美制螺纹标准手册

1、yeswin螺紋教材 螺紋一般狀況 :螺紋提供緊固件使之能作負荷之轉移.1 何謂螺紋 : 所謂螺紋即為在一圓柱物體上作出突起之螺旋山狀物,外螺紋適用於螺栓, 螺絲及螺樁, 內螺紋適用於螺帽及螺紋孔.2 螺紋之組成 : 主要分為三部份螺峰, 螺谷及螺腹. 螺紋部頂端稱之為螺峰, 螺紋部底端稱為螺谷, 二者之間稱為螺腹. 三者組成一v字型之構造. 螺峰與螺谷之直線距離為螺紋高h, 螺峰與螺峰之距離為螺距p, 在un螺紋方面h = 0.866025 x p ( 假設狀況螺峰與螺谷均為v字型尖銳端 ).3 完全與不完全螺紋 : 螺紋同時具有螺峰及螺谷之完整形狀時稱為完全螺紋, 若螺谷或螺峰未完全成型則

2、稱為不完全螺紋.4 螺距 : 螺距p即垂直於螺絲(帽)軸螺紋上之任一點與鄰近螺紋同一點之水平距離. 在un螺紋系統中, 通常以每寸幾個螺紋表示.5 大徑及小徑 : 在外螺紋系統中, 螺峰之外徑稱為大徑, 螺谷之外徑稱為小徑. 內螺紋類則正好相反, 螺峰之內徑為小徑, 螺谷之外徑為最大徑.6 螺腹 : 螺腹與軸部所成之角度稱為螺腹角( flank angle ), 軸部雙邊角度相等者稱為對稱, 在un螺紋系統中, 螺腹角通常為30度且對稱, 故un螺紋之角度均為60度.7 有效徑 : 理論上而言為垂直於軸而通過螺峰螺谷某點之徑. 對標準螺紋而言, 此點正好位於中點. 但對非標準螺紋而言, 此點可

3、能位於中點附近之任一點, 視實際製造狀況而定.8 裕度 : 螺紋配合之裕度意味外螺紋及內螺紋均以其最大上限製造且結合時之寬裕度. 對緊固件而言, 裕度通常由外螺紋提供, 這表示外螺紋之大徑, 有效徑, 小徑均需比基本螺紋型為小.而內螺紋之三徑則等於基本螺紋型.9 製造公差 : 公差之配合則視製造而定. 公差即上限與下限之差. 對外螺紋而言, 其公差為上限減去公差即為下限, 內螺紋則正好相反.10 螺紋長及結合深度 : 緊固件結合時, 外螺紋部之完全螺紋部之軸距為其螺紋長, 旋進內螺紋之距離為其結合深度, 螺紋長及結合深度對其強度有深切之影響.11 螺距 : 螺距一般以每寸幾個螺紋表示, 常用有

4、英制統一粗螺紋, 細螺紋及8-螺紋三種.12 螺紋強度 : 螺紋支撐轉移負荷之力量決定於四個強度. 抗拉強度應力面積為螺紋支撐抵抗拉力之面積. 抗剪應力面積為計算徑剪斷力之面積. 防鬆應力面積為內螺紋及外螺紋結合互相鬆脫時之強度應力面積.螺紋選擇 :螺紋選擇之三要素 : 螺紋型式, 螺紋數及等級.1 螺紋型式 : ifi所承認之螺紋型式共有三種 : un, unr, unj. 它們全為60度螺紋, 不同之處僅在螺谷處. 1.1 un 螺紋 : un螺紋型為最早之設計, 外螺紋螺谷為平底或圓底均可.unr螺紋 : unr與un螺紋之不同點在於其螺谷半徑限制在0.108到0.144倍螺距. 依目前

5、要要, 1”以下規格螺紋均需使用unr螺紋. 1”以上之無法滾製螺紋而需切製時, 需unr螺紋仍需聲明, 否則應以un螺紋為主.1.2 unk 螺紋 : unk螺紋與unr螺紋幾乎完全相同, 具有相同之公差配合及螺谷半徑公差, 其不同點就在於unk螺紋強制必需檢查及保證螺谷半徑必需符合公差限制, unk螺紋成為六角孔承窩螺絲及六角孔固定螺絲之標準.1.3 unj螺紋 : unj螺紋為目前最適用之螺紋型式, 因為其對疲勞應力之抵抗超過其它型式之螺紋. 這個答案就是unj螺紋加大螺谷半徑. 其螺谷半徑為0.150到0.180倍之螺距.螺紋配合: un內螺紋緊固件通常配合un及unr外螺紋. 理論上

6、而言, un內螺紋不能配合unj外螺紋, unj內螺紋可配合un, unr及unj外螺紋, 但配合un及unr螺紋時必須小心行之.1.1 螺谷半徑之一些觀念 : un螺紋不強制必需有螺谷半徑, 其螺谷可以是平的, unr之螺谷半徑至少為0.105倍螺紋距, unj之螺谷半徑至少為0.150倍螺紋距, 很難相信這小小之差別會有多重要, 但它確實如此重要. 螺谷半徑之加大會稍許增加螺紋靜態之抗拉強度, 此為一個相當簡單之幾何原理, 當螺谷半徑增加時, 螺谷徑及抗拉強度面積亦會加大, 故其抗拉強度亦增加. 螺谷半徑主要功能為增加疲勞應力抵抗能力. 對緊固件暴露於長期動態之產品壽命影響很大, 其動態應

7、力之計算應包括所有之搖動, 震動, 撞擊, 沖壓等力量以至於應力之計算是如此困難, 但尋求更耐耗磨之產品之努力卻不能停止, 直至改良其螺谷半徑後, 此問題才告解決, 螺谷半徑越大, 其抗疲勞度越佳.螺紋數 : 螺紋數與螺距及直徑有關, 英制統一螺紋之螺紋距表示為每寸幾個螺紋, 英制統一螺紋共有11種規範, 但其中較重要者有三 : 粗螺紋( coarse unc ), 細螺紋( finc unf )及8螺紋( 8 un ). unc螺紋為惠勒氏( whitworth )於19世紀中葉發展而出, 他選擇該系螺紋之理由為當時之製造技術僅能提供類似之螺紋產品, 但時至今日, 隨著製造技術之改良及精進,

8、 已能製造出更精確之精製螺紋, 於是又加進unf細螺紋一種以滿足各項需求. 而8螺紋系統則不管其外徑為何每寸之螺紋數均為8個.1.2 螺紋等級配合 : 螺紋配合意味著結合時內螺紋及外螺紋之鬆緊程度. 英制統一螺紋外螺紋有1a, 2a, 3a三種, 內螺紋亦有1b, 2b, 3b三種等級. 這些級數使用來表示其配合程度, 級數越高, 配合之鬆緊度越緊.另外尚有一種5級螺紋, 其內螺紋及外螺紋無配合公差, 當外螺紋旋入內螺紋時, 其相互咬緊而無空隙存在, 請參考ansi/asme b1.12 a-75頁.級數1a及1b :級數1a及1b是一種配合起來很鬆之螺紋. 適用於需快速裝卸之緊固件. 1a及

9、1b僅適用於1/4”以上之粗螺紋及細螺紋緊固件. 用於機械方面非常少, 事實上, 北美地區使用此級之緊固件比率還不到千分之一.級數2a及2b :級數2a及2b之螺紋是目前使用最廣之級數, 幾乎90%以上之緊固件均使用本級數, 對製造和經濟性而言, 此為最適當之級數.級數3a及3b :級數3a及3b之螺紋適用於需配合度良好之場合如六角承窩螺絲及內六角孔固定螺絲.航空用螺栓螺帽及其它高強度或高安全顧慮之緊固件.螺紋配合之觀念 :螺紋之配合應注意公差應嚴而配合度應鬆. 同時更好之品質可得到較佳之使用效率. 在圖1上顯示出1/2"-13 unc螺紋之各級數相關性. 1b 螺紋 2b 螺紋 3

10、b 螺紋 內螺紋 .4597 .4565 195% 2a 螺紋 130% .4548 2a 螺紋 97.5% 2a 螺紋 基本有效徑 .4500 30% 2a 螺紋之配合公差 75 % .4485 .4485 2a 螺紋 150% .4463 2a 螺紋 .4435 .4411 1a 螺紋 2a 螺紋 3a 螺紋 外螺紋強度 :螺紋配合之強度決定於足夠的螺紋長結合深度及長度.螺紋之抗拉強度與級數無關. 但級數越高, 防鬆能力越好.表面處理:相當多之緊固件作表面處理以防止銹蝕及增進表面光澤. 表面處理將增加成品之厚度.表面處理之緊固件之適用性在稍後章節將花相當大的篇幅介紹. 足夠讓我們了解到2a

11、螺紋之表面處理之適用性, 但3a螺紋因為沒有配合公差, 所以表面處理時必需特別小心以免造成無法組合.高溫狀況: 當緊固件長其暴露在高溫( 通常在500度f以上 )時, 就必需加大配合公差以避免磨損情形發生.表1 螺紋強度面積表尺寸螺紋距螺紋系列asarassasn抗拉強度面積平 方 寸抗剪應力面積平 方 寸抗鬆應力面積(平方寸/寸)外螺紋內螺紋2a3a2b3b0-80 unf0.001800.001510.06030.07480.1060.1161-64 unc0.002630.002180.08350.09130.1330.1441-72 unf0.002780.002370.08310.0

12、9220.1300.1422-56 unc0.003700.003100.1010.1090.1620.1742-64 unf0.003940.003390.1010.1090.1560.1703-48 unc0.004870.004060.1180.1270.1910.2043-56 unf0.005230.004510.1180.1300.1860.2014-40 unc0.006040.004960.1380.1470.2210.2354-48 unf0.006610.005660.1400.1510.2160.2325-40 unc0.007960.006720.1610.1720.2

13、480.2635-44 unf0.008300.007160.1620.1730.2460.2626-32 unc0.009090.007450.1800.1890.2810.2966-40 unf0.010150.008740.1820.1970.2740.2928-32 unc0.01400.01200.2260.2390.3340.3538-36 unf0.01470.01280.2270.2440.3310.35010-24 unc0.01750.01450.2630.2770.4010.42010-32 unf0.02000.01750.2750.2890.3890.41112-24

14、 unc0.02420.02060.3120.3270.4580.47812-28 -unf0.02580.02260.3170.3360.4500.4741/4-20 unc0.03180.02690.3680.3850.5390.5631/4-28 unf0.03640.03260.3730.4030.5210.5495/16-18 unc0.05240.04540.4700.5020.6820.7105/16-24 unf0.05800.05240.4790.5200.6630.696尺寸螺紋距螺紋系列asarassasn抗拉強度面積平 方 寸抗剪應力面積平 方 寸抗鬆應力面積(平方寸/

15、寸)外螺紋內螺紋2a3a2b3b3/8-16 unc0.07750.06780.5760.6190.8020.8603/8-24 unf0.08780.08090.5780.6440.8000.8377/16-14 unc0.1060.09330.6770.7340.9811.017/16-20 unf0.1190.1090.6850.7610.9080.9911/2-13 unc0.1420.1260.7790.8541.121.161/2-13 unf0.1600.1490.7990.8871.081.139/16-12 unc0.1820.1620.8930.9741.271.329/1

16、6-18 unf0.2030.1890.9011.021.231.295/8-11 unc0.2260.2020.9981.091.421.475/8-18 unf0.2560.2400.9981.131.371.433/4-10 unc0.3340.3021.211.341.721.783/4-16 unf0.3730.3511.231.381.661.737/8-9 unc0.4620.4191.431.582.032.097/8-14 unf0.5090.4801.441.631.962.031-8 unc0.6060.5511.661.822.332.401-12 unf0.6630.

17、6251.661.872.772.351/14 uns0.6800.6461.671.892.232.331-1/8-7 unc0.7630.6931.882.042.652.721-1/8-8 un0.7900.7281.892.072.632.701-1/4-7 unc0.9690.8902.112.302.943.021-1/4-8 un1.0000.9292.122.332.923.001-3/8-6 unc1.161.052.342.523.273.351-3/8-8 un1.231.162.342.583.213.301-1/2-6 unc1.411.292.582.773.573

18、.651-1/2-8 un1.491.412.572.843.503.61尺寸螺紋距螺紋系列asarassasn抗拉強度面積平 方 寸抗剪應力面積平 方 寸抗鬆應力面積(平方寸/寸)外螺紋內螺紋2a3a2b3b1-5/8-8 un1.781.682.803.103.793.911-3/4-5 unc1.901.743.043.244.204.301-3/4-8 un2.081.983.033.354.084.211-7/8-8 un2.412.303.253.634.374.502-4-1/2 unc2.502.303.533.724.834.932-8 un2.772.653.483.864

19、.664.812-1/4-4-1/2 unc3.253.024.024.235.445.552-1/4-8 un3.563.423.934.375.245.402-1/2-4 unc4.003.724.504.706.076.202-1/2-8 un4.444.294.384.875.816.002-3/4-4 unc4.934.624.995.226.686.822-3/4-8 un5.435.264.835.386.396.603-4 unc5.975.625.485.747.297.443-8 unc6.516.325.285.896.957.203-1/4-4 unc7.106.725

20、.976.267.908.063-1/4-8 un7.697.495.736.407.537.793-1/2-4 unc8.337.926.476.778.518.683-1/2-8 un8.968.756.186.908.108.393-3/4-4 unc9.669.216.957.299.119.313-3/4-8 un10.3410.116.617.418.678.984-4 unc11.0810.617.447.819.719.924-8 un11.8111.577.077.919.249.57參照 備註 1234,65,6備註 :1 在英制統一螺紋中, 1-12 unf係細螺紋螺紋之

21、規範, 1-14 uns係一種徑/距混合制, 在美國, 通常使用1-14 uns螺紋.2 as = 0.7854 ( d - 0.9743/n)2 3 ar = 0.7854 ( d - 1.3/n)2 as : 抗拉強度應力面積 ar : 抗剪應力面積 d : 基本螺紋徑 d : 基本螺紋徑 n : 每寸螺紋數 n : 每寸螺紋數4 ass = 3.1416 x le x kn max x n x 1/2n + 0.57735 x (es min - kn max) ass : 外螺紋抗鬆應力面積 le : 螺紋作用長度 n : 每寸螺紋數 kn max : 外螺紋螺谷徑上限 es min

22、: 外螺紋有效徑下限 5 asn = 3.1416 x le x ds min x n x 1/2n + 0.57735 x (ds min - en max) asn : 內螺紋抗鬆應力面積 le : 螺紋作用長度 n : 每寸螺紋數 ds min : 內螺紋最大徑下限 en max : 內螺紋有效徑上限6 kn, es, ds, en值請參照ansi/asme b1.1 a-38頁.運送處理 : 大多數之緊固件在使用前均需運送處理, 此因螺紋( 外螺紋 )很容易受損之故.展延性 :低及中級強度之緊固件配上2a螺紋有相當好之展延性, 此因其具有配合公差及較大之公差範圍使得螺紋更具彈性. 高強

23、度之緊固件具有低展延性, 需配合較嚴格之螺紋.震動 :螺紋配合度越佳, 因震動所導至螺紋鬆動之危險性越低, 易言之, 防鬆性視其螺紋配合性而言.成本 : 螺紋配合度越佳,成本越高.螺紋表面處理 :表面處理將會增加厚度, 如果超過限度, 將會產生配合上之問題, 因此在表面處理前必需採取適當之措施. 在北美州處理表面處理之原則如下 : 除熱浸鋅類厚度大之處理層外, 表面處理不能違反基本螺紋配合原則.除非購買者之特殊要求, 2a螺紋可以適應表面處理. 易言之, 表面處理後之最大徑為基本尺寸, 同樣之要求亦適用於3a螺紋.如果在表面處理後仍需保留2a螺紋之特性限制時, 則符號2a應以2ag代替. 所謂

24、2ag螺紋即與未表面處理之2a螺紋之特性要求一樣. 1a螺紋不論其表面處理與否, 規格限制均相同.3a螺紋及所有內螺紋均無配合公差, 這意味者1a, 2ag, 3a外螺紋之最大徑及1b, 2b, 3b內螺紋之最小徑在表面處理前必須調整以適應表面處理之厚度.當表面處理厚度超過其配合公差時, 就必須調整其製造公差, 不論是調整外螺紋或內螺紋之限制, 此時外螺紋准許違反其基本螺紋限制.在60度角之螺紋, 螺腹及有效徑之增加約為表面處理層厚度之4倍. 表面處理厚度通常以最低限制表示, 而不管其上限為何, 所以一般而言, 通常規定其有效徑變動為厚度之6倍.例如2a螺紋表面面處理厚度為0.00015”,

25、則配合以0.0009”以上之尺寸變動以便容納增加之厚度. 通常在如此處理之後, 製造流程便不致以會發生問題. 一個較詳細對於表面處理之處理狀況規定在ansi/asme b1.1 a-48頁.在檢驗表面處理後之尺寸允收狀況時, 使用之量具與未表面處理之量具一樣, 但2a螺紋則不相同, 在表面處理後, go適用3a環規, nogo適用2a環規, 另外還有一種狀況是大厚度之表面處理.在大厚度之表面處理狀況下, 美國最普遍之作法為加大內螺紋之孔徑而不是減少外螺紋之外徑, 這是因為加大孔徑或減少外徑均會減低螺紋結合強度, 而通常螺帽之強度是配合螺栓強度, 因此可加大孔徑而非減少外徑以避免結合強度之損失.

26、 另外一個理由則純粹基於經濟上之考慮.螺紋允收 :螺紋具有兩種功能 : 結合及承受負荷. 結合功能端視其尺寸特性, 而負荷狀況則有賴於尺寸配合及材料級數, 尺寸不良之產品常造成不能結合或結合不良, 配合不當或材質錯誤則造成強度不足. 螺紋允收檢驗則在檢驗其尺寸特性是否合乎要求, 經常我們使用量規( 螺紋規及環規 )或其它檢驗設備作檢驗. 通常螺紋允收狀況由購買者決定, 這是因為他最了解緊固件使用狀況及使用要求( 包含尺寸, 強度, 緊固件工作環境, 負荷及安全顧慮等等 ). 為幫助決定如何檢驗, ansi/asme b1.3 a-53頁規定有量具量測系統可供使用. b1.3 共有三種系統以供螺

27、紋測試, 分別為21, 22, 23三種, 它們之間之分別為需求狀況之不同適用.系統編號越高, 其所測量之需要特性越多. 系統21係使用於低, 中強度一般工程用途之外螺紋緊固件. 系統22適用於高強度外螺紋緊固件, 系統23適用於unj系統外螺紋緊固件.同時系統21適用於除了unj系統內螺紋緊固件之所有內螺紋緊固件, unj系統內螺紋緊固件則適用系統23, 系統22幾乎不用於內螺紋緊固件.這三種系統係為大部份常用緊固件而設計, 如果客戶所需求為特殊要求, 則適當的修正本系統是被允許的.螺紋強度 :螺紋組合有六種強度之失敗模式 :- 外螺紋之拉斷.- 外螺紋之鬆脫.- 內螺紋之鬆脫.- 外螺紋縱

28、軸之剪斷.- 外螺紋扭斷.- 內螺紋螺紋之扯裂.拉斷, 鬆脫, 扯斷通常發生於使用階段, 扭斷導因於結合過緊, 剪斷只發生於負荷過大.緊固件強度計算 :四個緊固件結合強度負荷面積為 : a) 抗拉強度應力面積,b) 剪斷應力面積( 最小徑抗剪面積 ),c) 外螺紋抗鬆應力面積,d) 內螺紋抗鬆應力面積.所有數據資料及計算公式請參考表1.螺栓破斷失敗模式 :在選擇緊固件時, 設計人員應避免失敗之產生-組合時結合過緊及工作負荷過大導至螺栓破斷或螺紋崩壞. 有一個相當重要之觀念是 : 在結合緊固件之過程中, 應該注意其降伏強度, 如果螺栓在結合的過程中破斷, 是顯而易見且容易矯正的, 且必須馬上採取

29、措施.另外, 螺紋崩壞是一種另一型式之失敗, 它通常是逐漸發生的, 從螺紋結合處逐漸脫落,其發生之時間要好幾個小時以上, 一開始是查覺不出的.螺紋崩壞之防止 :防止緊固件螺紋崩壞之關鍵在提供足夠之緊固件結合長度, 將螺帽之膨漲率減至最低,並選擇適當之強度級數以防止螺紋損壞.螺紋結合長度 :防止螺紋於配合時崩壞之最明顯之作法乃是加大結合長度. 但會增加成本.當螺栓及螺帽結合而承受垂直之負荷時, 螺栓承受拉力, 螺帽則承受壓縮力, 如果螺絲及螺栓之材料一樣, 且均為標準螺紋型, 則其各部承受力均相等.螺栓承受垂直負荷時, 將對螺紋產生拉伸作用而有拉長效果, 同樣的, 螺帽因壓縮作用螺紋將有縮短效果

30、. 這些變形將於螺栓及螺帽二者繼續進行到二者全部螺紋密接. 其結果造成全部負荷不均勻地分配在螺紋上, 造成接合之第一螺紋所承受的負荷超過平均負荷, 而最後結合之末端螺紋承受負荷卻比較小, 實驗證實第一結合螺紋其承受之負荷可以超過平均負荷之2倍, 而末端所承受之負荷小於平均負荷之1/2, 這就是為何螺栓之破斷通常位於螺栓與螺帽或螺孔結合之第一螺紋, 同樣之研究更指出在同一結合長下, 螺距愈小, 第一螺紋所承受之負荷就愈大.如將結合長加長到螺栓徑之一倍以上亦不可行, 這是因為額外之結合螺紋僅可承受少部份之負荷且第一螺紋需足夠粗大到可以將負荷成功地分配到其它螺紋, 就此觀點而言, 十分可能失敗.螺帽膨漲 :當垂直負荷增加時