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鋼絲螺套用于提高鋁材螺紋聯(lián)接強度的試驗研究
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，同時又要保證散熱性能，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常會采用鋁材來替代黑色金屬，但是鋁材在使用過程中也有很多不足之處，它的強度和鋼材相比較低，螺紋連接強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，有時候會造成整個設(shè)備不能再次使用。所以，解決鋁材螺紋連接的強度不足是一個重要的問題。采用熱處理加工或者加入合金元素提高鋁材強度是一個好方法，但對于某些強度等級比較高的螺紋連接所需要的強度還是不足。
鋼絲螺套用高精度、高強度、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)的開合，顯示屏和底座結(jié)合處的螺絲會松動，安裝鋼絲螺套可以提高內(nèi)螺紋強度，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度在溫度變化情況下保持不變；在GE水利發(fā)電的水輪機輪轂上安裝耐腐蝕的鋼絲螺套，可以大大延長使用壽命并提高力學(xué)性能；在汽車的發(fā)動機和需要防振動的部位（如底盤支架等），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飛機上鋼絲螺套的單臺用量甚至達到25萬個。
1. 鋼絲螺套增強螺紋連接強度的原理
標準的內(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，同時不容易損壞。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. 標準內(nèi)螺紋和預(yù)裝鋼絲螺套內(nèi)螺紋的性能試驗對比
2.1 試驗材料
本試驗采用的鋼絲螺套產(chǎn)品規(guī)格為M2.5x5mm，材料為304不銹鋼（美標AS7245），抗拉強度1380~1725MPa，試件的材料為6mm的鋁板，規(guī)格型號為6061，技術(shù)標準GB/T3880-2006,螺栓規(guī)格為M2.5x30，強度等級為8.8級，材質(zhì)為15B25M。對于每組試件的螺紋底孔分別加工成標準內(nèi)螺紋和預(yù)裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋，并對這兩種內(nèi)螺紋分別進行拉力和破壞扭矩試驗。
2.2 試驗過程及試驗結(jié)果
2.2.1 抗拉強度試驗
抗拉強度的試驗是在靜載荷下進行的，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，試驗共進行了10次。
（1） 在標準內(nèi)螺紋中安裝螺栓并在拉力試驗機上進行拉力試驗，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機上進行抗拉強度試驗，在加載到2200N左右時螺栓發(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。
試驗結(jié)果和詳細數(shù)據(jù)如下表。
可以看出，標準內(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，說明預(yù)裝鋼絲螺套后確實大大提高了螺紋連接的抗拉強度。
2.2.2 破壞扭矩試驗
在破壞扭矩試驗過程中，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，試驗共進行了10次。詳細的試驗數(shù)據(jù)見表2。
從表2可以看出，標準內(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，說明預(yù)裝鋼絲螺套確實大大提高了螺紋連接的破壞扭矩。
4 結(jié)束語
本文測量了6061鋁板中標準內(nèi)螺紋M2.5x5mm和預(yù)裝鋼絲螺套內(nèi)螺紋M2.5x5mm的抗拉強度和破壞扭矩，試驗結(jié)果表明，預(yù)裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋比標準內(nèi)螺紋的抗拉強度提高50%左右，破壞扭矩提高40%左右，試驗證明，鋼絲螺套能夠?qū)?nèi)螺紋進行有效保護，并大大提高內(nèi)螺紋的力學(xué)性能，對于需要承受扭力的場合，延長了螺紋連接的壽命。