紧固件是作紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件。本文分享部分常见紧固件的种类、用途,以及常见失效形式和对应原因。

1、螺纹紧固件的种类和用途

常用的螺纹紧固件有螺栓、螺柱、螺母和垫圈。(了解更多紧固件请点击《图解螺栓、螺柱、销、铆钉等12类紧固件,及选型建议》)

螺栓、螺柱和螺钉都是在圆柱表面上制出螺纹,起到连接其他零件的作用。

螺栓一般用于被连接件钻成通孔的情况。

螺柱用于被连接零件之一较厚或不允许钻成通孔的情况。

螺钉用于不经常拆卸和受力较小的连接中,按用途可分为连接螺钉和紧定螺钉。

螺母是和螺栓、螺柱等一起进行连接的。

垫圈一般放在螺母下面,可避免旋紧螺母时损伤被连接零件。弹簧垫圈可防止螺母松动脱落。

2、螺纹紧固件失效形式及原因分析

1)装配拧拉断裂

拧拉断裂特征为断裂部位明显缩颈伸长。常见原因主要是联接面摩擦系数过小;拧紧或预紧时施加的扭矩过大、施加扭矩时套筒与螺纹不同轴、施加扭矩时速度过快;零件本身的性能强度不够以及紧固面与螺纹中心线垂直度超差。

2)螺纹受剪切力拧断

受剪切力拧断的断口部位一般有螺旋状,无明显缩颈,造成螺纹受剪切力拧断的常见原因是螺纹在拧紧过程中被卡死,例如:螺纹变形、相互联接的牙型不一致、螺纹有焊渣灯情况;螺栓拧进的断面被顶住,如螺母为盲孔的有效螺纹深度不够。

3)应力集中部位使用后断裂

应力集中部位使用后断裂常见表现在螺栓头部及头部与螺纹杆过度的直角部位,主要原因为头部与螺纹杆过度的直角部位圆角过小;螺栓冷镦成型时在头部的塑性流线存在缺陷。被连接面与螺栓垂直度超差。

4)疲劳断裂

在螺栓连接后使用的过程中主要的断裂为疲劳断裂,常见原因有:预紧力不足;夹紧力衰减过大;螺栓尺寸、性能不合格;零件之间的相互配合、装配环境、使用工况不能满足设计要求。

5)延时断裂

延时断裂常见原因为氢脆,氢脆是在生产过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢,在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。常见易发生氢脆的紧固件有:自攻钉、弹性垫圈、级以上的经过电镀表面处理的螺栓。

6)零件扭矩报警

零件扭矩报警常见发生在通过角度法控制扭矩的螺栓装配过程中。主要原因有:原因为零件的装配扭矩控制范围不合理,表现为设定控制范围过小、控制范围往上或往下偏移。

没有预紧到预设角度,扭矩达到上限报警:原因为零件本身摩擦系数超上限、零件配合摩擦系数超上限、零件之间干涉,造成装配扭矩急剧上升。

正常装配,扭矩下限报警:原因为零件本身摩擦系数超下限或零件配合摩擦系数超下限,零件拧入时贴合扭矩大于初始扭矩(也即拧入力矩消耗过大),常见于锁紧螺母的拧紧。

7)螺纹滑牙

螺纹连接常常出现螺纹滑牙,主要原因是螺纹脱碳。常见现象为装配时感觉扭矩加不上,螺栓拆下后,发现螺纹全部或部分被磨平,以及螺栓螺纹或者螺母孔表面硬度低;内外螺纹尺寸配合,相配合的联接副接触面积小,有两种情况:一是接齿合的螺纹扣数少,二是螺纹与螺纹不在中径以内接触(即精度配合不好,螺栓螺纹和螺母的螺纹接触不够)。

同时,在装配方法上如果装配不对孔,强拧也会造成螺纹滑牙;螺纹摩擦系数过小,表面涂层、表面粗糙度、表面润滑剂不合理和螺栓螺纹或者螺纹孔有异物,损坏螺纹以及螺栓跟螺母的螺距、角度变异都会导致螺纹滑牙。