螺丝失效模式分析与解决方案

王小军 霍尼韦尔环境自控产品有限公司 天津 300457

 0 引言

螺丝失效主要表现在螺纹剥落滑牙,由于加紧负载和紧固扭矩造成螺钉胫部断裂, 由于工作时的外力使得螺钉胫部断裂, 剩余预紧力太小导致连接处出现缝隙, 螺钉端毂断裂, 端被磨平, 端毂周围紧固力太大, 紧固力太小造成螺纹松懈等主要失效模式。这些失效将对产品质量，产品生产效率，客户对产品满意度。都有非常大影响。所以必须寻找原因加以解决。本片文章将以塑料机构件为例，逐步分析出失效原因，并提出解决方案。塑料材料的紧固方案塑料的属性，紧固方案的选择定义，螺纹紧固方案板孔的设计，安装和装配。

1 塑料的类型属性

1.1 热固塑料：酚醛塑料，SMC总体坚硬且脆，可耐高温，不能重新软化。回收困难。由于材料过于坚硬并且脆，因而无法形成螺纹。

1.2 热塑性塑料：ABS，尼龙，聚碳酸酯范围很广，从柔软富有韧性到坚硬并且很脆；在高温时会软化；可以多次软化，也可回收再用。影响紧固性能的特性：弯曲模量。弯曲模量是最能体现塑料材料对应于螺纹紧固的特性。弯曲模量越低，材料越容易流动和螺纹成型。失效力矩越小。弯曲模量越高，材料越脆越可能需要采用螺纹切削设计。

影响紧固性能的特性：填充物含量。填充物和添加剂；可以改变一项或几项热塑性塑料的特性。

增强强度/ 影响抗变形能力：降低收缩性；提高硬度；可影响紧固性能；玻璃填充增强和拧紧转矩剥裂转矩；抗冲击树脂比相应弯曲模量参数指示的要更有韧性；润滑剂；加入填充物后可有利于注塑。加入填充物可降低拧紧扭矩，但也会反相影响夹紧力。（一般夹紧力越高越易导致塑性蠕动和低的夹紧力保持性）塑料的属性：塑料受力变形曲线。对大多数塑料，变形不会是一个线性过程（在弹性变形中）；在压力情况下，材料会连续变化直到达到平衡点；与金属不同，力矩和张力的关系不是总是线性的。塑料的属性：热膨胀。塑料的膨胀的程度要比金属高；受力变形曲线受到温度条件的约束；热膨胀将会影响夹紧力；当温度变化显著时，带来问题将越明显。术语和定义：占优势的扭矩或装配扭矩：指通过切削或成型在塑料毂上产生螺纹的扭矩。拧紧扭矩：在紧固件头部和连接材料相接触牢固之前的最大扭矩。失效或剥裂扭矩：产生塑料滑牙或螺钉断裂或其他零件失效时的最大扭矩。拧紧扭矩或失效扭矩之比：拧紧扭矩和失效扭矩之间的比例关系。差额：拧紧扭矩和失效扭矩之间的差额。热膨胀系数: 钢 8.3 x 10-6in/in/ºF ；30% GF 尼龙 13.0 x10-6in/in/ºF ；当温度变化120º 将带来18,800 psi* 的变化。塑料的属性：蠕变 (creep)。在承力或受热后，所有的塑料将会蠕变，随后带来的后果就是夹紧力降低。在一定范围内能够得到补偿。用于塑料中的紧固系统：术语和定义。螺牙咬合率高有效的改善滑牙；和螺母咬合的螺牙高度；通常以百分比的形式给出。

接触长度的增加有效的改善滑牙；与螺母接触的螺纹长度；引导螺纹不包含在内；以和螺钉公称直径的比例关系来表示。

螺纹成形及失效力矩：由于螺纹的摩擦力由钻入深度增加而增加，失效力矩必须能扩大最大使得有一个大范围的安全比率。

用于塑料中的紧固系统：连接部分/凸台设计。对于中等坚硬程度（弯曲模量8000,000 psi）可在材料上打螺纹接触长度75%- 80 % 的孔，以开始连接。用最少的锥孔工作量来达到良好的扭矩性能同时保持好的注塑性能。在螺纹连接深度的一半处测量孔的中径。对于螺纹连接长度较长或锥度较大的情况，要确保在底部接触不要达到100%。蠕变的补偿。采取以下措施可以减少接触面的压强: 增加头部直径；增加垫圈；减小孔径；减小装配夹紧力；在结合部增加弹簧垫圈比如开口垫圈等；使用螺拴来将压力转移到螺母部分；通过塑料接触部的树脂来加强塑料硬度。电动工具转速的影响：在高速旋转时产生的热能；热随转速RPM 增加而增加；大量热导致塑料软化或断裂，使得失效力矩降低。导致螺丝滑牙。防止螺丝失效解决方案设计指南：在使用坚硬工具之前设法测试紧固件扭力。设计使拧紧扭矩和失效扭矩的比例最大。减小螺纹孔材料表面的锥度，有利于改善滑牙。至少有两个完整的螺纹直径处于连接结合位置。承力或受热后，所有的塑料__