插销螺套分析与使用

1、插销螺套分析与使用王文胜（中国电子科技集团公司第14研究所，江苏 南京210013）摘要：采用材料力学理论分析了插销螺套抗拉、抗扭的力学性能，并通过力学性能数据比较和试验对插销螺套突出的抗拉、抗扭等性能加以验证。同时介绍了插销螺套结构型式的分类和安装 关键词：插销螺套；钢丝螺套；剪切应力；拉伸应力中图分类号：TH12文献标识码:B文章编号：1008 - 5300（2004）04 - 0032 - 03Analysis and Use of Insert StudsWAN G We n 2she ng(The 14 th Research Institute O CETC , Nanjing 2

2、10013 , China )Abstract : The theory of material mechanics is employed in the paper to analyze the mechanics capacities against lugging and wresting for insert studs , which is demonstrated by comparing mechanics capacity data and tests. At the same time , according to structural type , classificati

3、on and installation of insert studs is also intrc2 duced.Key words :insert stud ; steel stud ;shearing stress ;tension stress0引言铝及铝合金材料在许多领域已获得广泛应用。为克服铝质材料耐磨性及强度较差，多次拆卸后螺纹磨损缺陷，铝质材料连接较多地采用钢丝螺套，用于防止铝质制件上螺纹的磨损。但钢丝螺套抗扭性能较差，不能用在对扭矩要求较高的零件上。另外，钢丝螺套拧紧后，在连接装配过程中还容易出现反向旋出现象 返修率高，既给生产带来不便，又影响产品性能。目前国外产品已大量使用插

4、销螺套。其优越的抗拉和抗扭性能尤其适用于有较高扭矩要求的铝制零 件。但进口插销螺套采购困难、价格高，严重制约国内产品的使用。我所与苏州吴县市东城电器五金厂共同 研制、开发的Q/ 320506DBC01 - 2001插销螺套（材料为 1Cr18Ni9Ti）。不仅具备了钢丝螺套的诸多优越的性能 和特点，而且克服了钢丝螺套抗扭性能差和反向旋出 现象的缺陷，安装方便。可广泛用在航天、航空、仪器、 交通、液压、电动、化纤、化工、冶金、纺织、矿山、建筑等 的设备和工具上。下面就插销螺套结构型式的分类、力学性能以及安装做简要分析和介绍。1插销螺套结构型式的分类插销螺套由插销和螺套两部分组成。根据插销螺套抗扭

5、力矩的不同，插销的型式又分为I型、n型和川型（后文分析插销的受力情况）。插销螺套结构型式的 分类见图1和表1。扣2社型方销观IB埜方捎加公殖卷畤翩图1插销螺套结构2插销螺套力学性能及插销分类分析插销螺套，不但具备钢丝螺套的诸多特点，还具有有效的改善连接条件，保护丝牙，增强连接和抗疲劳强 度，形成高强度、耐磨损、防锈蚀、抗震动、不松脱，标准日 收稿日期：2004 - 03 - 09表1 插销螺套型号及规格型号规格d/ D/ h插销型式数量CLM2. 5M2. 5/ M4. 5/ 3. 8I2CLM3M3/ M5/ 4. 2I2CLM4M4/ M6 辺 75/ 5. 2I2nCLM5M5/ M8/

6、 8n2CLM6M6/ M10 丸 25/ 10m2CLM8M8/ M12 X. 25/ 12m4CLM10M10/ M14 X. 5/ 144内、外螺纹便于互换和安装，对于提高机件的质量、性能、寿命等，效果显著。更重要的是插销螺套具有优异 抗拉、抗扭性能和不反旋的特点。2. 1抗拉分析当螺栓在拧紧的时候，对螺套会产生一轴向拉伸 力。将螺套假设成一钢管，其受力情况见图2。未破坏。当测试拉力达到5 100 N时，螺栓被拉断，插 销螺套和铝板均未破坏。通过以上理论分析和试验都证明，插销螺套具有很好的抗拉性能。2. 2插销分类插销螺套在受到扭力矩时，插销打入铝板的部分会受到一剪切力。通过分析插销的剪

7、切受力情况，可确定插销分类。对于钢材料,在静载荷的情况下，许用剪切应力 T与许用拉伸应力 q之间关系为t= (0 . 50.6) b。 不锈钢插销淬火后抗拉强度妙为520 MPa，可知插销的抗剪强度 t为260 MPa312 MPa。插销螺套在受 到螺栓扭力矩时插销所受剪切力为图3所示。根据图3，插销剪切应力计算公式如下：2 Tn Ddl式中，T为扭转力矩,Nmm ; D为螺套外径,mm ; d为 圆插销直径或方插销宽度,mm ,圆插销为0 . 6 mm，方插销为1. 5 mm ; l为插销受剪切力长度,mm ,圆插销为 1 . 8 mm，方插销为3.5 mm ; n为插销数量。图2螺套轴向拉

8、力图根据图2的受力分布，可计算螺套的拉伸应力q计算公式如下：D 1994-2013 ChmaJouiml EJcciicnic Publishing Houeujri曲茁 ietsciveeL hjLlpAvwve_oikLn.ctq= S(1)S = n ( d2 - d2 )(2)4式中，F为轴向拉力,N ; S为应力截面积(图中阴影部 分),mm2 ； d1为螺套外螺纹小径 ,mm ; d2为螺套内螺纹 大径,mm。首先选用力学性能较好的航空螺栓(材料为 30CrMnSA)对型号为CLM5的插销螺套进行拉力分 析。根据HB0 253283可知M5氏8的航空螺栓在插销 螺套上拧紧达到螺栓最

9、大扭矩400 Ncm时，螺栓的轴向拉力 P为4 070 N。螺套的d1为6. 65 mm , d2为5 mm，根据公式(2)可得S为15 . 1 mm2 ,再用公式(1)计 算，此时螺套产生的拉伸应力b269.5 MPa),远远小于螺套材料(1Cr18Ni9Ti)的抗拉强度6- (520 MPa)。其次用M3的不锈钢螺栓(性能等级为A2270)对 型号CLM3的插销螺套进行拉力测试。基材选用厚度5 mm ,牌号为 LF5 (M)、6063 ( T6)和 L Y12 ( Z)的铝板。 测试拉力在4 500 N时，所有螺栓、插销螺套和铝板均图3插销剪切受力图已知M5的30 CrMnSiA螺栓的最大

10、拧紧力矩为400 Ncm。用公式(3)分别计算I型、H型插销的剪切 应力。得出I型插销的剪切应力t= 463 MPa ,大于插销的抗剪强度bTo H型插销的剪切应力t 95 MPa ,小于插销的抗剪强度Tb。H型插销适用于CLM5以上的插销螺套。同理计算CLM8的插销螺套，型式H插销的剪切 应力t 261 MPa，型式川插销的剪切应力t 131 MPa。型式川插销适用于CLM8以上的插销螺套。通过以上分析，插销的分类(见表1)是合理可行的。2. 3扭矩分析用公式(3)计算(插销的抗剪强度t取下限值260 MPa)，可知插销螺套所承受的最大扭矩。通过和部分航空螺栓(30CrMnSiA)的最大拧紧

11、力矩比较，插销螺套 所承受的最大扭矩大于30CrMnSiA螺栓的最大拧紧力矩(见表2) o表2插销螺套最大扭矩与航空螺栓最大拧紧力矩对照表插销螺套 型号CLM2. 5 C LM3CLM4CLM5CLM6CLM8 CLM10最大扭矩/(Nm)1. 31.41. 710. 913. 732. 838. 2航空螺栓 规格M2. 5M3M4M5M6M8M10最大拧紧力矩 / (Nm)46. 616. 537. 5同样用M3的不锈钢螺栓(性能等级为A2270)对 型号CLM3的插销螺套进行扭矩测试，基材选用厚度5mm，牌号为 LF5 (M)、063 ( T6)和 L 丫12 ( Z)的铝板。当 扭矩达到

12、1 . 3 Nm时，螺栓全部拧断，插销螺套和铝板 均未破坏。对于钢丝螺套的抗扭强度完全取决于钢丝螺套外钢丝螺套时，螺栓与钢丝螺套内螺纹之间会产生摩擦 力，该摩擦力使钢丝螺套产生相对于基体的转动，因此钢丝螺套外螺纹与基体之间也要产生摩擦力。如螺栓与钢丝螺套内螺纹之间的摩擦力大于钢丝螺套外螺纹 与基体之间的摩擦力时，钢丝螺套必然转动，产生和螺 栓一齐旋转的现象。由于钢丝螺套是采用钢丝绕制而 成，具有一定的弹性变形，在安装过程中当钢丝螺套发 生内收的弹性变形，或钢丝螺套的预钻孔过大，这两种情况都会造成螺栓与钢丝螺套之间的摩擦力大于钢丝 螺套与基体之间的摩擦力 ，产生钢丝螺套自转现象，影 响安装，造成

13、报废，而插销螺套不存在这种现象。以 上理论分析和试验都表明，插销螺套抗扭性能 好。同时收集了部分 M3紧固件的扭矩数据见表 3，加 以证明。表3 部分M3钢丝螺套技术条件锁紧力矩HB6202289(Nm) max紧固件机械性能紧定螺钉扭矩GB3098. 3282(Nm) max螺纹和基体的配合所产生的摩擦力 。螺栓拧入或拧出 一卡.I：/：.i|iV-：,1紧固件扭矩不锈钢螺栓、螺钉断裂扭矩 GB3098. 6286 性能 A2250 (Nm) min一般用家用电子设备的安全要求 GB88982971 100 MPa(Nm)0. 490. 91. 10. 5另外,在普通螺纹连接中，螺钉拧紧是靠

14、螺牙来传中等长度。而短插销螺套每一种型号规格高度只有插销螺套型号CLM2. 5CLM3CLM4CLM5CLM6CLM8CLM10工具型号CL GM2. 5CL GM4CL GM5CL GM5CL GM6CL GM8CL GM10表4插销螺套装配工具递轴向夹紧力的。螺钉的破坏一般都发生在距螺孔端 面23扣的螺纹处。而且每个螺牙所承受的力是不 同的。首先第一对螺牙在轴向力的作用下产生变形，第二对螺牙才会受力。第二对螺牙变形再把力传给第 三对，以此类推。也就是说，从第一对螺牙起，轴向力 在向后传递过程中逐渐减小，直至轴向力为零。因此内外螺纹的旋合长度是有一定限度的。内外螺纹的旋合长度太短，螺牙易破坏，过长，对锁紧力也没有提高 而且内外螺纹配合精度也难以保证。通常旋合长度取种，大约在8P9P之间，属于中等长度。减少了品种 数，压缩库存，方便设计选用。同时插销螺套的外螺纹 是标准螺纹，预装孔只须采用标准钻头和丝攻即可满 足安装，较之钢丝螺套的安装更加方便。3插销螺套的安装3.1安装工具和设备麻花钻头、丝攻、游标卡尺、游标高度尺、台式钻床 或立式铳床、专用安装工具见表 4。3. 2安装方法根据不同插销螺套的规格，选用相应的工具，按下 列步骤安装。预钻孔 -