nasa紧固件设计手册-达文中翻译版

1、NASA紧固件设计手册Fastener Design Manual国家航空航天局参考物12281990 年原著T俄亥俄州，克利夫兰翻译：达文中国家航空航天局行政管理科学和技术信息部1NASA 参考物 1228紧固件设计手册理T.1990 年 3 月本手册描述了可用于腐蚀控制的各种镀层，包括镀镉和镀锌。它没有提到由这些金属的相对较高的蒸汽压引起的排气问题。紧固件手册主要是为航空应用而编写的，在航空应用中排气通常不是典型的考虑。2008 年 6 月 17 日发布ii修正说明概要1导言1一般设计信息 1紧固件材料1镀层和涂层1镀镉 1镀锌 2磷酸盐涂层2镀镍 2离子气相沉积镀铝3镀铬 3Serrna

2、W 和 SerrnaGard3Stalgard 3扩散镀镍镉3镀银 4钝化与预氧化4黑色氧化物涂层4螺纹润滑剂4油脂 4石墨 4二硫化钼4协同涂料4Neverseez4Silver Goop(银泥) 5螺纹固定化合物5腐蚀5电偶腐蚀5应力腐蚀5氢脆 6镉脆 6锁紧方法 6螺纹孔6锁紧螺母6变形螺纹7锁定粘合剂9垫圈9碟形垫圈9锁紧垫圈9齿形(或星形)锁紧垫圈10自调式垫圈10嵌件10螺纹嵌件10iii目录非螺纹嵌件12螺纹12螺纹类型12螺纹等级13螺纹成型13耐疲劳螺栓13螺栓的疲劳(循环)载荷13螺栓的热循环载荷15紧固件扭矩15扭矩表的发展17替代扭矩公式17扭矩测量方法18设计准则 1

3、8查找紧固件组上的剪切荷载18查找紧固件组上的张力载荷18组合剪切和拉伸紧固件载荷18计算螺纹孔的拉拔载荷21计算“数字”紧固件刀柄直径21载荷中的紧固件组(剪切载荷) 21紧固件边缘距离和间距21载荷和剪切允许的近似值21适当的紧固件几何形状21剪切螺栓和螺母21使用适当的螺杆长度 21螺栓头和螺钉头样式 22紧固件22螺栓头的识别22紧固件强度22铆钉和锁紧螺栓26铆钉 26一般铆钉类型26特殊铆钉类型29锁紧螺栓 31Jo-bolts 31Hi-Lok 31Huckbolts31Tr-Lok32Rivnuts32Hi-Shear Rivet 高剪切铆钉33轻型开槽比例锁紧螺栓33选择铆钉

4、和锁栓的一般准则34参考文献35iv度下不大理想(易脆)。（3） 氢脆化是大多数常见电镀方法的一个问题，除非使用特殊的工艺。(这个在腐蚀部分有更详细 的介绍。)（4） 400 系列 CRES 仅含 12%的铬，因此在某些环境下会被腐蚀。（5） 不同材料的接触会产生电偶腐蚀，这可能成为一个主要问题。(电偶腐蚀将在本手册的后续章节中介绍。)本手册是为设计工程师编写的，使他们能够为自己的设计选择合适的紧固件。包括紧固件材料选择、镀 层、润滑剂、腐蚀、锁定方法、垫圈、嵌件、螺纹类型和类别、疲劳载荷和紧固件扭矩。设计标准的一节包括了扭矩公式的推导、紧固件组上的载荷、同时发生的剪切和拉伸载荷、螺纹孔的拔出

5、载荷、握柄长度、头部样式和紧固件强度。本手册的后半部分介绍了铆钉和锁紧螺栓的一般指导原则和选择标准。镀层和涂层大多数电镀工艺都是电解并产生氢气。因此，大多数电镀工艺需要在电镀后在远低于电镀材料分解温度的温度 下烘烤，以防止氢脆化。然而，将镀层加热到其分解温度可以再次产生游离氢。因此，超过电镀的安全操作温度会导致由于氢脆和失去腐蚀保护而导致的紧固件过早失效。对于一般的观察者来说，设计中螺栓、螺母和铆钉的选择应该是一个简单的任务。实际上，这是一项艰巨的任务，需要仔细考虑温度、腐蚀、振动、疲劳、初始预紧力和许多其他。本手册的目的是提供足够有关于螺栓和铆钉材料、表面处理、扭矩和螺纹润滑剂的数据，以使设

6、计者能够对特 定设计做出合理选择。锁紧螺母、垫圈、锁定方法、嵌件、铆钉和螺纹孔也包括在内。最常见的航空航天紧固件电镀材料是镉。电镀是通过电沉积来完成的，而且很容易完成。然而，为了防止氢脆，镀镉必须在镀后 2 小时内，在 375【约为 190.6】的温度下烘烤 23 小时。由于镉在 600【注：约为 315.6】熔化，它的有效使用温度限制是 450【注：约为 232.2】。一般设计信息紧固件材料螺栓可以由多种材料制成，但大多数螺栓是由碳钢、合金钢或不锈钢制成的。不锈钢包括铁基和镍基铬合金。钛和铝螺栓的用途有限，主要用于航空航天行业。碳钢是最便宜也是最常用的螺栓材料。大多数五金店都出售碳钢螺栓，这

7、些螺栓通常是镀锌的，以防止腐蚀。这种螺栓材料的典型极限强度为 55ksi。合金钢是一种高强度的碳素钢，可热处理至 300ksi。 然而，它不是耐腐蚀的，因此必须有某种类型的涂层来保护它免受腐蚀。航空航天合金钢紧固件通常镀镉以防腐蚀。不锈钢(CRES)螺栓【CorroResistant Steel，即不锈钢】有多种合金可供选择，其极限强度从 70 到 220 ksi。使用 CRES 的主要优点是，它通常不需要保护涂层，并且具有比普通碳钢或合金钢更宽的使用温度范围。错误!未找到源。列出了紧固件材料的部分。应注意以下注意事项：螺栓电镀材料通常是最高使用温度的限制。碳钢和合金钢在低于-65【约为-53

8、.9】的温1镀镉(错误!未找到源。给出了镀层和涂层的摘要。)导言概要225F(对于重锌)到 400F(对于磷酸铁)时开始。锌也是一种常见的镀层。热浸镀锌法在商业上称为镀锌。锌也可以电沉积。因为镀锌的表面比较暗淡，所以外观不如镉好看。然而，锌是一种牺牲物质。它会迁移到没有镀膜的地方，这些地方的镀层已经被刮掉了，这样就可 以继续提供抗腐蚀能力。锌也可以作为一种含锌丰富的涂料冷涂。锌在 785熔化，但有用的使用温度最高到 250镀镍，不论是否镀铜()，是防止腐蚀和改善钢和黄 铜外观的最古老的方法之一。除非镀铬，否则镀镍会失去光泽。镀镍比镀镉或镀锌更昂贵，而且电镀后必须和镀镉一样烘烤，以防止氢脆。在

9、1100F 的工作温度下镀镍效果很好，但由于成本问题，目前它仍然不常用于电镀紧固件。(其抗蚀性能在 140以上。)磷酸盐涂层钢或铁通过用稀释的磷酸溶液处理材料表面来涂覆磷酸盐，通常是将零件浸入专有的浴液中。化学反应形成一 层温和的晶体磷酸盐保护层。磷酸盐涂层的三种主要类型是锌、铁和锰。磷酸盐涂层的可以很容易地涂漆，也可以浸入油或蜡中以提高其耐腐蚀性。紧固件通常用锌或锰磷化。磷化零件中很少出现氢脆。磷酸盐涂层在2镀镍镀锌但是，对于 800到 1200的最高工作温度，它是可以接受的。SermaW 和 SermaGard 是专有涂料，由无机粘结剂中的铝颗粒组成1，添加铬酸盐以抑制腐蚀。涂层材料由AM

10、S3126A 覆盖，工艺依据 AMS2506。将涂层喷涂或浸渍在零件上，并在 650F 下。(SPS Technologies2在900F 下测试了 SermaW 涂层紧固件，没有发生退化。)由于紧固件被完全涂覆，这种涂覆过程可以防止氢脆 和应力腐蚀。Serma在抗腐蚀方面与镀镉一样有效，但成本比镉高出约 15%。目前没有镀有 SermaW 或 SermaGard 涂层的“现货的”紧固件，但该公司将对紧固件或机械零件进行少量订购。这些涂层将在螺纹区域中进行多达 15 次拆卸，而不会导致涂层严重。StalgardStalgard 是一种专有的涂层工艺3，包括有机涂层，无 机-有机涂层，或两者兼而

11、有之，用于耐腐蚀。根据 Stalgard 测试数据，其涂层在盐雾和风化测试中优于镀镉或镀锌。Stalgard 涂层还提供电偶腐蚀防护。但是，这些有机涂层的最高工作温度为 475F。扩散镀镍镉这种工艺是由航空航天公司开发的，用于较高温度的 镉涂层。在基板上电镀 0.0004 英寸厚的镍镀层，然后是 0.0002 英寸厚的镍镀层。镉板(符合 AMS2416)。然后将部件在 645F 下烘焙 1 小时，所得涂层可承受 1000F。然离子气相沉积镀铝离子气相沉积铝电镀是由 McDonnell-Douglas 公司开发的，用于飞机零的镀膜。与镀镉相比，它有一些优势：不产生氢脆。对不同材料的电偶腐蚀起绝缘

12、作用。 (3)涂层可接受高达 925。(4)也可用于钛和铝的涂层。而，镍板必须始终完，以避免镉损坏。这个过程成本高昂，并且需要严密的控制。(5)该工艺不产生副产物。 它也有一些缺点：由于该工艺必须在专门设计的真空室中进行，因此 相当昂贵。在盐雾试验中，镉的性能优于离子气相沉积的铝。镀铬通常用于汽车和家电装饰应用，但不常用于紧固件。镀铬紧固件的成本大约与不锈钢紧固件相同。好的镀1 Sermatech ernational, Inc., Limerick, Pennsylvania.2 Jenk own, Pennsylvania3 Eico Industries, Rockford, Illin

13、ois.3镀铬SerrnaW 和 SerrnaGard铬要求在镀铬之前同时电镀铜和镍。镀铬也有氢脆问题。镀银对于大多数紧固件应用来说，镀银的成本高得令人望而却步。最大的例外是在航空航天工业，镀银螺母被用在不锈钢螺栓上。银具有防腐蚀和干润滑剂的双重作用。镀银可用于 1600F，是良好的高温润滑剂。由于银在正常的大气中会变色，镀银螺母通常被涂上透明的蜡以防止变色。蜡是一种很好的室温润滑剂。因此，扭矩表的正 常“干扭矩”值应降低 50%，以适应这种润滑剂。钝化与预氧化除非在组装之前进行钝化或预氧化(参考文献1)，否则 不锈钢紧固件会在连接处产生电偶腐蚀或氧化。钝化是通过用酸对钢进行短暂处理，在钢上形

14、成一层保护性氧化物涂层。氧化物涂层差不多都是惰性的。预氧化是通过在空气炉中将紧固件在大约 1300F 的温度下形成氧化物涂层。所形成的表面有足够的惰性，以防止由于电偶腐蚀而产生的磨损。石墨“干”石墨其实并不干。它是细碳粉，需要水分(通常 是油或水)才能成为润滑剂。因此，它的最高操作温度被限制在油或水的沸点。它在真空环境中使用也会损失水分。由于干石墨是一种磨料，如果超过上述限制，它的使用对螺栓连接是有害的。黑色氧化物涂层黑色氧化物涂层与油膜相结合，仅仅是增强了碳钢紧固件的外观。油膜是涂层中唯一防止腐蚀的部分。二硫化钼二硫化钼是最受欢迎的干性润滑剂之一。它可以在真空环境中使用，但在大约 750F

15、时变成三硫化钼。三硫化 钼是一种磨料，而不是润滑剂。螺纹润滑剂虽然有许多螺纹润滑剂可供选择，但这里只介绍了几种常见的润滑剂。最常见的是油、油脂或蜡、石墨和二硫化 钼。还有几种专有润滑剂， 如 Never-Seez 和 Synergistic Coatings。一些螺纹固定化合物，如乐泰(Loctite)，也可用作螺栓组件的润滑剂，特别是允许拆卸螺栓的化合物。错协同涂料这些专有涂层4是一种注入并烘烤到多孔金属基体涂层中的氟碳化合物，既能防止腐蚀，又能起到润滑作用。然而，在他们的销售说明书中给出的最高操作温度是 500 F。协同涂层也可以在真空环境中工作。误!未找到源。给出了螺纹润滑剂的概要。油脂

16、虽然油和润滑脂是最常见的螺纹润滑剂类型，但它们 仅限于不超过 250F 的工作温度。(高于此温度，油或油脂将融化或沸腾掉。)此外，油不能在真空环境中使用。然而，只要遵守这些预防措施，油和润滑脂对润滑和防腐蚀都有好处。Neverseez根据制造商的说法，这种专有化合物5是一种石油基润滑剂和防腐剂，作为润滑剂达到 2200F 时是令人满意的。油会蒸发掉，但这种化合物会在螺纹之间留下镍、铜和锌的氧化物。这允许拆卸紧固件，但每次安装紧固件时都需要重新添加润滑剂。宇航局 Lewis 的员工测试了这种化合物，发现效果很不错。4 General Magnaplate Corporation, Ventura

17、, California. tic Emhart, Broadview, Illinois45Silver Goop 是一种专有化合物6，含有 20%至 30%的 银。Silver Goop 可用于 1500F，但不能用在铝或镁上。它非常昂贵，因为它有银的成分。螺纹固定化合物一些可拆卸的螺纹固定化合物(如 Loctite)也可用作抗磨损和润滑物质。不过，它们是环氧化合物，其最高工作温 度约为 275F【135】。电偶腐蚀当两种不同的金属在电解液中存在时，分，就会请注意活泼型和钝化后的 304 和 316 不锈钢之间的差 异。这里的不同之处在于通过在空气炉中氧化或用酸处理表面来完成不锈钢的钝化以

18、形成氧化物。这种氧化物表面形成电偶腐蚀。两种材料中最活跃的(阳极)被侵蚀并沉积在 最不活跃的(阴极)上，这就产生一个电偶电池(原电池)。请注意，下面列表中两种材料的距离越远，它们之间的电偶作用就越大。根据参考文献2，一些常用工程材料的电偶等级如下:在两种情况下都是相当惰性的，并且 了电偶活动。 由于阳极在原电池中被腐蚀，所以它应该在电池中占较大的质量。因此，在不锈钢或铜组件中使用碳钢作为紧 固件是一个糟糕的设计。反过来，不锈钢紧固件可用于碳钢组装件，因为碳钢是阳极。镁因为它的高强度重量比经常用于轻量化设计。但是，它必须通过惰性涂层(如铬酸锌底漆)与紧固件完全绝缘，以防止的电偶腐蚀。在电镀系列中

19、，镀镉或镀锌紧固件与镁最接近，如果绝缘涂层损坏，则是最兼容的紧固件。应力腐蚀当受应力的零件被放置在腐蚀性环境中时，就会发生应力腐蚀。由于腐蚀环境产生的表面缺陷(通常是凹坑或裂纹)，一个原本具有延展性的将在应力远远低于其屈服强度的情况下失效。一般来说，材料的热处理温度越 高(延展性越低)，就越容易发生应力腐蚀开裂。紧固件材料制造商已被迫开发对应力腐蚀不太敏感的合金。在不锈钢中，A286 是航空航天使用的最佳紧固件材料。它不容易受到应力腐蚀，但通常只生产 160-ksi 的强度(220-ksi A286紧固件可在特殊订单上)。强度较高的不锈钢紧固件 (180 至 220 ksi)通常由 17-7P

20、H 或 17-4PH 制成，它们易受 应力腐蚀。如果成本和进度不受限制，可以使用 Inconel 718 或 MP35N 等高温合金紧固件。另一种选择是使用高强度碳钢(如 H-11 工具钢，其极限6 Swagelok Company, Solon, Ohio51Magnesium (most active)镁(最活跃)2Magnesium alloys镁合金3Zinc锌4Aluminum 5056铝 50565Aluminum 5052铝 50526Aluminum 1100铝 11007Cadmium镉8Aluminum 2024铝 20249Aluminum 7075铝 7075Mild

21、steel低碳钢11Cast iron铸铁Ni-ResistNi-抗蚀剂Type 410 stainless (active)410 型不锈钢(活泼型)Type 304 stainless (active)304 型不锈钢(活泼型)Type 316 stainless (active)316 型不锈钢(活泼型)Lead铅Tin锡Muntz Metal蒙氏铜锌合金Nickel (active)镍(活泼型)Inconel (active)铬镍铁合金(活泼型)Yellow brass黄铜Admiralty brass黄铜222120191817161514131210腐蚀Silver Goop(银泥

22、)Aluminum brass铝黄铜Red brass红黄铜Copper铜Silicon bronze硅青铜70-30 Copper-nickel70-30 铜镍Nickel (passive)镍(钝化)Inconel (passive)铬镍铁合金(钝化)Titanium钛Monel蒙乃尔铜-镍合金Type 304 stainless (passive)304 型不锈钢(钝化)Type 316 stainless (passive)316 型不锈钢(钝化)Silver银Graphite石墨Gold (least active)金(最不活跃)363534333231302928272625242

23、3抗拉强度为 300 ksi)并提供腐蚀保护。然而，如果可能的意的特例是 Spiralock7丝锥，如图 1 所示。Spiralock 螺纹 形式的根部有一个 30的楔形坡道。在夹紧载荷下，外螺纹的顶端紧紧地卡在坡道上。这使得在振动下导致松动的横向运动几乎不可能。一些航空航天公司的独立试验表明，这种类型的螺纹具有良好的抗振动性能。螺栓可以有一个标准的螺纹，因为螺纹孔可以进行所有的锁定。话，最好使用普通品种和强度的紧固件，而不是使用一些高强度的紧固件。高强度紧固件(大于 180 ksi)会带来诸如脆性、严重缺陷、锻造封头、螺纹冷轧以及严格质量控制程序的必要性等问题。质量控制程序如 X 射线，渗透

24、剂，磁粉，螺纹半径和头部半径检查通常用于高强度紧固件。锁紧螺母有各种类型的锁定元件，共同的原理是将螺母螺纹绑定(或楔入)到螺栓螺纹。这里涵盖了一些比较常见的锁紧螺母。分体梁分体梁锁紧螺母(图 2)在顶部有槽，并且在氢脆每当存在与金属密切相关的游离氢时，就会发生氢脆。由于大多数电镀工艺是电解槽类型，因此存在游离 氢。有三种类型的氢金属问题：(1)氢化学反应：氢与钢中的碳反应生成甲烷气体，可导致裂纹扩展和强度降低。氢还可以与钛、铌或钽等合金开槽部分螺纹直径过小。螺母旋转，直到螺栓螺纹到达开槽区域。的“梁”段被螺栓向外偏转，摩擦载荷由配合螺纹的结合产生。元素反应形成氢化物。因为氢化物的强度不如合金，

25、所以它们降低了零件的整体强度。氢脆：氢可以留在溶液间隙中(颗粒结构中的晶 格之间)，并可在验证测试后导致延迟故障。没有外部迹象表明氢的存在。氢环境脆化：这个问题只存在于高压氢环境中，例 如储氢罐。除非紧固件在这种压力容器内受到压力，否则不会出现这种情况。大多数电镀规范现在规定，电镀碳钢紧固件“应在电 镀后 2 小时内在 37525F 下烘烤不少于 23 小时，以提供氢脆消除”(参照标准 MIL-N-250270)。过去，电镀规范要求在电镀后 4 小时内在 37525F 下烘烤 3 小时。这种处理被发现是不充分的，大多数电镀规格在 1981-82 年度进行了修订，以反映较长的烘烤时间。氢脆问题也

26、随着紧固件强度的增加而增加。镉脆材料的氢脆失效被很好地下来(参考文献3)，但是镉的脆化效应并没有被。一般来说，镀镉的失效起始温度可低至 325F，而镉脆失效起始温度可达 400F 左右。由于这两种元素通常都存在于镀镉的高温故障中，两者的共同作用可能是性的。每种方法的单独作业效果是不确定的。锁紧方法螺纹孔在螺纹，锁定技术通常在紧固件上。一个值得注7 Distributed by Detroit Tap & Tool Company, Detroit, Michigan, through license from H.D. Holmes6变形螺纹变形螺纹防松螺母(图 3)是一种常见的防松螺母，特别

27、是在航空航天工业中。其优点如下：(1)螺母可一次成型。温度范围仅受金属、其电镀或两者的限制。在因失去锁定能力而必须丢弃螺母之前，螺母可以 重复使用大约 10 次。Nylok 颗粒Nylok 颗粒8(尼龙)通常安装在螺母螺纹中，如图 4 所示。颗粒或补丁从螺纹突出。当配合螺纹啮合时，压缩产生反作用力，导致锁定接触。这种颗粒的主要缺点是其最高工作温度约为 250F。尼龙颗粒也会因重装而迅速损坏。图 7 所示，尽管“们”无法就底部应该放哪个螺母达成一致【达文中注：也有些人做过实验，具体可以参锁环和密封或尼龙垫圈安装在螺母的顶 部，如图 5 所示。轴圈具有过盈配合，使其结合在螺栓螺纹上。它还提供了一些

28、密封作用，防止气体和水分泄漏。同样，这种螺母的限制特征是锁紧环的温度限制大约为 250F。有时使用的一种节省成本的方法是在螺母或螺栓的螺纹上粘合尼龙补丁，以获得一些锁定作用，而不是使用锁环或尼龙颗粒。这种方法也用于短螺纹长度，其中锁定颗粒的钻孔可能导致严重的应力集中。蜂窝状螺母蜂窝状螺母通常有六个槽，如图6(a)所示。螺栓的螺纹顶端有一个孔。螺母被扭矩到其所需 的扭矩值。然后将其向前或向后旋转(取决于用户的偏好)到与螺栓中的钻孔对齐的最近插槽。然后安装开口销，将螺母锁定到位，如图 6(b)所示。这种螺母非常适用于低扭矩应用，例如将车轮轴承固定在适当的位置。考此文。】然而，这种类型的装配因不可而

29、不大可靠。如果内螺母比外螺母扭得更紧，内螺母就会在外螺母满负荷之前屈服。另一方面，如果外螺母比内螺母更紧，内螺 母就会卸载。然后外螺母就会在内螺母满负荷之前屈服。每个螺母很少会获得正确的扭矩。锁紧螺母比普通螺母和防松螺母更实用。然而，一个压紧螺母可以用在一个螺丝扣上，因为它不承受任何张力负载。78 Nylok Fastener Corporation, Rochester, Michigan.压紧螺母这些螺母通常被“挤压”在一起，如锯齿面螺母(或螺栓)该螺母的锯齿面(如图 8 所示)在最终拧紧时嵌入承载面。这意味着它不能与垫圈一起使用，也不能用于可能会出现划痕或腐蚀问题的表面。根据 SPS 技

30、术公司的说法，他们的锯齿形螺栓 (Durlock 180)需要 110%的拧紧力矩才能松开它们。他们对这些螺栓的测试表明它们具有优异的抗振性。安全锁线尽管锁定布线是防止螺栓或螺母旋转的一种费力的方法，但它仍然用于关键应用中，特别是在 航空领域。螺母通常有钻孔角，螺栓要么在头部有通孔，要么钻角穿过锁线。一个典型的螺栓锁接线组件如图 9(a)所示，一个典型的螺母锁接线组件如图 9(b)所示。直接螺纹直接螺纹具有超大的根直径，使得配合螺纹之间有轻微的配合。它通常用于半性安装的螺纹螺柱上，而不是螺栓和螺母上，因为干涉配合确实会损坏螺纹。锥形螺纹锥形螺纹是直接螺纹的变体，但不同之处在于小径是锥形的，以

31、螺母或螺栓的最后三 或四个螺纹，如图 10 所示。托板螺帽(直译：螺母板)托板螺帽(图 11)通常用作盲螺母。它们可以是固定的也可以是浮动的。此外，它们可以具有常规螺母的大多数锁定和密封功能。托板螺帽通常用于太薄而不能攻丝的材料。它们主要由航空航天公司使用，因为它们的安装费用很高。每个螺母板安装至少需要三个钻孔和两个铆钉。8青铜、磷青铜、不锈钢和 K-蒙乃尔合金。当螺栓被拧紧时，锁垫圈充当弹簧。然而，当螺栓完全扭紧时，垫圈通常是平的。此时它相当于一个实心平垫圈，它的锁定能力是不存在的。总之，这种类型的锁垫圈对于锁定是无用的。锁定粘合剂许多厂家生产用于锁定螺纹的锁定粘合剂(或环氧树 脂)。大多数

32、主要的生产厂家都生产几种等级的锁紧胶，这样拆装的频率就可以与胶的锁紧能力相匹配。例如，Loctite242 用于可拆卸紧固件，而Loctite 2719 用于防篡改紧固件。其他制造商如tik、ND Industries、Nylock、3M 和 Permaloc 也生产类似的产品。大多数这些粘合剂的工作方式有两种。它们要么是在没有空气的情况下变成薄层时变硬的单一混合物，要么是两层中的环氧树脂，直到它在配合螺纹之间混合和压缩时 才硬化。请注意，两层粘合剂通常由制造商将其作为“带状”或环放在紧固件上。只要它们没有被不经意地混合或损坏，这些丝带或环会能保持一定的时期。这些粘合剂通常作为螺纹密封胶也是有

33、效的。然而， 它们都不能承受高温。最好的粘合剂能在 450F【注：232.2】时起作用；的粘合剂只能在 200F【注：93.3】下起作用。垫圈碟形垫圈碟形垫圈(图 12) 是垫圈，地用于保持螺栓 上的均匀拉伸载荷，而不是锁紧。如果它们没有完全展平，它们将作为螺栓连接中的弹簧。然而，除非它们的表面有锯齿，否则它们没有显著的锁定能力。当然，锯齿会破坏它们下面的配合面。如图 13 所示，这些垫圈可以叠放在一起，以增加弹簧的总长度(图 13(a)和(c)或增加弹簧常数(图 13(b)。锁紧垫圈图 14 所示的典型螺旋弹簧垫圈由略微梯形的钢丝制成，形成一个线圈的螺旋，因此高度约为垫圈横截面厚度的两倍。它

34、们通常由硬化碳钢制成，但也有铝、硅、99 Loctite Corporation, Newington, Connecticut.嵌件嵌件是一种特殊类型的装置，它的内径上有螺纹，外径上有螺纹或突起，并锁在一个钻制、模制或螺纹。它用于在软质材料(如和有色金属材料)中提供坚固、耐磨的螺纹孔，以及修复螺纹的剥离螺纹。航空航天工业在软的材料螺纹 使用镶嵌件，以便利用小的高强度紧固件来节省重量。例如，嵌件拥有较大 外螺纹(名义上比内螺纹直径大 1/8 英寸)，比如让一个 10-32 的螺栓等效于一个 5/16-18 的螺母【达文中注：恕才疏齿形(或星形)锁紧垫圈齿形锁紧垫圈(图 15)与螺钉和螺母一起用

35、于某些弹簧动作，但主要用于锁紧动作。齿形被做成具有边缘的学浅经验，这句话纠结了两晚不知道怎么翻译才好， 就随意翻译了】。总的来说，有两种类型的嵌件：一种是外部有螺纹 的，另一种是通过螺纹以外的方法锁定的(滚花、锯齿、槽或过盈配合)。在有螺纹的嵌件这一类中又分了三种：线螺纹，自攻式和实心衬套。结构。一条边咬入螺栓头(或螺母)，而另一条边咬入配合表面。虽然这种垫圈确实提供了一些锁定作用，但它会损坏配合表面。这些划痕可能导致高应力紧固件、配合部件或两者一起产生裂纹，以及增加腐蚀敏感性。自调式垫圈自调式垫圈与具有锥面的配合螺母一起使用，如图 16所示。由于使用这种螺母会导致重量损失和严重的成本损螺纹嵌

36、件线螺纹钢丝螺套嵌件(螺旋线圈10)，是精密的菱 形 CRES 线材线圈, 它既形成外螺纹又形成内螺纹，如图失，因此只能作为最后段使用。将平行配合表面保持在可接受的范围内(2，根据 SAE 手册(参考文献4)通常是更好的选择。17 所示。该线圈的尺寸稍大一些，因此在螺纹过盈配 合。此外，该镶嵌件还带有变形的线圈(图 18)，用于附加锁定。安装后，柄脚在缺口处折断。10 Emhart Fastening Systems Group, Heli-Coil Divi, Danbury, Connecticut.10钢丝螺套是修复 露螺纹攻丝孔的最常用的类型，因 为它所需的扩孔量最少。但是，如果空间允

37、许，最好使用实心衬套嵌件。自攻式大多数自攻嵌件都是实心衬套类型，其锥形外螺纹类似于自攻螺钉(图 19)。有几种不同的锁定组合，例如 Nylok 插头(图 19(b)或滚牙成型的 Speedsert11变 形螺纹(图 20)。滚牙成型嵌件的另一个优点是，由于它不切削螺纹，因此不会产生切屑。但是，它只能用于较软的材料。实心衬套实心衬套嵌件在和外部均具有常规螺纹。常用的类型是图 21 中所示的 Keensert11。在拧入到位后，将锁紧键。另一个制造商使叉锁环进行锁定。这些插件也可与的外螺纹或 Nylok 插头一起用于锁紧。11 Rexnord Spe lty Fasteners Divi, Tor

38、rance, California.11非螺纹嵌件膨胀嵌件最熟悉的无螺纹嵌件是如图 22 所示的膨胀嵌件。这种物在外侧和纵向狭缝上有倒螺纹钩，允许它在安装螺纹紧固件时向外扩展，将倒钩推入钻 孔的壁上。(见参考文献5)模制嵌件这种类型的嵌件(图 23)是滚花或锯齿形螺纹类型由于关于大多数螺纹的完整信息可以在 ANSI 标准(参的，以防止拔出和旋转。它通常与陶瓷、橡胶和 一起使用，因为在这些材料中它比自攻或传统的螺纹嵌件具有 更高的抗拉和抗旋转能力。(见参考文献 5)超声波嵌件超声波嵌件(图 24)在各个方向上都有考文献6)，SAE 手册(参考文献 4)和技术研究所(以前是局)手册 H-28(参考

39、文献7)中找到。本手 册将不包含任何螺纹标准。这里的目标是解释常见的螺纹类型以及它们的优缺点。常见的螺纹类型有国标粗螺纹 (UNC)、国标细螺纹(UNF)、国标超细螺纹(UNEF)、 UNJC、UNJF、UNR、UNK 和等螺距螺纹。国标粗螺纹UNC 是通用紧固件上最常用的螺纹。 粗螺纹比细螺纹深，并且在没有交叉螺纹的情况下更容易组装。制造公差可以大于较细螺纹的制造公差，从而允许更高的电镀公差。由于配合较松，UNC 螺纹在被腐蚀时通常更容易移除。但是如果需要的话，UNC 紧固件可以采用 3 级(更紧的)配合(稍后将介绍)。国标细螺纹UNF 螺纹的内径比 UNC 螺纹大，这 使得 UNF 紧固件

40、比相同材料和外径的 UNC 紧固件具有更高的承载能力和更好的扭矩锁紧能力。细螺纹具有比 UNC螺纹更严格的制造公差，较小的导程角可以实现更好的调节张力。UNF 螺纹是航空航天工业中使用最广泛的螺纹。国标超细螺纹UNEF 是一种比 UNF 更精细的螺纹类型，在航空航天领域很常见。该螺纹特别适用于硬质材料的螺纹孔和薄的螺纹壁，以及薄材料的螺纹孔。凹槽，以提高其锁定强度。它们被安装在准备好的，通过在超声振动时将它们压入。超声波振动会局部熔化孔壁，从而将凹槽“焊接”到位。由于熔化的面积很小，因此这些嵌件不具有在适当位置模制的嵌件的保持力。超声波嵌件仅限于在热塑性中使用。(见参考文献5)UNJC 和 U

41、NJF 螺纹“J”螺纹有外部和两种 形式。外部螺纹的根半径比相应的 UNC、UNR、UNK 或 UNF 线程大得多。此半径是强制的，并且需要进行检查，12而 UNC、UNF 或 UNEF 螺纹不需要根半径。由于较大的根 半径会增大内径，UNJF 或 UNJC 紧固件比相应的 UNF 或 UNC 紧固件具有更大的净拉伸面积。根半径也会使螺纹截面中的应力集中系数变小。因此，高强度(180ksi)螺栓通常具有“J”螺纹。UNR 螺纹从各个方面来说，UNR 外螺纹都是滚轧过的 UN 螺纹，只是必须将根半径修圆。但是，根半径和内末端附近断裂，因为这里是应力集中最大的区域。为了减小应力集中系数，可以将螺栓

42、柄加工到螺纹的根部直径。 这样，它可以比标准螺栓承受更长久的拉力循环载荷，其柄部直径等于螺纹外径。螺栓的疲劳(循环)载荷图 26 中的螺栓连接(来自参考文献9)在施加外部载荷 Fe 之前，用初始载荷 Fi 预加载，Fi 等于夹紧载荷 Fc。该 组件的等式(来自参考文献10)是：径查或公差控制。没有的 UNR 螺纹。UNK 螺纹外螺纹与 UNR 螺纹相似，除了根半径和内径需要检查或公差控制。没有的 UNK 螺纹。根据工业紧固件对制造商进行的，几乎所有 的外螺纹紧固件制造商都生产 UNR 轧制螺纹，而不仅是普通 UN。唯一的例外是研磨或切割螺纹的不同。等距螺纹这些螺纹提供各种螺距选择，可与各种 直

43、径匹配以适合特定设计。这是直径 1 英寸及以上的螺栓的常见做法，最常见的螺距是每英寸 8、12 或 16 个螺距。参考文献8的 M-6 页给出了 UN、UNR、UNK 和 UNJ螺纹的图形和表格说明。兹附上一份(图 25)以供参考。其中 Fb 为螺栓总荷载。式中，Kb 是螺栓的弹簧常数，Kc 是夹紧面的弹簧常数。要查看相对弹簧常数的影 响，令 R=Kc/Kb。然后得到(来自参考文献11)：在普通的夹紧接头中，Kc 远远大于 Kb(对于钢螺栓和 法兰，R=5.0)，因此，螺栓载荷不会随施加的初始外部载荷 Fc 的增加而增加。(请注意，直到 Fe 超过 Fi 时，螺栓载荷才显着增加。)为了进一步阐

44、明外部施加的载荷的影响，以下一系列 三角图(图 27，来自参考文献 10)可以用来说明载荷条件。三角形 OAB 在所有四个图中均相同。OA 的斜率表示螺栓刚度；AB 的斜率表示接头刚度(通过 OC/CB 的比，接 头比螺栓的刚度大)。在图 27(a)中，外部施加的载荷 Fe(a)不会将螺栓加载到其屈服点。在图 27(b)中，螺栓被Fe(b)加载到其屈服点，夹紧载荷相应地减小到 FCL。在图 27(c)螺纹等级螺纹等级的区别是通过公差和容差的量级来区分的。外螺纹和内螺纹 名分别从 1A 到 3A 和 1B 到 3B。等级 1 是一个宽松的配合，通用的螺纹；等级 3 是更严格公差的 航空航天标准螺

45、纹。(不同级别的个别公差和尺寸见 SAE 手册(参考文献 4)。)螺纹成型中，外部负载 Fe(c)让螺栓变形，使得当去除 Fe(c)时，夹紧力将小于 Fi。在图 27(d)中，接头在螺栓失效的过螺纹可以通过切割、热轧或冷轧成型。最常见的制造 方法是对直径为 1 英寸的螺栓头和螺纹进行冷成型。直径 1英寸以上的螺栓和高强度的小螺栓采用热锻工艺。螺纹仍然是冷轧的，直到螺栓尺寸不允许形成螺纹所需的材料位移(高达每英寸 8 个螺纹的恒定螺距)。切割螺纹成型只会在装配时用丝锥和模具或用车床进行切削时才会用到。冷轧的另一个优点是通过高压应力增加螺栓螺纹的强度，类似于喷丸的效果。这个过程使螺纹更抗疲劳开裂。

46、完全分离。请注意，OA 的斜率越平坦(或 OC/OB 之比越大)，则 F对螺栓载荷的影响越小。因此，使用的小直径紧固件而不是几个大直径紧固件将使接头更加耐疲劳。参考图 27(a)，请注意，循环(交变)载荷是 Fi 之上的那部分。这些交变载荷(应力)用来在螺栓材料的应力载荷循环图上使用，以螺栓的疲劳。注意，螺栓附近的耐疲劳螺栓初始预紧力 Fi 可使循环载荷最小化。如果螺栓在拉力作用下循环，则通常会在螺纹部分的131 = + () 1 + = + () + 14（3）（4）（5）（6）（7）螺栓的热循环载荷用于预紧的螺栓拉伸强度的百分比一旦就第 4 项达成一致，如何准确确定该值 结构和螺栓的相对弹

47、簧刚度用于组合螺栓上同时发生的瞬时剪切和拉伸载荷的 相互作用公式(相互作用计算中是否应包括因螺栓夹紧作用而产生的摩擦载荷？)是否应在正常扭矩上加上“运行扭矩”预紧装置螺栓和接头的材料不同，工作温度高于或低于安装温 度，都会造成问题。收缩不同会导致接头失载(或分离)；膨胀差异会导致紧固件过载。 在这些情况下，通常的做法是使用锥形垫圈(请参见本手册的垫圈部分)，以对紧固件和接头的载荷进行额外调整。（8）紧固件扭矩确定紧固件的合适扭矩是紧固件安装中的最大问题。以下是引起问题的许多变量中的一些：配合螺纹之间的摩擦系数螺栓头(或螺母)与其配合表面之间的摩擦系数15螺栓涂层和润滑剂对摩擦系数的影响16扭矩

48、表的发展摩擦系数可以在 0.04 至 1.10 之间变化，具体取决于材 料和配合材料之间使用的润滑剂。(参考文献12中的表 IV 给出了各种摩擦系数。)由于计算出的扭矩值是配合螺纹之间以及螺栓头或螺母与其配合表面之间的摩擦系数的函数，因此调整使用的扭矩表值以反映用于计算扭矩表值与用户值之间的摩擦系数的任何差异是 的。在表中列出 的值中应包括运行扭矩，因为任何扭矩都会在螺栓上施加剪切载荷。表 V 中的扭矩值已按照脚注中的说明，使用参考文献13中的公式进行了计算。(Arthur Kern 在 1944 年左右在产品工了一个类似的表格。)对于无法锁定以抵抗振动的螺栓，有时会使用较高的 扭矩(最高理论

49、屈服力)。较高的负载将增加螺栓的抗振性，但是如果不慎超过其屈服点，则螺栓会屈服和失载。由于没有大量仪器测量就无法确定确切的屈服扭矩，因此建议不要使扭矩接近螺栓的屈服点。紧固件耐久载荷有时在文献中列出。该值通常屈服值的 75%，以防止由于扭矩测量的不正确而导致紧固件的意外屈服。替代扭矩公式用于快速螺栓扭矩计算的常用公式是 T=KFd，其中 T表示扭矩，F 表示轴向载荷，d 表示螺栓直径，而 K(扭矩系 数)是根据以下公式计算得出的值：如参考文献14(第 378 页)所述，其中螺纹平均直径 螺纹旋角螺纹间的摩擦系数螺纹角螺栓头(或螺母)与夹紧面之间的摩擦系数通常假设 K 的值为 0.2，但不应盲目

50、使用该值。表 VI 给出了各种摩擦系数下 K 的一些计算值。对于钢和钢，K的更现实的“典型”值是 0.15。注意，和c 不一定相等，尽管表 VI 中的计算值使用了相等的值。17 tan + sec K = (2) 1 tan sec + 0.625扭矩测量方法查找紧固件组上的张力载荷扭矩测量方法有很多种，从机械师的“感觉”到在螺栓上安装应变计。确定施加扭矩值的精度取决于成本。表此过程与剪切载荷确定类似，不同之处在于紧固件组 的质心可能不是几何形心。图 30 所示的螺栓托架演示了这种方法。八个紧固件的图案是对称的，因此每个扣件的 Pi 的拉 力载荷为 Pi/8。附加力矩 P2h 也会在某些紧固件

51、上产生拉力载荷，但问题是确定托架从拉伸到压缩的“中性轴”线。如果该板足够厚，可以承受边缘 AB 处的整个力矩 P2h，则可以将该线用作后倾点或中性轴，则该线可以用作后倾点或中性轴。但是，在本例中，我采取了保守的方法，即：板VII(参考文献 8)和 VIII(参考文献15)由两位不同的“”撰写的，它们的数量各不相同。但是，它们都显示出成本与扭矩精度相同的趋势。将不会弯曲并且会在 CD 线处倾斜。现在， 2仅包括螺栓3 至 8，并且(以英寸为)将从 CD 线开始测量。螺栓 7和 8 将具有最高的拉伸载荷(以磅为)，即 P=PT+PM，其中 PT=P1/8 及说明这种关系的另 式是，螺栓载荷与其到枢

52、轴的距离成正比，而反作用力矩与到枢轴轴线的各个紧固件距离 的平方之和成正比。此时，应将施加的总拉伸载荷与紧固件扭矩引起的总拉伸载荷进行比较。扭矩应足够大，以超过最大施加的拉 力载荷，避免接头松动或泄漏。如果托架几何形状使得其弯曲能力不能轻易确定，则可能需要对支架本身进行有限元分析。设计准则查找紧固件组上的剪切荷载当紧固件组上的负载偏心时，首要任务是找到该组的质心。在许多情况下，图案将是对称的，如图 28 所示。下 一步是将载荷 R 除以紧固件 n 的数量，以得出直立剪切载组合剪切和拉伸紧固件载荷荷 Pc(图 29(a)。接下来，找到该组紧固件的 2，其中 rn是每个紧固件到该组质心的径向距离。

53、现在计算关于质心的力矩(M=Re，来自图 28)。可以通过以下公式找到由于力矩而导致的特定紧固件的剪切负荷：当紧固件同时承受拉伸和剪切载荷时，必须将组合载荷与紧固件的总强度进行比较，使用载荷比和相互作用曲线进行比较。负载比为：其中 r 是从质心到所的紧固件(通常是最外面的紧固件)的距离(以英寸为)。请注意，这类似于扭转公式F=Tr/J，只是 Pe 的是磅而不是应力。现在可以将两个载荷(Pc 和 Pe)矢量相加，如图 29(C)所示，以获得每个紧图 31 中的相互作用曲线是一系列曲线及其相应的经验公式。最保守的是 R1+R2=1，最不保守的是 R13+R23=1。固件上的剪切载荷 P(以磅为)。

54、请注意，此处的紧这一系列曲线来自 MIL-HDBK-5 的旧版本。在版本 中，它已被单个公式 RS3+RT3=1 所取代(参考文献18)。然而，如果设计在重量和应力方面是保守的，则最好使用 RT+RS=1。请注意，在达到螺栓剪切载荷时，相互作用曲线没有考虑来自夹紧表面的摩擦载荷。在某些情况下，摩擦载荷可以大大降低螺栓剪切载荷。固件面积都相同。如果它们不相等，则必须对区域以确定图案的质心。有关此的信息，请参见参考文献16和参考文献17。18(or 2) =Actual tensile loadAllowable tensile load(or 1) =Actual shear loadAllow

55、able shear load = 2 = 2 =27 219取决于使用哪条曲线。但是，请注意， + 1是实现正安全系数的要求。该公式还说明了为什么在主要负载为 剪切力时不应向螺栓施加高扭矩的原因。安全余量用于计算屈服和可用材料的极限，以最临界值控制着设计。屈服强度低的材料对屈服应力，而屈服强度高的材料通常对极限应力。2012 安全余量的定义为Allowable load (Stress) 1Actual load (Stress)Safety factor图 31 中紧固件的安全余量12为 =1 1+ 较厚的板材上使用更宽的间距。计算螺纹孔的拉拔载荷在许多情况下，一种材料的螺栓可以安装在另一

56、种(通载荷和剪切允许的近似值在不知道材料允许的特定剪切和承载能力的情况下，可以使用以下近似值：合金钢和碳钢：Fsu =0.6 Ftu不锈钢：Fsu =0.55 Ftu其中 Fsu 是极限剪切应力，而 Ftu 是极限拉伸应力。由于开始时的载荷应力允许值是凭经验得出的，因此对于任何给定的金属合金，载荷允许值可近似如下：常强度较低)材料的螺纹。如果需要螺栓的全部强度，则必须使用以下公式确定较弱材料的螺纹孔深度：其中，P拉出载荷，lbdm螺纹孔的平均直径，inch (=螺纹中径)FS材料极限或屈服剪应力Fbu=1.5 FtuFby=1.5 FtyL螺纹接合长度，inch系数 1/3 是经验值。如果螺纹

57、完全配合，这个系数将是 1/2，因为孔的总圆柱壳面积将在螺栓螺纹和螺纹孔螺纹之 间平均分割。1/3 用于允许线程之间的不匹配。在参考文献19中给出了关于所需螺纹孔长度的进一步信息。其中 Fbu 是极限承载应力，Fby 是屈服承载应力，Fty 是拉伸屈服应力。适当的紧固件几何形状大多数标准(military standard, MS)和国家航空标准(national aerospatandard, NAS)紧固件都有编码标计算“数字”型紧固件的刀柄直径使用公式：注，用于标注直径，握柄长度，头部或柄部的钻孔以及材料(其中紧固件有多种材料可供选择)。与其列出一组定义，直径=0.060+0.013 N

58、不如使用 NAS 1003 至 NAS 1020(图 32)作为示例来以下内容：（1） 最后两位数字表示紧固件直径，以十六分之一英其中 N 是紧固件的数字号(4、6、8、10、12)。 例如，8 号紧固件的刀柄直径是直径=0.060+0.013*(8)=0.164 inch寸为。（2） 第一个破折号数字是手柄的长度，以十六分之一英寸为。（3） 带破折号的字母表示钻头和(或)柄钻。此外，还会添加识别字母或破折号以指示紧固件材料。但是，并非所有 MS 和 NAS 紧固件标准都严格遵循这种系统的做法。只要有可能，抗剪螺栓的抗剪强度应高于其所装配的材料的载荷屈服强度。由于螺栓在其各自的 具有一定的间隙

59、和位置公差，因此板材必须在载荷中屈服，以允许 螺栓阵列将所有螺栓均匀地加载到阵列中的给定位置。请注意，孔位置越小，在载荷分配到模板上之前，单个螺栓必须承载的载荷就越多。螺栓和铆钉不能一起承受负荷，因为铆钉通常以过盈配合的方式安装。因此，铆钉将承受所有负载，直到板材或铆钉屈服，使螺栓能够承受一些载荷为止。该策略也适用于某种形式的螺栓和销钉(或滚动销)，因为这些销也具有过盈配合。剪切螺栓和螺母在航空航天工业中，一般的基本规则是设计紧固件 时，紧固件主要承受剪切力而不是受拉力。因此，许多螺栓头和螺母的厚度约为正常厚度的二分之一，以减轻重量。这些螺栓和螺母称为剪切螺栓和剪切螺母，必须 使用，务必不要指

60、定它们用于拉伸应用。对于这些螺栓和螺母，扭矩表值也必须减小到一半。紧固件边缘距离和间距使用适当的螺杆长度通常的设计做法是使用 2D 紧固件心的公称边缘距离，其中 D 是紧固件直径。最大边缘距离不应小于 1.5D。紧固件之间的公称距离为 4D，但被连接材料的厚度可能是做法是选择一个螺杆长度，以使螺纹区 不会用于负载(剪切)。在没有确切螺杆长度的情况下，螺母 或螺栓头下方使用的垫圈的厚度可以有足够大的变化，以配合螺杆使用。21一个重要。对于薄材料，紧固件之间的弯曲可能是一个问题。只要紧固件之间的表面密封不是问题，就可以在载荷中的紧固件组(剪切载荷)计算“数字”紧固件刀柄直径 =3查在紧固件方面没有