自攻自钻螺钉用于连接厚板的研究

文／陶运正·迅达（中国）电梯有限公司

语导

本文通过对自攻自钻螺钉的机械性能、热处理性能以及与手持式电钻配合使用的若干问题研究，采用了检测和试验相结合的办法，得出了DIN7504的K型自攻自钻螺钉用在3～7mm厚板时，需要控制自攻自钻螺钉的表面硬化性能和手持式电钻的输出力矩。

引言

自攻自钻螺钉（下文简称：自攻钉）由于可以同时完成钻孔和紧固两项功能，对一些非关键承载的薄板连接，能够起到免预制孔、节省加工时间的作用。DIN7504中规定了自攻钉推荐的连接板板厚的限制，实际使用案例中，需要将其使用于超出标准规定的厚板连接，这就对自攻钉的机械性能，热处理性能以及配套工具提出了更高的要求。

手持式电钻选用

DIN7504中对自攻钉给出了最小扭断力矩的要求，并且给出了它的扭断测试装置，见图1。本文搜集了可用于ST5.5K型自攻钉的手持式电钻（以下简称：手电钻）的输出特性数据和自攻钉能承受的破断力矩，见表1。由表1的数据可见，目前大多数的手电钻软连接最大力矩已经超过自攻钉能承受的扭断力矩，这可能导致自攻钉扭断的失效模式。

表1 手电钻和自攻钉特性对照表

图1 扭断测试装置

潜在失效模式

卡滞扭断

由于自攻钉在厚板连接中需要克服较大的钻削扭矩，如果钻孔全程顺畅无卡滞，自攻钉承受的扭矩相当于一个近似软连接的扭转载荷。一旦螺钉发生卡滞停转，手电钻的输出扭矩会急剧增加，自攻钉可能被手电钻扭断。

拧紧结束的冲击扭断

在自攻钉被拧紧的过程中，手电钻的输出力矩是逐渐增加直到发生力矩锁止或者操作人员主动停止的。实际操作中，可能存在档位设定不恰当导致输出扭矩过大，把自攻钉拧断的现象。也会出现部分工具不具备力矩保护装置，由于操作者保持了一定的时间，力矩急剧增大，拧断螺钉。

预防对策

增加紧固件的机械性能

由于钻孔的需要，自攻钉的表面经过渗碳淬火产生了一定的硬化层深度。为解决钻孔过程中的卡滞扭断现象，获得稳定机械性能的自攻钉，结合DIN7504的破断扭矩试验要求，对10个ST5.5x19自攻钉进行硬度、硬化层深度测量和扭断力矩试验。试验结果见表2。试验结果表明，对DIN7504中的自攻钉ST5.5x19硬化层深度控制在0.05～0.22mm，可以获得最佳的破断扭矩性能并保持稳定状态，当渗碳层深度超过0.23mm时，整个螺钉的脆性突然增大，螺钉容易被扭断。

表2 自攻钉机械性能分析表

降低手电钻的输出力矩

为了不影响自攻钉的钻孔效率，需要把手电钻的输出力矩尽可能选大一些，而为了避免螺钉不被拧断，还需要手电钻具备可控的最大输出力矩，具备机械力矩锁止功能的手电钻是首选。

此外，为保证自攻钉在使用过程中相对手电钻有足够强度用于承受手电钻的输出特性，还需要给自攻钉增加必要的缓冲保护以延缓手电钻的输出力矩增加，比如增加弹性垫圈等。表3为在Atlas的M12标准弹性螺栓副的拧紧试验。同样保持约3秒时间的情况下，使用弹性垫圈的拧松力矩约为使用平垫圈的一半。

表3 弹性垫圈和平垫圈拧紧效果对比

结束语

自攻钉用于连接厚板是一个需要谨慎选用紧固件和电动工具的工艺，仍有待进一步探索，比如：制备更高强度的自攻钉，并且选用低力矩保护的手电钻，就可以使这个工艺更加稳定和成熟。