空套螺母的设计参数对横纹夹持梓木构件极限抗拔力的影响

郝景新，周腾飞，刘文金，黄 彬

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院，湖南 长沙 410004）

空套螺母的设计参数对横纹夹持梓木构件极限抗拔力的影响

郝景新，周腾飞，刘文金，黄 彬

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院，湖南 长沙 410004）

采用正交试验法系统研究了不同空套螺母的设计参数对梓木构件径向极限抗拔力的影响规律。结果表明：螺纹长度、螺纹间距、螺纹高度对梓木构件径向极限抗拔力的影响显著，而螺母底径的影响不显著。随着螺纹长度和螺纹高度的增加，螺纹间距的减小，极限抗拔力呈上升趋势。如果要提高空套螺母连接件的抗拔力，比较有效的方法是延长螺纹的长度而不是增加螺母的底径。

家具设计；家具五金件；梓木构件；空套螺母；极限抗拔力；螺纹参数

梓木Catalpa ovata don广泛分布在湖南、湖北等我国中部地区，丰富的蓄积量决定了其具有工业化家具用材的潜力。而且，梓木木纹优美，且表面带光泽，经过涂饰以后，具有近似珍贵高档家具用材相媲美的外观属性。开展梓木构件可拆装连接技术的研究是实现梓木家具工业化生产的关键技术之一。

家具五金件本身的可拆装性决定了梓木构件的可拆装性，因此五金连接件至少有2个基本零件组成，每一部分应分别与对应的梓木材料连接牢固，然后通过五金件之间连接实现可拆装性，而通常必不可少的是嵌入螺母[1]。研究表明：嵌入螺母与基材之间界面连接破坏是家具构件之间破坏的主要形式，因此嵌入螺母的极限抗拔力是家具构件连接强度关键[2]。查阅相关文献，对于家具构件连接性能方面的研究主要集中在榫接合[3-5]或木螺钉接合[6]等领域，而对于空套螺母的连接性能的研究很少。螺纹拧入式的空套螺母连接件比普通涨开式的嵌入螺母的极限抗拔力要大的多，而这是实木家具构件连接所需要的。因此本论文以空套螺母并配合相应的螺栓为基本连接形式，系统研究螺纹参数对梓木构件径向极限抗拔力的影响。

1 材 料

（1）梓木板材：来源于湖南荣星家具有限公司，平均含水率12.0%，平均气干密度0.45 g/cm3。

（2）空套螺母连接件：根据实验的要求进行定制，相关参数说明见图1。

图1 空套螺母的螺纹参数标识Fig.1 Thread parameters notation of inner threaded nut

2 试验仪器

（1）电脑型万能力学试验机：苏州健豪KHQ-002H。

（2）普通台钻与钻头：市场购买。

（3）夹具：自制。

3 试验方案

3.1 试件制备

为了减小木材纹理的差异对测试结果的影响，本研究均选用径切板梓木。将选好的梓木板材锯切成50 mm×50 mm的试件，然后选择外弦切面，在该平面的中心点，分别钻φ9×12 mm（图2），φ11×22 mm，φ13×32 mm的垂直圆孔。最后将按参数要求定制的空套螺母用六角扳手拧入导向孔中。

图2 导向孔的钻孔位置Fig.2 Hole drilling position of inner threaded nut

3.2 试验方法

本试验采用L9(34)正交试验法。为了能够系统研究空套螺母的相关结构参数对抗拔力的影响，选取螺纹长度、螺母底径、螺纹间距、螺纹高作为自变量，每个变量取三个水平，具体见表1。根据其他学者的研究成果：空套螺母与材料之间配合间隙也是影响极限抗拔力的因素[7]；并综合考虑预试验的结果：配合间隙过小会导致空套螺钉拧入十分困难，选择预钻孔与空套螺纹底径之间的单边间隙为0.5 mm。

表1 L9(34)正交试验的因素水平Table 1 Factor and level of L9(34) testing program

3.3 测定方法

采用自制的夹具，在万能力学试验机上进行抗拔力试验（图3），在垂直于纹理方向的两边固定，平行于纹理方向的两边为自由边。加载速度为3 mm/min。

图3 梓木构件抗拔试验加载外观Fig.3 Loading method of specimen’s testing

4 结果与分析

4.1 直观分析

（1）螺纹长度的影响

随着螺纹长度的增加，梓木构件的径向极限抗拔力几乎呈线性增加的趋势。空套螺母的插入深度增加使接合面的内螺纹长度增加，产生力的累加效应，从而使极限抗拔力增加。因此，只要被连接零件的横截面尺寸足够大，我们就可以通过延长空套螺母的长度来提要极限抗拔力，这对于高强度连接的部位是需要的，如椅后腿与横档之间的连接。

图4 各因素对极限抗拔力影响的趋势分析Fig.4 Trend analysis of effect of factors on MWR

（2）螺母底径的影响

相对于其他因素，螺母底径对梓木构件的径向极限抗拔力的影响较小。因此，在实际的应用中不建议采用较大螺纹底径的空套螺母。

（3）螺纹间距的影响

随着螺纹长度的增加，梓木构件的径向极限抗拔力逐渐下降，但下降的速度逐渐变小。

（4）螺纹高度的影响

随着螺纹高度的增加，梓木构件的径向极限抗拔力逐渐上升。但是增加螺纹高度，也会导致空套螺母在旋入木材圆孔时的难度快速增加，从而不利于装配质量和效率的提升，因此实际应用中，应根据具体材质的要求合理选用适当螺纹高度的空套螺母。

4.2 方差分析

螺纹长度、螺纹间距、螺纹高度对梓木构件径向极限抗拔力的影响显著，而螺母底径的影响不显著。螺纹长度的影响最为显著，其次是螺纹间距、螺纹高度，最后是螺母直径，同时，综合考虑螺纹参数对空套螺母拧入导向孔的难易程度，由于较大的螺纹长度和螺纹高度会导致手工拧入螺母极其因难，最终选择较优的螺纹参数组合为：A2B1C1D2。

5 结 论

螺纹长度、螺纹间距、螺纹高度对梓木构件径向极限抗拔力的影响显著，而螺母底径的影响不显著。随着螺纹长度和螺纹高度的增加，螺纹间距的减小，极限抗拔力呈上升趋势。如果要提高空套螺母连接件的抗拔力，比较有效的方法是延长螺纹的长度而不是增加螺母的底径。

表2 梓木构件极限抗拔力的方差分析Table 2 Variance analysis of MWR

[1] 郝景新,刘文金,吴新凤. 基于纸质蜂窝的家具板件结构与工艺技术[J]. 包装工程, 2012, 33(22):29-32.

[2] 柳万千. 家具力学[M].哈尔滨: 东北林业大学出版社, 1993.

[3] 宋俞成,朱丽华,马 贞,等. 梓木家具圆榫接合抗拉强度影响因素试验研究[J].林产工业, 2014, 41(3): 20-23.

[4] Tsair-Bor Yen, Hans R. Zuuring, Wdwin J. Burke. The evaluation of bending moment resitance of single wood-plate corner joints in particleboard and lodgepole pine[J]. Forest Products Journal,2006, 56(2): 66-73

[5] Ali N. Tankut. Optimum dowel spacing for corner joints in 32-mm cabinet construction[J]. Forest Products Journal, 2005,55(12): 100-104.

[6] Jilei Zhang, Hasan Efe, Yusuf Z. Erdil, et al. Moment resistance of multiscrew L-type corner joints[J]. Forest Products Journal,2005, 55(10): 56-63.

[7] 李双双,唐立华. 杉木家具中空套螺母的抗拔力研究[J]. 木材加工机械, 2013,(1): 23-26.

Effects of inner threaded nut parameters on maximum withdrawal resistance of Catalpa ovata don components under transverse-grain holding test condition

HAO Jing-xin, ZHOU Teng-fei, LIU Wen-jin, HUANG Bin
(School of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of different inner threaded nut parameters on maximum withdrawal resistance (MWR) in radial direction of Catalpa ovata don components under transverse-grain holding test condition were carried out by orthogonal test method. The results show that the threads length, threads interval and threads height had signif i cant effects on MWR while the small diameter of screw had little inf l uence on it. With increment of thread length and height and decrement of thread interval, MWR went upward correspondingly.If the MWR of this type of connection need to be improved, the better way is to extend the screw length, not to increase screw nut’s diameter.

furniture design; furniture hardware; Chinese catalpa components; inner threaded nut; maximum withdrawal resistance;screw parameters

S781.2

A

1673-923X(2015)02-0100-03

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.019

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-09-03

国家林业行业科研专项：梓木增重改良与实木家具制造关键技术研究（201204712）

郝景新，工程师；E-mail：haojingxin1@163.com 通讯作者：刘文金，教授；E-mail：csfulwj@163.com

郝景新，周腾飞，刘文金，等. 空套螺母的设计参数对横纹夹持梓木构件极限抗拔力的影响[J].中南林业科技大学学报,2015,35(2):100-102.

[本文编校：吴 彬]