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自攻螺钉底孔直径的确定

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一c℃( ) 制造与工艺 自攻螺钉底孔直径的确定 北京汽车摩托车联合制造公司 沈琪 L( ∈2『. T }3 J. 摘要本文从黟响自攻j幕钉鹿孔足寸诸西素的舟析、DIN标准的台理性、底孔拳彀的罚步拟制、 底孔参羲台理性曲验证、试鞋等方面舟绍了自攻螺钉鹿孔直径的确定方法。 关键词 自玻螺钉;底孔参数;曾隶标堆;行业标准 亨一厩孔应}主 甬疋百 j、 很明显两种螺纹元论是在规格上还是 1 丽 声 在结构尺寸上都有较大差异目前。自攻螺钉已大量应用于国内外的 汽车产品。为了增进与国外回行的交流.引 进先进技术.增强汽车产品零部件的互换性, 进而参加国际市场竞争,在汽车行业积极贯 彻等效采用国际标准制定的新的国家标准势 在必行。 在贯彻汽车紧固件新的自攻螺钉标准的 d 表I(rrtra 螺纹内径(d.) 螺距 6≤ 公称 术螺钉 自破螺 尺寸 允差 钉危差 1 6 2 2 5 (t) 0 8 0 9 l 2 1 4 0 25 I U【5 1 8 3 2.1 工作中,我们发现.新标准中未列出自攻螺钉 底孔的推荐尺寸。而新标准自攻螺钉的螺纹 及规格与旧标准自攻螺钉差别很大.元法延 用旧标准的底孔尺寸。给设计人员选用新标 准的自攻螺钉造成困难。使贯标工作受到影 响。因此。在国家标准及行业标准还杖有制 定相应的底孔尺寸的情况下。先制定我公司 企业标准。为设计人员提供底孔推荐尺寸供 参考选用是很有必要的。 f3 5) 2 5 4 2 8 0.40 0 25 1 2 L'4 1 6 (4 5) 3 2 5 3 5 1 8 0 2 2 0.30 (5 5) ].8 6 d.2 0 48 2 2 2.5 f7) 4 9 2 8 3 0 58 8 .5 6 10 7 2 O 25 3 5 4 12 16 20 8.7 12 15 0.70 5 6 0] 2影响底孔尺寸诸因素的分析 2.1螺纹结构 2、1 1旧标准的螺纹采用米制,其规格走多 为整数。新标准螺纹等效采用IsO 1478— 旧标准自攻螺钉的螺纹符合GB922—76 标准。其结构和尺寸参数如图1及表1所 示。 1983(自攻螺钉用螺纹),其规格按英制系列 尺寸折算为米制,螺纹外径d 的基本尺寸 大多带有小数部分,所以,两种螺纹的规格大 不相同。 新标准自攻螺钉的螺纹符合GB5280— 85标准。其结构和尺寸参数如图2及表2 所示。 2 1.2从表1和表2中可以看出,新标准螺 钉的螺纹与旧标准螺钉相比,前者比后者的 1 制造与工艺 表2 f】m 擐纹规格 -盯 l 5 Pdl 盯 -1.9 盯 -2 2 -盯 2 6 0 9 sr 2 9 l l 盯 -3 3 l 3 盯 3.5 l 3 盯 -3.9 1.3 盯 -4 2 4.B l 4 l 6 -盯 5 5 l 8 盯 6 3 l 8 盯 -8 盯 -9 5 ≈ 0 5 0 6 0 8 2 l l 2 l 8 9 65 l 52 l go 2 24 2.57 2 9 3 3 3 53 3 9l 4.22 4.8 5.46 6 2S l 38 l 76 2 l 2.43 2.76 3.12 3 35 3 73 4.04 4 62 5.28 6 03 7 78 9 43 0 9l l 24 l 63 1.90 2.18 2 39 2 67 2 92 3.10 3 58 4.17 4 88 6 20 7 85 d2 084 l l7 l 52 l Bo 2.08 2 29 2 5l 2 77 2.95 3 43 3.99 4 70 5 99 7 0.79 l l2 l_47 l 73 2.0l 2 21 2 4l 2 67 2.84 3 30 3.B6 4 55 5 84 7 44 d3 0.69 l 02 1 37 l 60 1.88 2 08 2 26 2 5l 2.69 3 l2 3.68 4 34 5.64 7 2l O l 0 l 0 l 0.1 0.1 0.1 O l 0 1 0 l 0 l5 0.15 0 l5 0.15 0 l5 C型 1.4 1 6 2 2.3 2.6 3 3 2 3 5 3 7 4 3 5 6 7 5 8 参考 F型 1.1 号码No 0 1 2 l 6 l 8 2 l 2 5 2 5 2 7 2 8 3 2 3.6 3 6 4 2 4 2 l 2 3 d 5 6 7 8 l0 12 l4 l6 20 2 2板材 自攻螺钉是通过拧人被连接板 (进行攻丝)来实现紧固功能的。因 而,板材对自攻螺钉拧人性能有很大 影响。不同钢板材料的化学成份、硬 度及钢板的厚度对自攻螺钉拧人力矩 和紧固性能有不同的影响。旧标准投 有根据不同的板材规定底 L尺寸。这 图l 1日标准自攻螺钉的螺纹 点在生产实践中被证明是不合理 的。比如,BJ1o2I系列汽车车架上使 墩 “ 图2新标准自攻螺钉的螺纹 用的自攻螺钉就一直存在折断严重的 同题。其原因在于,车架采用的是合 金钢板材料.板厚为3mm.较大的区 别于其它碳钢和厚度较薄的钢板。因 此,在制定底孔尺寸时,板材的因素也 是不容忽视的 2.3板的结构 自攻螺钉一般是被拧人钢板起紧 固作用的。板的结构对底孔尺寸具有 直接影响,常见底板的结构有如下几 种,如图3所示。 图3中,(a)为简易螺纹连接;(b) 为采用拉伸底孔工艺的螺纹连接;(c)为采用 夹紧螺母的自攻螺钉连接;(d)为采用冲压孔 的螺纹连接。其中(a)为汽车产品上常用的 结构形式。因此.制定底孔尺寸应以该结构 螺距及齿高都小。也就是说,新螺致比旧螺 纹密而浅。 仅此两点既可看出,简单套用旧标准中 的底孔尺寸是不合理的。 2 制造与工艺 为基础考虑问题。 直径>遵循了上述原则。在DIN7975中,首 先规定了“本标准适用于螺纹按DIN7970的 自攻螺钉”。DIN7975标准中规定的螺纹与 3 DIN标准的合理性 从上述分析可以看出,只有在充分考虑 诸方面因素对底孔尺寸影响的前提下,才能 制定出较合理的底孔直径。 GB5280标准中的螺纹结构及参数基本上是 致的。它为我们制定符合我国国家标准规 定的自攻螺钉、螺纹的底孔尺寸提供了可以 DIN7975(自攻螺纹的应用规则和底孔 参照的条件。同时.DIN7975是根据钢板的 厂‘ _几厂 厂 厂叼 cb) (c) 图3螺纹连接的方式 不同材料和不同板厚规定自攻螺钉底孔推荐 尺寸的。因此,它更可以作为我们制定底 L 尺寸的参照依据。 形、重量及允许偏差)、cB709<热轧钢板和钢 带的尺寸、外形、重量及允许偏差)等标准中 钢板的厚度规格,结合我公司产品的实际使 用需要,对板厚尺寸的分段及数值进行了调 整和修改。每种螺钉的板厚尺寸分为3~5 4底孔参数的初步拟制 在参照DIN7975标准的同时,我们将其 中不适于我们使用及不符合我国国家标准有 关规定的部分做了修改和调整。 4.1自攻螺钉的规格 DIN7975标准对九个规格的自攻螺钉 段。其尺寸数据也按照我国国家标准中钢板 材料厚度规格进行了规定,即:数值只保留小 数点后一位数。 4 3钢板材料的毅定 DIN7975标准将底板材料分为两类。 类为钢、镍、黄铜、铜和蒙乃尔板;另一类为 铝板,我公司产品上使用的自攻螺钉还具有 规定了底孔参数。其中适合于我公司汽车产 品使用的规格只有五种。因此.我们的研究 范围针对这五种规格.即: I3.9;ST4.2; ST4.8;ST5.5;ST6.3。 在合金钢板上工作的用途。为此.必须增加 对台金钢板材料的考虑。即:在底孔推荐尺 寸标准中,对材料专门作了规定。 4 4底孔尺寸 由于我公司产品上的自攻螺钉底孔加工 方式一般为冲孔或钻孔。所以.在拟制底孔 尺寸时.主要考虑针对冲孔、钻孔形式。参照 DIN7975标准,拟制了不同螺钉规格、不同 材料、不同板厚的底孔直径。根据我公司产 品在实际生产中孔的加工及使用情况,底孔 4.2板的厚度 在DIN7975标准中.各种规格自攻螺钉 的板厚尺寸分段为8~13段,而且板厚的尺 寸数值为保留小数点后面两位数字。其尺寸 分段过密.对于我们实际使用意义不大.其板 厚尺寸数值与我国现行国家标准对钢板厚度 数值的规定不相符合。所以.完全照搬是不 适用的。 根据GB708(冷轧钢板和钢带的尺寸、外 直径数值均保留小数点后一位数。 3 制造与工艺 螺钉规格进行对比。对比相应规格如下 5验证试验 为了对新拟制的底孔直径的台理性进行 验证。在机械部标准化研究所的协助下做了 验证试验。 新标准螺钉符合GB845—85,旧标准螺 钉符台G13845—76。 5 1分组 采取对新、旧标准自攻螺钉进行对比试 验的方式。将原用自攻螺钉(按旧标准)在原 底孔上进行拧人试验,测得其扭矩参数绘制 成曲线图,与现用自攻螺钉(按新标准)在新 拟制尺寸的底孔上进行拧人试验,测得扭矩 图进行分析对比。我公司原使用的旧标准自 攻螺钉有3种规格,公祢直径分别为4…5 6 按新、旧标准螺钉的规格和板厚.对试验 底孔进行分组。为了便于优选,对新标准的 底孔拟定了2~3组孔径,共分为52组。每 组制出l2个孔(原则上);逐个用万能工具显 徽镜实测并选取lO个孔(记录尺寸数值)备 用。分组情况见表3。 表3(mm) 相应抽取3种汽车行业最常用的新标准自攻 组号 板厚 No S 标准GB 规格 底孔 件数 组号 板厚 标准GB 规格 底孔 件投 ST 垂 n No S ST 垂 n l 3 5 7 9 0 9 1 0 1 2 1 2 1 5 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 4.2 4 2 4 2 4 2 4 2 3 1 3.1 3 l 3 3 3 5 l0 lI} l0 lO l0 2 4 6 8 l0 0 9 l O 1 2 1 5 2 0 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 4 2 4.2 4 2 4 2 4 2 3 2 3 2 3.2 3 4 3 4 l0 l0 l0 l0 l0 l1 13 0l 03 2 0 2 5 0.9 1 2 845—85 845—85 845—76 845—76 4 2 4 2 4 4 3 5 3 6 3 2 3 2 l0 l0 l0 j0 12 2 5 845—85 4 2 3 5 10 02 n4 l 0 l 5 845—76 845—76 4 4 3 2 3 2 l0 l0 O5 20 22 24 26 28 30 32 2 O 0 9 1 O 1.2 l 5 2 0 3 0 3 0 845—76 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 4 4 8 4 8 4.8 4 8 4 8 4 8 4 8 3 2 3 5 3 6 3 7 3 8 4.0 3 9 4 1 1O lO 1O l0 l0 10 10 q % 2l 23 25 27 29 3l 2 5 0 9 l 0 l 2 l 5 2 5 3.0 845—76 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 845—85 4 4 8 4 8 4 8 4 8 4.8 4 8 3.2 3 7 3 7 3 9 3 9 4.0 4 0 1O 10 l0 l0 l0 9 10 020 022 024 0.9 1 2 2 0 845—67 845 67 845—67 5.0 4 0 l0 l0 l0 021 023 O25 l 0 1 5 2 5 845—67 845—67 845—67 5 0 4 0 5 O 5.0 l0 l0 10 5 0 4 0 5 0 4 0 4 0 4 0 026 40 42 3 0 1 5 2 0 EQ278 845—88 845—88 5 0 4 0 6 3 6.3 5 l 5 2 1l l0 10 4l 43 l 5 2 0 845—88 845 88 6 3 6 3 5 2 5 4 10 l0 44 46 48 O4O 2 5 3 0 3 0 1 5 845—88 845—88 6 3 6 3 5 4 5+4 lO l0 8 10 45 47 2 5 3 0 845—88 845—88 6 3 6 3 5 5 5 S 8 8 6 3 5 6 845—67 6 O 4 8 041 2 0 845—67 6 0 4 8 10 o42 2 5 845—67 6 O 4 8 9 043 3 0 130278 6 0 4 8 10 制造与工艺 5 2试验用钉 为了保证试验质量,对各种规格的试验 用螺钉进行了测量,结果见表4。 自攻螺钉扭力试验机 5 4 2试验条件 a.拧人速度:2Or/min。 5 3试验用底孔 采用“预钻一扩孔”工艺制出试验用底 孔,底孔精度:±O 05mm。 5 4试验 5 4 l试验设备 b.轴向压力:15kg。 c.试验温度:室温15-20℃。 d润滑:无 5 5对比试验结果分析 根据试验曲线得出结果见表5。 表4 组号No  ̄gtST、叫nI 太径d I 小径 : l抽查I}{:数n 20~32 40~47 01~06 020~025 026 结论 台格.谊下限 合格,居中 合格 音格 合格.偏上艰 l~13 4 8 l 4 62~4 7t1 6 3 4 5 l 6.08~6 3 90~3 98 4 2 l 4 04~4 08 f 2 95-3 00 I 3 44~3 54 l 4 80~4 88 2 8O~2帅 10 10 0 lO 10 4 90~4 94 】 3 32~3 36 040-O42 5 }5 88--5 90 I 4 14--4 22 I 表5 了。 .80 j “ 10 合格 合格 表5中A为拧人晟小扭矩(N·m)。 自攻螺钉底孔尺寸及拧入扭矩.对于自 楹 GB845—85 厘 规格 底孔 A 0 9 1 0 3 1 O 710 螺钼符 觇掐 底孔 合标准 A 攻螺钉能否在最佳状态下工作起着重要作 用。根据国岁}有关资料,如日本螺钉和螺纹 韭 0笠{ 3 2 1 0.S6fi 0 754 0 53: 紧固件研究所的一篇题为《关于自攻螺钉孔 径尺寸的标准化>的报告中指出:自攻螺钉最 佳的工作状态应该符合破坏扭矩与拧人扭矩 之比≥3,即:螺钉拧人扭矩应小于等于破坏 扭矩的1/3。 GB3098 5中规定自攻螺钉的最小破坏 扭矩为: 螺钉规格 最小破坏扭矩(N-r ̄1】 ST4 2 ST4 8 4 5 6.5 U 』皿 l 2 生 上盟 S_r4 2 3 3 .Q 1 5 2 0 2 5 0 9 1 l5 4 3 2 1 55 13 4 3 5 j L 3 5 3 6 3.5 0 849 GB845 —76 3 4 79[ 2 04 0 6¨ 0 74】 0 982 5 3 2 2 15】 Ⅱ 1 0 3.6 0.797 3.7 0.934 I_2 j二z_ 上—班 3 9 1 101 l 5 ST4.8 3 8 1‘)62 3 9 1 642 2 O 4 n 2 242 4 n 2 564 9 4 986 3 82 ST6 3 14.O 3 0 I_5 4.0 5 16 BQ278B 4.1 4.n42 6 0柳 5.1 2.894 5 2 3.n58 从表5试验结果中的拧人最大扭矩值 看,按新标准(GB845—85)自攻螺钉的虽大 2 0 — 生盟& GB845 5 4 3 277 —76 5 5 3 505 7 397 2 0 2 5 ST6.3 5 4 4. 2 6 4.8 2 903 扭矩的分布比按旧标准(GB845—76)平缓、 规律,且较符合拧人扭矩为破坏扭矩的1/3 的条件。以规格为ST4.8及5mm的自攻螺 5 3 0 5.5 6.0O6 BG278B S 6 059 7 377 制造与工艺 钉拧入厚度为2.5mm钢板为例,图4是规格 为ST4.8的螺钉拧入2 5mm厚钢板的试验 曲线;图5是规格为5mm的自攻螺钉拧入 2 5mm厚钢板的试验曲线。特别是旧标准 自攻螺钉拧人薄钢板时,扭矩极小(当板厚为 0 9mm,用4mm自攻螺钉拧入时,扭矩为 圈4 ST4 8螺钉拧人2 5mm厚钢板的试验曲线 圈5 5mm螺钉拧人2 5rom厚钢板的试验曲线 制造与工艺 0 328Nm).有松脱的可能。而拧人稍厚的钢 验底孔的尺寸)见下表 拧^度孔的直径(rⅢn) 拧^时最大扭矩(N·m) 5 4 5 5 5 6 7 3 6 3 959 板时,则扭矩猛增,甚至达到破坏扭矩值。如 规格为5mm的自攻螺钉拧人3rnm厚的钢板 时,拧人扭矩高达6 5 ·iTt,而ST4.8的自攻 螺钉的破坏扭矩为6.5N·iTt。 由于新标准自攻螺钉底孔尺寸是按照不 同板厚及不同材料制定的,所以,一般的符合 破坏扭矩与拧人扭矩之比≥3的条件。 规格为 合理。 底孔的推荐尺寸见表6。 .3的自攻螺钉的破坏扭矩 是14N·m,所以,选择底孔直径为 5 6较为 6底孔直径 根据优选的原则.从经过验证的几组尺 寸中,选出一组做为底孔推荐尺寸。 例如:规格为ST6 3的自攻螺钉拧人 3ram厚的钢板,有三种底孔形式(即三组试 7结论 1)通过试验,对推荐的底孔直径的台理 性进行了验证。 表6 序号No l螺纹规格 j板厚S I 底孔 1 2 3 替代旧标准d/母 4 3 2 4,3 2 4 3 2 数据索引号 No1、No 2、No 01 No 3、No 4、 02 No 5、.No 6、.No 7、No 03 i } ST4 1 0 9 l 1 0 3 2(0.703) 3 2(0.866) 3 2(1 284) 4 5 6 7 l 2 0 l 2 5 【0 9 3 4(1 545) 3 5(1 883) 3 5(1 851) 3 7(0 786) 4/3 2 4/2.2 4 3 2 5,4 No 8、N。9、No 04 No 10、N0 11 No 05 No12、No13、No.06 No 20、No 21、No 020 8 9 10 11 1"4 8 { 1 0 } 1 2 1 l 5 I 2 0 3 7(0 934) 3.9f1 101】 3 9[1 642 4 0(2 242) 5/'4 5/4 ,4 5/4 No 22、.No 23、Ho 021 No 24、No 25、No 022 No 26、No 27、 No 28、No 024 023 l2 l3 l4 l5 ST6 I 2 5 l 3 0 l 1 5 4 0(2.564) 4 1(4.042) 5 2(3 058) 5 4(3 277) 5.5(3 5t15) 5/4 5/4 6/4 8 6/4 8 6/4 8 No 29、No 025 No 30 No 31、No 32、No 026 No 40、No 41、No㈣ No 42、No 43、No 041. №44、No 45、No 042 l6 17 ‘ 3.0 5.6(3 959) 6/4 8 No 46、ND 47 No 48、 0 043 洼: 拦中“()“内数值为平均最大拧^力矩N·1T1 2)对于螺纹按GB5280标准的自攻螺钉.拧 人的钢板材料以采用优质低碳结构薄钢板 2 GB5280—85(自攻螺钉用螺纹); 3 GB845—76‘十字槽平哑头自攻螺钉): (厚板≤3mm)或铝板为宜。当需要采用硬 度较高及较厚的钢板材料做为底板时,应进 行专门试验。 参考资料 4 GIN22—76(木螺钉及自攻螺钉技术条件); 5 D1N7970(自攻螺钉的螺纹及其末端); 6 DIN7975(自攻螺钉的应用规则和底孔直径); 7 (Ch the standardizatic ̄of e size for sell tapping scre ̄s)(The Japan Research Imtimte for screw Thre ̄ds and Fasteners) 1 GI ̄45—85(十字槽盘头自攻螺钉) 

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