固件机械性能常用

紧固件机械性能常用术语

扭矩( Torque )

扭矩是一种产生旋转的力量. 下面是一些最普通的扭矩的事例 :

1. 给表上弦

2. 旋开瓶盖

3. 旋转门把手

4. 拧入螺丝.

扭矩在大多数的应用场合都需要着重考虑.

下面四种扭矩有着些微小的差别.

1. 驱动扭矩( Driving Torque )

2. 锁紧扭矩( Seating Torque )

3. 松动扭矩( Break away Torque )

4. 预置扭矩( Prevailing Torque )

所有这些扭矩在实际应用中都会遇到, 但不同的使用状况其重要性不相同.

1. 驱动扭矩 — 使机件组合在一起必须的施予之旋转力量.

2. 锁紧扭矩 — 使机件组合达到预先设定的松紧程度所需要的力量.

3. 松动扭矩 — 使组合在一起的机件分离所必需要的施予之旋转力量.

4.预置扭矩 — 在紧固件上设置的一种特性, 使紧固件在一锁入配合螺纹工件即因磨擦力产生阻

力以达成防松的目的, 克服该磨擦力矩所需要的驱动旋转力矩即称为预置扭矩.

驱动力矩 : 驱动扭矩在螺丝切削, 螺丝滚制和自锁机件应用中是主要考虑的问题. 作为旋转机件必须的最大力, 要求是必须的. 过高的驱动扭矩会使旋转失效和旋转失败, 所有这些将增加紧固件的成本, 所以尽可能地降低驱动扭矩是十分必要的. 这需求就引导出另一个工程要求”驱动-拉脱比”. 它是驱动紧固件需要的扭矩值与抗脱或破坏所配合的内螺纹所需扭矩值的关系, 此值范围越大, 越有利于减少装配不良, 重复装配和降低相应的成本, 紧固件便越适用.

对于螺纹滚制自攻螺丝而言, 其要求的驱动-拉脱比( Drive to Strip Ratio )为1 : 3, 即有一个单位的驱动扭矩, 就需要有三个单位的抗拉脱强度的配合螺纹强度.

锁紧扭矩 : 锁紧扭矩是将紧固件旋至所要求的松紧程度或扭力-拉力值的力量. 它以一个最大值表示. 这就是说在小于规定的最大扭矩作用于应该得到指定的松紧度或夹紧力, 这在任何情况下都是十分重要的. 因为紧固件应该能够适当锁紧以保证正常的装配, 但这不应该过度增加扭矩. 过度的扭矩要求会造成驱动系统的失效, 增加劳动强度, 配合的失败, 所有这些都会造成紧固件费用的增加.

松动扭矩 : 松动扭矩是指将紧固件由锁紧状态松开时的旋转力量. 这在紧固件容易松动的状况下最具实际意义. 松动扭矩一般和自锁紧固件相关( 不仅是自锁紧固件, 防松用紧固件都在内 ), 它以一个最小值来表达, 就是说紧固件不能以小于松动扭矩的力矩脱离组装件。

预置扭矩 : 从技术上来讲, 预置扭矩是一种对旋转力矩的的反力矩( Resistance to Rotation ). 它通常是指将以固锁但尚未锁紧的紧固件旋出时的力矩. 像松动扭矩一样, 预置扭矩用于容易松动的场合, 它的规定值亦为最小值. 在小于规定扭矩的作用下紧固件必须固锁( 但不一定锁紧 )而不能转动, 每一个紧固件都要求有一定的扭矩来驱动, 这是预置扭矩的”驱动扭矩”, 每一个预置扭矩紧固件都要求有更大的扭矩来锁紧, 以确保适当的固锁状态, 这是”锁紧扭矩”. 每一个紧固件都需要有一定的扭矩将它从固锁状态松开, 这就是”松动扭矩”. 每一紧固件都需一定扭矩将它从未锁紧但尚固锁的状态下取出, 这就是预置扭矩. 扭矩的测试单位是磅-英寸( in pounds )或磅-英尺( foot pounds ). 1磅-英寸就是一磅的力作用在垂直于旋转中心1英寸距离处产生的力量. 2磅-英寸就是2磅的力作用在垂直于旋转轴心1英寸距离或1磅的力作用于2英寸处所产生的力量. 由此, 可得出

力矩 = 轴心到扭力的垂直距离 x 力

磅-英寸除以12便得到磅-英尺, 反之, 磅-英寸乘以12即为磅-英尺, 单位的选择要根据数值的大小. 例如, 我们通常会用100磅-英尺, 而不用1200磅-英寸.

注 : 磅-英寸和磅-英尺均是技术上所用的正确单位. 但我们经常会写成英寸-磅和英尺-磅. 扭矩

是产生转动所必须的力. 它是作用在臂末端使物体产生旋转的力量.

抗拉强度( Tensile Strength )

抗拉强度是指材料在外力拉伸下抵抗破断的能力. 你是否有过将橡胶条拉断的经验呢? 如果有, 那么你就是在测试橡胶条的抗拉强度. 紧固件的抗拉强度也是一样的, 它是紧固件能够承受的施加在其上而不会使其破断的抗拉值.

抗拉强度是紧固件最普通的一种物理性质. 它是紧固件的极限强度( Ultimate Strength ). 也是紧固件在应用时考虑的其承载荷重能力( Load Bearing Ability )的基本指标.

抗拉强度用磅/英寸2表示( PSI ). 它是指平均分配在紧固件最小径截面积上( Cross-Sectional of minor Diameter )可施予紧固件承受的力量. 例如, 紧固件的破断拉力为100,000磅, 它的最小径断面积为1平方英寸, 那么此紧固件的抗拉强度是100, 000PSI. 意即 :

抗拉强度 = 力/面积 = 100,000磅/ 1平方英寸= 100,000PSI

抗拉强度是紧固件抵抗轴向拉力( Axial Tensile )的能力. 它表明了紧固件承受轴向拉伸负荷的能力. 抗拉强度通常是指极限抗拉强度( Ultimate Tensile Strength, UTS ). 因为紧固件的降伏强度( Yield Strength )和保证荷重( Proof Load )与它的抗拉强度有关, 所以我们会在后面加以讨论.

降伏强度( Yield Strength )

理论上, 每一个轴向拉力都将使紧固件产生不同程度的伸长. 因为既有的金属均有其弹性模数( Degree of Elasticity, 或称为杨氏模数Young’s Moulde )存在, 通常将负荷去除, 紧固件就会恢复到原来的长度. 当紧固件无法恢复其原长时的负荷值即为其降伏点( Yield Point ). 降伏点是紧固件承受轴向负荷时开始产生塑性变形的那一点.

在紧固件行业, 我们真的希望它能在其弹性极限范围内使用, 以确保联接的安全性, 而不希望将它拉伸到降伏点来使用. 因为这会降低紧固件的有效性. 当紧固件被拉伸到其降伏点后便无法收缩回到原的长度. 这种收缩提供了紧固件连接时的有效锁紧力. 我们可以清楚看到紧固件是如何锁紧及如何发挥功效的. 假想一个紧固件就如一个一圈圈缠紧的弹簧. 想象一个用弹簧拉紧的门, 当弹簧没有超过其降伏点时, 它可以有效地将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸而无法恢复到原来的长度时, 弹簧将会失效而无法将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸时, 便会到达其降伏点, 此时弹簧将会失效而无法将门拉紧. 弹簧便失去了其原有的拉力. 紧固件也是如此, 一但被过度拉伸, 便会失去原有的拉力.

一般而言, 降服强度等于于极限抗拉强度的25%. 紧固件的降伏点是指它承受轴向负荷产生永久伸长的那一点.

译注 : 降伏强度与抗拉强度的关系并非一成不变的25%, 一般而言, 同一种材料的抗拉强度越高( 不管是加工硬化或是热处理造成 ), 降伏强度与抗拉强度的比值会升高, 延展性则降低, 比如4.6级的螺栓, 由于冷锻后延展性无法达到30%要求, 因此必需退火, 此时降伏强度与抗拉强度均降低, 降伏强度与抗拉强度大约为45-50%, 冷锻后5.6级螺栓冷锻后不作任何处理, 降伏强度与抗拉强度大约为35-40%, 至于8.8级螺栓冷锻后作调质热处理, 降伏强度与抗拉强度大约为20-25%, 10.9级及12.9级螺栓冷锻后作调质热处理, 降伏强度与抗拉强度大约为10-20%.

保证荷重( Proof Load )

保证荷重是紧固件不产生永久伸长的所能承受的最大轴向拉力, 我们再以弹簧为例, 假设紧固件为一根弹簧, 我们可以想象将弹簧拉到不使它产生永久伸长的最大长度, 就是说到去除负荷后紧固件可以恢复到它原来的长度.

这就表明了紧固件的降伏点和保证荷重的关系十分密切. 理论上讲, 就像在一个范围内有两个相邻的点, 一个比另一个小一点点, 那么这个比较小的值就是保证荷重, 另一个比较大的就是降伏点. 因为两点相距太近, 在实际应用上我们将它们视为等同. 碳钢类紧固件的保证荷重是其最大抗拉强度的75%. 例如, 碳钢类紧固件的抗拉强度是100,000PSI, 那么它的保证荷重即为其降伏点, 是75,000PSI.

保证荷重的知识和意义对于业务人员很重要, 因为有时他会被要求提供紧固件在实际应用时可承受的拉力和荷重. 记住一般的原则是 : 施加保证荷重的75%的力, 可以获得最佳功效. 这是紧固件在使用时关于其拉力的通用原则. 比如我们刚才提到的紧固件, 其抗拉强度是100, 000PSI, 因为保证荷重为抗拉强度的75%, 故其保证荷重为75, 000PSI, 若客户问你”这支螺栓可以承受多