲螺套精度很高，并且304不銹鋼的材料強(qiáng)度很高，使得基體內(nèi)螺紋和鋼絲螺套的接觸面積大大增強(qiáng)，同時(shí)不容易損壞。另外，鋼絲螺套是一種彈性緊固件，使得基體內(nèi)螺紋的受力均勻分布，減少應(yīng)力集中的發(fā)生，從而大大提高了螺紋連接的疲勞壽命。
2. 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋和預(yù)裝鋼絲螺套內(nèi)螺紋的性能試驗(yàn)對(duì)比
2.1 試驗(yàn)材料
本試驗(yàn)采用的鋼絲螺套產(chǎn)品規(guī)格為M2.5x5mm，材料為304不銹鋼（美標(biāo)AS7245），抗拉強(qiáng)度1380~1725MPa，試件的材料為6mm的鋁板，規(guī)格型號(hào)為6061，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3880-2006,螺栓規(guī)格為M2.5x30，強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)，材質(zhì)為15B25M。對(duì)于每組試件的螺紋底孔分別加工成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋和預(yù)裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋，并對(duì)這兩種內(nèi)螺紋分別進(jìn)行拉力和破壞扭矩試驗(yàn)。
2.2 試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果
2.2.1 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)
抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)是在靜載荷下進(jìn)行的，即拉力逐漸增加，直至試件的內(nèi)螺紋破壞或者螺栓出現(xiàn)失效形式為止，試驗(yàn)共進(jìn)行了10次。
（1） 在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋中安裝螺栓并在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉力試驗(yàn)，在加載到1380N左右鋁板的內(nèi)螺紋損壞，有明顯的脫扣和滑牙現(xiàn)象。
（2） 在預(yù)裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋中安裝螺栓并在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，在加載到2200N左右時(shí)螺栓發(fā)生屈服變形，并發(fā)生預(yù)縮現(xiàn)象，螺栓產(chǎn)生輕度變形。
試驗(yàn)結(jié)果和詳細(xì)數(shù)據(jù)如下表。
可以看出，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋的螺紋連接最大承受拉力為1394N，而預(yù)裝鋼絲螺套后螺紋連接最小承受拉力為2100N，說(shuō)明預(yù)裝鋼絲螺套后確實(shí)大大提高了螺紋連接的抗拉強(qiáng)度。
2.2.2 破壞扭矩試驗(yàn)
在破壞扭矩試驗(yàn)過(guò)程中，扭矩逐漸增加，直至試件的內(nèi)螺紋破壞或者螺栓出現(xiàn)失效形式為止，試驗(yàn)共進(jìn)行了10次。詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
從表2可以看出，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋的螺紋連接最大破壞扭矩為1.23N.m，而預(yù)裝鋼絲螺套后螺紋連接最小破壞扭矩為1.73N.m，預(yù)裝鋼絲螺套后螺紋連接的破壞扭矩提高40%左右，說(shuō)明預(yù)裝鋼絲螺套確實(shí)大大提高了螺紋連接的破壞扭矩。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文測(cè)量了6061鋁板中標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋M2.5x5mm和預(yù)裝鋼絲螺套內(nèi)螺紋M2.5x5mm的抗拉強(qiáng)度和破壞扭矩，試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋比標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋的抗拉強(qiáng)度提高50%左右，破壞扭矩提高40%左右，試驗(yàn)證明，鋼絲螺套能夠?qū)?nèi)螺紋進(jìn)行有效保護(hù)，并大大提高內(nèi)螺紋的力學(xué)性能，對(duì)于需要承受扭力的場(chǎng)合，延長(zhǎng)了螺紋連接的壽命。