螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

当螺栓和螺母螺纹抗剪切能力低于装配配轴力时,此时螺纹螺牙较弱,就会发生滑牙失效。当螺纹抗剪切能力较强时,随着装配扭矩和轴力的增加,螺纹连接的最终失效形式为螺栓断裂,原理图如下图所示。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

装配时,由于螺纹滑牙失效比较隐蔽,不容易察觉,装配过程中,可能扭矩也能达到目标值,其实已经发生滑牙。这种状态的螺纹副在受到动态载荷后,就会出现轴力衰减,造成螺纹连接的失效。

此外,当螺纹出现滑牙时,螺纹的返工和返修工作量较大,流水线装配时可能无法满足生产节拍的要求。因此在螺纹连接设计和装配时,应尽可能避免螺纹滑牙,即使过载时,失效模式应该是螺栓断裂,而不是螺纹滑牙。

那么螺纹连接滑牙的原因有哪些?

该如何应对呢?

对于轻金属螺纹连接,如铝合金螺纹连接位置。为保证连接的可靠性,保证零件内螺纹强度足够,设计上对螺纹孔的啮合长度都有一定的要求。啮合长度越高,内螺纹的抗剪切强度越高。

有小伙伴可能会问,螺纹拧紧时,每颗螺牙承载能力不是不一样吗?前3颗螺纹承受较大剪切载荷。如下图所示,正常装配时,螺纹的第7颗牙以后,承受载荷基本较低。但当前几颗螺纹开始出现较大的变形甚至滑牙时,后面螺纹承载力就会增加,从而终止螺纹继续发生滑牙。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

对于理论上,多长的啮合长度合适呢?通常可以采用公式计算法和查图法确定,下图为不同等级的螺栓配合不同强度的内螺纹的啮合长度理论值。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

下表为常见材料的最低的啮合长度,相比钢螺纹连接,铝、镁合金的内螺纹啮合长度明显较长。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

此外,为了保证在实际零件上不产生滑牙,还需要通过试验进行测试。通常是在实际零件上,按照工艺扭矩和角度,重复拧紧5-10次,螺纹不得出现滑牙。

下图为某零件经过几次重复拧紧后,螺纹出现滑牙。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

在设计螺栓和螺母配合时候,螺栓和螺母的配合通常是按照下表进行设计选用,即螺栓允许使用最高等级不超过对应螺母的等级。例如螺母采用8级,螺栓允许使用最高等级为8.8级。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

按照以上设计和选用原则,因为螺栓的保证载荷比同等级的螺母保证载荷低,因此通常不会发生滑牙。

但是对于焊接螺母,焊接过程会产生热量,可能会造成螺母不可控的近似热处理过程,造成螺母强度降低和保证载荷下降。此外,随着扭矩转角法过屈服拧紧应用广泛,螺纹的利用率达到100%,装配轴力也较高。这就会造成即使同等级的螺栓和螺母匹配时,螺母也容易出现滑牙。

因此,在焊接螺母设计和选用时,建议选用比螺栓更高一级的螺母,即螺栓为8.8级,螺母可以选用10级,这样的设计可以有效避免焊接螺母螺纹出现滑牙。

当螺纹出现滑牙时,可能原因有螺纹牙型尺寸、强度、螺牙形貌异常导致。螺纹牙型尺寸可以通过通止规进行分析,螺纹的强度和螺牙形貌可以通过硬度、保载和金相测试。

在零件滑牙失效的分析过程中,如果是由于零件质量问题导致的滑牙,基本可以从这几个影响因素里找到原因。

当螺纹强度低,热处理不充分,就会导致螺纹的剪切承载能力不足;当螺牙在搓丝过程中不完整,有效螺纹的承载面积就会减少,螺纹保证载荷就会降低;尺寸达不到设计要求时,无法经过通止规的检测,也会导致螺牙承载面积降低。此外,螺纹磕碰严重也容易会导致螺纹滑牙。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

下式为螺纹连接最小啮合长度计算公式,从公式中可以发现,螺栓大径,内螺纹基本中径会影响螺纹连接剪切强度,进而影响螺纹是否会发生滑牙。

mgesmin :最小啮合长度,

Rmmax :螺栓最大抗拉强度,

A:螺栓最小横截面积,

:螺距,

τBM :内螺纹剪切强度,

:螺栓大径,

D:内螺纹基本中经,

:修正系数

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

因此,在螺纹零件的质量管理上,要保证零件达到设计要求。

装配过程也有很多因素会导致螺纹连接出现滑牙。例如焊接螺母的焊渣、焊接螺母的焊接偏心、螺栓装配时出现倾斜等。

焊接螺母应用广泛,焊接螺母在焊接时不可避免会出现螺纹中残留焊渣,因为焊渣的存在,螺丝拧入时有较强的卡涩感,扭矩上升很快。这种情况的螺栓取出后,螺栓的前段部分已经出现滑牙现象,而螺母有焊渣残留的螺纹位置也出现明显的螺牙滑牙。为了避免滑牙,可以在螺母内螺纹上涂防焊渣胶,避免焊接时,焊渣的粘附。

焊接螺母在焊接过程中如出现偏心,这样会导致拧入的前半段会很顺畅,后半段会有明显的卡涩现象,如果强行攻入,会导致螺牙的损坏和滑牙。因此应优化焊接螺母焊接定位的问题,确保螺母焊接不会出现偏心。

斜打是拧紧过程中常见的问题,斜打螺丝会导致无法拧入,取出螺丝后,螺丝的头部会严重损伤,滑牙,中部和后部完好,螺母的螺纹也出现滑牙。如螺丝刚刚拧入发现倾斜,立即取出摆正继续拧入,螺丝前部出现损坏,螺丝中部有螺牙顺丝痕迹,尾部完好。

此外,装配使用拧紧工具过冲,拧紧工具未校准也会导致滑牙问题。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

对于以上装配中出现滑牙的问题,还可以通过设置相应的扭矩和角度监控窗口来有效识别装配中的缺陷。监控窗口的设定通常有4步,找帽监控、预紧监控、过程监控和终紧监控。对于以上的装配问题,均可以在预紧监控中进行识别,当设定的预紧目标值为扭矩时,如果装配时出现卡涩感,扭矩上升过快,会导致最终的角度低于监控窗口下限,并出现报警。所以,监控窗口的设定也是有效识别和防止滑牙的重要措施。

螺纹为什么会滑牙?该怎么办?

L.S.ENGINEER  Experience and Summary

螺纹滑牙是由于螺栓和螺母的螺纹抗剪切能力低于装配时的预紧载荷而出现的失效,在螺纹连接设计和装配中,应避免螺纹出现滑牙。

当螺纹连接出现滑牙时,可以参考本文从设计、零件质量、装配过程几个方面进行分析,找到导致螺纹滑牙的原因。

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