基于精密探针扫描的焊接螺母螺纹强度分析

邓威，邓小雯，王生怀，邹春龙

(1.湖北中航精机科技有限公司，湖北襄阳 441005；2.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002)

基于精密探针扫描的焊接螺母螺纹强度分析

邓威1，邓小雯2，王生怀2，邹春龙2

(1.湖北中航精机科技有限公司，湖北襄阳 441005；2.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002)

针对螺纹强度等级为8.8级的焊接螺母拧紧时出现滑丝问题，通过建立模型将焊接螺母拧紧过程进行简化，分析拧紧力矩小于理论拧紧值，且实验表明通过增加其强度等级仍无法解决滑丝问题。采用精密探针对配合的螺纹进行扫描，分析内外螺纹配合完整螺牙真实情况，扫描显示：拧紧时螺纹光段与尾牙进入焊接螺母内，完整螺牙不足3个，螺纹副提前进入屈服阶段，解释了滑牙的根本原因。通过对扫描后螺纹牙型分析，提出保证4个完整牙数、将焊接螺母厚度增加1.4 mm的最优解决方案，满足滑牙扭矩实验要求，极大地降低了设计更改成本。

焊接螺母；螺纹强度；滑丝；探针扫描

0 引言

精密探针扫描设备已广泛应用于精冲模塌角和微小型齿形扫描等零部件的精细结构研究。螺纹联接是汽车零部件之间结合的最常用方式之一，与铆接、焊接等结合方式相比，具有装配与维修的方便性，也是标准化程度最高的机械零件。拧紧是用螺栓、螺母把零件连接起来，不能松动。为防止螺栓松动，必须对其施加一定轴向力，即适当拉力(拧紧力)。实际工程作业时，直接测量轴向力非常困难，故拧紧螺栓、螺母时，常用“扭矩”代替。拧紧时，扭矩过大经常会破坏掉螺纹，如滑丝。滑丝是综合性问题，涉及到螺纹自身强度和螺纹配合等问题[1]，作者采用精密扫描探针对螺纹配合螺牙进行精确测定，并以此分析了螺牙失效的根本原因，解决了工程实践问题。

1 焊接螺母抗扭失效形式

1.1 焊接螺母滑牙失效原因分析

气枪设定转矩60 N·m，焊接螺母在气枪装配时出现打滑现象，焊接螺母螺纹被磨损，如图1(a)所示。

图1 焊接螺母滑扣故障件及鱼刺图

生产现场反馈熟练工人使用气枪用同一手法，将同一批次螺栓拧进座板直至拧紧。不同批次的螺栓都出现滑丝，通过鱼骨图法，如图1(b)所示，初步分析是螺纹强度问题。

1.2 焊接螺母配合强度分析

焊接螺母的规格M10×1.25，用M10×1.25螺纹通止规对其进行测量螺母规格符合M10×1.25标准要求。一般来讲，螺母材料强度低于螺杆，所以螺纹牙抗弯和抗剪切强度校核以螺母为对象[2]，即校核母扣。

焊接螺母实物如图2(a)所示，螺栓在拧紧过程中的受力情况如图2(b)所示，紧固状态下，螺纹紧固件主要受3个方面力：轴力F是作用在螺栓外螺纹的轴向拉力[3]，为被连接件提供夹紧力；螺栓与座板1和垫圈相对转动，其接触支承面产生摩擦力F1；因焊接螺母通过焊缝与座板2固连在一起，所以拧紧过程中与座板2无相对运动，表面无摩擦力。螺栓外螺纹侧面与焊接螺母内螺纹侧面间摩擦力为F2。

图2 焊接螺母与螺栓联结

对螺母施加力时，将产生力矩：

T=FL×L

(1)

其拧紧力矩由两部分组成，一部分用于克服支承面摩擦力产生力矩T1，另一部分克服螺纹副摩擦F2产生的力矩T2。弹性区内，拧紧力矩和紧固轴力(预紧力)的关系式如下：

T=T1+T2=KP0d

(2)

P0=σ0×AS

(3)

式中：σ0为螺纹紧固件的屈服强度，σ0=(0.5～0.7)σs；AS为螺纹部分有效面积,AS计算式如下：

(4)

其中：P0为预紧力；K为扭矩系数(与支承面粗糙度和润滑情况、螺纹副精度和润滑情况等相关)；d、d1、d2、dS分别为螺纹公称直径、小径、中径、危险剖面直径；H为螺牙公称工作高度；P为螺距；σs为螺栓材料的屈服极限强度。

对螺栓规格为M10×1.25的螺栓查表和计算可得d1=8.647 mm,d2=9.188 mm,d3=8.466 mm,dS=8.827 mm，AS=61.2 mm2,螺栓等级8.8级，查相关资料螺栓材料的屈服极限σs=640 N/mm2。一般加工表面且无润滑条件下K值的范围为0.18～0.3,此处取0.24，则拧紧力矩：

T=(0.5～0.7)σsASKd×0.001=(0.5～0.7)×93.9 N·m

(5)

T取值范围为47～65.7 N·m。拧紧力矩在47～65.7 N·m范围即可将螺栓拧紧，且在65.7 N·m以内螺纹不滑扣。在实测螺纹强度时，出现拧紧力矩小于45 N·m就发生滑牙的情况，需进一步提高螺栓强度等级，排除拧紧力是否过大。

将焊接螺母的强度等级由8.8级提高到9～10级[4-5]，如表1所示，材料的屈服强度σs=720～900 N/mm2。

T=(0.5～0.7)×(105.7～132) N·m

(6)

保证在74 N·m以内螺纹不滑扣，实测仍有50 N·m就滑扣的情况出现。

拧紧力矩小于理论拧紧值，但还是出现滑牙问题，且实验表明通过增加其强度等级仍无法解决滑丝问题。需要进一步分析内外螺纹配合完整螺牙真实情况，采用精密探针对配合的螺纹进行扫描。

表1 第三方焊接螺母强度检验表

2 紧固螺栓螺纹扫描

用数显游标卡尺对螺纹连接的各个零件(如图3所示)进行测量，并取平均值，测量结果见表2。

图3 螺栓与螺纹

图中：B1为弹簧垫圈的厚度;B2为平垫圈的厚度;B3为金色垫圈的厚度;δ为螺母焊接后到安装平面的总高度(含0.5 mm间隙);X1为无牙光段尺寸;X2为含牙段尺寸。

表2 零件测量结果 mm

采用精密探针扫描仪对螺纹的牙型进行全尺寸扫描。为保证每次扫描的结果准确，扫描时将探针定位到准尾牙部位后2 mm左右，探针压头下压力适中，探针从尾牙匀速地扫描至头部，如图4(a)所示。扫描完后，扫描仪以“.dxf”文件输出螺纹整个曲线，如图4(b)所示。

3 螺纹配合完整螺牙计算

3.1 内外螺纹重合牙数的计算方法

螺栓光段进入螺母的长度：

h=X1-B1-B2-B3-0.5=8.55-(2.46+2.44+2.07)-0.5=1.08 mm

(7)

螺栓光段进入螺母的螺纹段长度：

h1=1.08-0.8=0.28 mm

(8)

内外螺纹重合牙数：

n=(7.63-0.5-0.8×2-0.28)/1.25=4.19 mm

(9)

如图5所示，两处0.8 mm的尺寸为焊接螺母的倒角，剖面线区域是螺母内螺纹配合的示意图，螺栓的光段进入螺母内部深度为1.08 mm，螺纹重合牙数4.19，去掉螺栓和螺母根部不完整牙尾，完整螺牙小于3个。拧紧力矩过大时，滑牙风险极大，建议螺栓增加2个重合牙形数 。增加完整重合螺纹数有两个较直接的方法：一种是增加配合垫片的厚度4 mm，保证螺栓尾牙不进入螺母牙型，如图6所示； 另一种方法，增加焊接螺母厚度4 mm，保证足够的完整牙型配合，如图7所示。

图5 内外螺纹配合图

图6 垫片加厚4 mm内外螺纹配合图

图7 螺母加厚4 mm内外螺纹配合图

3.2 优化螺母厚度

若直接增加垫片的厚度，其质量增加3倍，垫片的成本则大幅度增加。若直接按照增加垫片的厚度等效螺母增加厚度，螺母的质量增加57%，螺母的成本则大幅度增加，都是客户难以接受的解决方案。

假设增加焊接螺母厚度所得的完整螺牙数与增加垫片完整

螺牙数一致，所获得的抗滑牙能力相近。增加焊接螺母厚度最小值在1.4 mm左右，保证4个完整牙型配合，如图8所示。

图8 螺母加厚1.4 mm内外螺纹配合图

按照以上要求，加不同厚度垫片和增加不同厚度焊接螺母情况各50组，分别进行滑牙扭矩测试，测量结果在2 N·m内的按相近扭矩取值，结果如表3所示。

表3 扭矩测试结果(强度等级9～10 ,力臂500 mm)

3.3 螺纹连接螺牙数-扭矩-应变关系

当螺栓强度等级为8.8级时：

T=(0.5～0.7)×93.9 N·m

(10)

当螺栓强度等级为9～10级时：

T=(0.5～0.7)×(105.7～132)N·m

(11)

为保证螺栓连接牢靠且不至于破坏连接件，螺纹紧固件的屈服强度取0.5～0.7倍螺栓材料的屈服极限强度，即拧紧力矩值取0.5～0.7倍的抗滑牙扭矩值[6-7]，8.8级螺栓的抗滑牙扭矩为94 N·m，9～10级的抗滑牙扭矩105.7～132 N·m，实测验证正确。如图9所示，拧紧力矩值处于螺栓线弹性区间，若继续施加力，拧紧力矩会增至滑牙扭矩值附近，材料受力已达到屈服极限，拧紧力矩会突然下降，即滑扣或扭断。

通过扫描和实验验证，当螺栓和焊接螺母重合的完整螺牙数在1～3个区间内，拧紧力矩大于螺纹可承受抗扭强度，螺纹连接处于危险区域(红、紫、蓝区)，螺纹极易滑扣。当螺栓和焊接螺母重合的完整螺牙数3个以上，螺栓的抗滑牙能力接近滑牙极限扭矩。

图9 螺牙数-扭矩-应变图

经探针扫描分析，增加垫片等效于螺栓牙尾段外移，如图6所示，间接增加了螺栓完整牙数与螺母牙型配合，增加4 mm垫片时,内外螺纹重合牙数：

n=(7.63-0.5-0.8×2)/1.25=4.42

(12)

当拧紧扭矩增加至117～125 N·m，或继续增加扭矩，则螺栓被扭断，如图10所示，即螺纹抗滑牙强度足够。将螺母厚度分别增加4和1.4 mm，保证螺纹重合完整牙数大于3个，抗滑牙扭矩能力接近滑牙扭矩，即超过拧紧力矩区间[T1，T2]。实验重新测定重合完整牙数大于3个的螺纹连接，抗滑牙扭矩均大于100 N·m，且螺纹连接破坏时的扭矩与滑牙扭矩值接近，见表3。将螺母加厚1.4 mm完全可以保证抗滑丝强度。

图10 螺栓扭矩实验扭断图

4 结束语

通过精密探针扫描焊接螺母配合结构，深入分析了 “配合螺纹数-扭矩-应变”的关系，提出将螺母加厚1.4 mm的最优解决方案，并用于后期产品的批量生产，极大降低了生产成本，也是精密仪器应用于工程实践的成功案例。

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StrengthAnalysisofWeldNutThreadBasedonPrecisionScanProbe

DENG Wei1, DENG Xiaowen2, WANG Shenghuai2, ZOU Chunlong2

(1.AVIC Hubei Aviation Precision Machinery Technology Co.,Ltd.,Xiangyang Hubei 441005，China；2.College of Mechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan Hubei 442002，China)

Regarding the existing problem of thread easily sliding teeth with 8.8 thread strength grade when weld nut was tightened, a model was established to simplify the tightening process of welding nut.It was analyzed the tightening torque was less than theory value, while the experimental result showed that sliding teeth problem still existed by increasing strength grade. The mated threads were scanned using precision probe to analyze the truth mating state of internal and external thread. The results show that the end thread teeth and unthreaded portion match with weld nut when tightened, the complete teeth number is less than 3, screw pairs enters the yield stage in advance. This explains the root cause of the slip teeth. The optimized solution was put forward through analyzing the type of thread after scanning, which four complete teeth should be ensured by increasing the thickness of weld nut 1.4 mm. It meets the requirements of sliding teeth torque experiment, reducing the cost of design change greatly.

Weld nut; Thread strength; Sliding teeth; Probe scanning

2017-03-27

湖北省教育厅科学技术研究重点项目(D20141802)

邓威(1983—)，男，工程师，主要研究方向为机械产品优化设计、汽车座椅精密调节机构设计。E-mail:dengwei_1983@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.004

TH703.8

B

1674-1986(2017)10-015-05