對螺套應用及安裝可靠性的研究
2018-5-11 來源： 中車長春軌道客車股份有限公司 作者：焦延娟
摘 要：螺套是一種新型內螺紋緊固件，是目前最有效、最快捷、最經濟的內螺紋增強、修復技術。不同拉伸強度和硬度的母材是決定自攻螺套的拔出強度、拔出扭矩的最重要因素，控制自攻螺套鑲嵌底孔的大小可以提高其可靠性。
關鍵詞 ：自攻螺套；可靠性；鑲嵌底孔
1 、引言
螺套（Wire Thread Insert），是一種新型內螺紋緊固件，是目前最有效、最快捷、最經濟的內螺紋增強、修復技術，其在發達國家已得到充分應用與普及。
高速鐵路客車車體大多選用鋁合金型材制造，鋁合金材質的應用，將車輛的輕量化發揮到極致，但是材質硬度的偏低，導致內螺紋連接結構的性能嚴重降低，螺套的使用，有效的解決了這一問題。
2 、螺套簡介
螺套為高精度的內、外螺紋同心體，外螺紋用于螺套與母材之間的緊固連接，內螺紋供結構需求的螺栓連接使用。螺套鑲嵌好后能形成一個符合相應標準的高精度內螺紋，其各項性能均優于直接用絲錐攻絲形成的內螺紋。
螺套安裝前通常需要對母材進行鉆孔和攻絲，部分螺套僅需要鉆孔，母材上的內螺紋在鑲嵌螺套時成型，這種螺套稱為自攻螺套。
自攻螺套帶有內螺紋、外螺紋和切孔，內螺紋可以根據客戶的需求按照任意標準執行，外螺紋因其特殊的牙型和材質能夠滿足自攻螺紋的要求，切孔用于排出自攻螺紋過程中產生的碎屑。
3、 螺套的應用
將螺套鑲嵌入金屬或非金屬材料上形成高強度、耐磨損、具有互換性的標準內螺紋。在鋁、銅、鈦、鎂合金、塑料、密度板等低強度工程材料上應用可明顯提高強度和耐磨性；應用在鋼件、不銹鋼、鑄鐵上，可提高螺釘的耐用性，防止由于各種振動因其螺釘松動脫落、疲勞斷裂及提高螺釘連接時的耐疲勞強度。
在出現螺紋加工錯誤或對已損壞的內螺紋孔修復時，使用螺套作為修復手段，可以不增加重量和體積，獲得經濟地維修，拯救重要部件，快速地修復到原始狀態，并仍使用原規格螺釘，達到或超過原來的設計技術要求。
利用螺套進行國際標準、英制、統一螺紋等系列螺紋孔相互轉換，非常方便、快速、經濟，適用于進口和出口產品。
螺套連接的使用，能夠極大地減小外形尺寸，節省設計產品的材料并減輕重量。經過試驗驗證，要得到相同的拔出強度，使用螺套連接，可以使用更小的螺栓，見圖 1。
圖 1 相同拔出強度的螺栓對比（左：攻絲內螺紋；右：鑲嵌螺套）
4 、自攻螺套的可靠性研究
首先，自攻螺套安裝結構的受力情況決定了其在工作過程中一直處于安全的趨勢中。自攻螺套安裝所需母材的厚度不能小于自攻螺套的長度，因此，可分為盲孔和通孔兩種形式。盲孔的深度通常比螺套略長，鉆孔的深度還和螺栓的長度有關。盲孔安裝的自攻螺套安全性較高，因為自攻螺套在鑲嵌過程中在母材中形成內螺紋，自攻螺套的有效外螺紋能夠達到的最深處就是母材內螺紋的最深處，與自攻螺套配合的螺栓的旋入方向與自攻螺套的旋入方向相同，所以，當擰緊螺栓時，自攻螺套有向深處繼續自攻螺紋的趨勢，自攻螺套安裝更加牢固。同時，這并不影響與螺套長度等厚的母材使用自攻螺套，自攻螺套有效的具有自攻能力的外螺紋較螺套長度略短，這能夠保證在母材通孔的情況下，仍有部分余量的母材沒有內螺紋，因此，與自攻螺套長度等厚的母材安裝的自攻螺套仍具有很高的安全性。
其次，不同拉伸強度和硬度的母材是決定自攻螺套的拔出強度、拔出扭矩的最重要因素，但是母材的這兩方面特質通常被限制，無法改變，我們只能通過選用自攻螺套的規格和控制自攻螺套鑲嵌底孔的大小來提高其可靠性。而且，自攻螺套鑲嵌底孔的大小在操作過程中容易受到影響從而產生誤差，是需要密切關注的因素。
自攻螺套鑲嵌底孔的大小決定了螺套外螺紋嵌入母材部分的多少，在其他條件相同的情況下，相同規格的自攻螺套，外螺紋嵌入母材部分越大，其拔出強度、拔出扭矩越大，但是一旦底孔過小，安裝時可能需要潤滑，不便于安裝。通常底孔的大小根據外螺紋的尺寸，將外螺紋的牙型總高嵌入母材的部分控制在 30％ -70％。
為了測試底孔大小對自攻螺套安全性的影響情況，進行了試驗。
①選用 M6 的自攻螺套（外螺紋最大直徑 φ10、推薦底孔大小 φ9.5-9.6），分別鑲嵌在 φ9.2、φ9.3、φ9.4、φ9.5、φ9.6、φ9.7、φ9.8 的底孔上，底孔的公差均為（-0.1,0），每種底孔大小進行 5 個樣本；
②待自攻螺套鑲嵌完成后，分別擰入 8.8 級的 M6 六角頭螺栓，對螺栓施加扭矩；
③查看自攻螺套情況，并記錄破壞扭矩。結果顯示，除了 φ9.8 的底孔無法正常安裝自攻螺套外，其他大小底孔的自攻螺套均完好直至螺栓斷裂，螺栓的斷裂扭矩在 18-20Nm 之間。試驗可以說明，在同種規格大小的前提下，自攻螺套與母材之間能夠承受的載荷大于與之配合的螺栓的屈服強度。
第三，自攻螺套鑲嵌時，垂直度是很重要的。當底孔預鉆完成后，自攻螺套要與母材表面垂直旋入底孔，這樣做是為了保證母材能夠生成完整的、高質量的內螺紋。當自攻螺套鑲嵌出現問題時，如傾斜、開裂等，可以通過擴孔并鑲嵌修復用自攻螺套來保證后續工序緊固的要求。修復用自攻螺套與普通用自攻螺套不同之處在于其外徑大，壁厚寬，這樣可以保證該處自攻螺套的強度不發生改變，與其匹配的螺栓等緊固件均不需要改變。
5 、結束語
綜上，自攻螺套是一種可靠性很高的連接方式。同時，螺套具備應用廣泛、安裝易操作、便于修復的優點。隨著我國經濟的發展，我們機械行業更需要對各種結構進行減重優化、可靠性優化、使用壽命優化、可操作性優化，螺套技術的優越性將越來越顯著。
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