《螺纹连接作业》课件

螺纹连接作业现代机械制——造的核心技术螺纹连接是现代机械制造中最重要的连接技术之一，广泛应用于各种机械设备、汽车、航空航天、建筑等领域本课程将系统介绍螺纹连接的基本原理、设计方法、加工工艺和实际应用螺纹的基本概念螺纹结构特征主要功能作用螺纹是在圆柱面或圆锥面上，实现零件间的可拆卸连接，传沿螺旋线方向加工出的具有特递轴向力和扭矩，提供精确的定截面形状的连续凸起直线运动控制发展历程从古代简单的木螺钉发展到现代精密螺纹，经历了数千年的技术演进和标准化螺纹的形成原理螺旋线几何原理螺旋线是一条绕圆柱面或圆锥面均匀上升的空间曲线，其形成遵循严格的几何规律机械加工成型通过车削、铣削、滚压等机械加工方法，在工件表面按螺旋线轨迹切出螺纹槽精度控制要求严格控制螺距、牙形角、表面粗糙度等参数，确保螺纹的互换性和连接质量螺纹的基本要素外螺纹结构内螺纹结构关键尺寸参数加工在圆柱体或圆加工在孔的内表面螺距、牙形角、大锥体外表面的螺纹，的螺纹，如螺母内径、中径、小径等如螺栓上的螺纹孔的螺纹决定螺纹性能的重要参数几何形状特征牙形轮廓、螺纹升角、导程等影响螺纹强度和传动效率的几何要素螺纹的分类公制螺纹系列英制螺纹系列特殊螺纹类型以毫米为单位的国际标准螺纹，牙形角以英寸为单位的传统螺纹标准，主要在根据特定功能需求设计的专用螺纹，具°，广泛应用于机械制造领域包括英美等国使用虽然应用范围逐渐缩有独特的牙形和性能特点，适用于特殊60粗牙和细牙两种规格，适用于不同强度小，但在某些传统设备中仍然重要工况和精度要求•英制统一螺纹•梯形螺纹UNC/UNF Tr•系列普通螺纹M•英制管螺纹•锯齿形螺纹BSP•细牙螺纹系列MF•美制标准螺纹•管螺纹系列G螺纹的主要参数

1.25标准螺距螺栓的标准粗牙螺距为M

81.25mm°60牙形角公制螺纹的标准牙形角为度606H公差等级内螺纹常用的中等精度公差等级

0.8表面粗糙度精密螺纹表面粗糙度值要求Ra螺纹参数的精确控制是保证连接质量的关键螺距决定了螺纹的密度和强度，牙形角影响载荷传递效率，公差等级确保了零件的互换性常用螺纹连接件一螺栓六角头螺栓最常用的螺栓类型，头部为六角形，便于扳手操作，承载能力强圆头螺栓头部为圆形，外观美观，多用于装饰性或空间受限的场合方头螺栓头部为方形，防止转动，常用于木结构和粗糙表面连接螺栓是螺纹连接中最重要的标准件，其结构设计需要考虑强度、操作便利性和制造成本系列标准规定了各种螺栓的详细技术要求GB/T常用螺纹连接件二螺母六角螺母防松螺母标准螺母类型，结构简单可靠，带有防松装置的螺母，如尼龙锁适用于一般连接场合根据厚度紧螺母、金属锁紧螺母等，有效分为标准型、薄型和厚型三种规防止因振动导致的松动格特殊螺母根据特定需求设计的螺母，如盖型螺母、蝶形螺母、吊环螺母等，满足不同应用要求常用螺纹连接件三螺钉沉头螺钉十字槽螺钉头部呈锥形，可沉入工件表头部有十字槽，使用十字螺丝面，不影响表面平整度，多用刀操作，装拆方便，广泛用于圆柱头螺钉于薄板连接电子设备内六角螺钉头部为圆柱形，内六角驱动，适用于精密连接和美观要求高的场合双头螺柱与螺套双头螺柱特点螺套修复技术两端均为螺纹的杆状零件，无头部结构，适用于盲孔连接和厚度当螺纹孔损坏时，可以使用钢丝螺套进行修复这种方法能够恢较大的工件连接安装时需要特殊工具，但连接强度高复甚至提高原有螺纹的强度，延长设备使用寿命优点包括节省安装空间、适用于高温环境、便于拆卸维修缺点修复过程包括扩孔、攻丝、安装螺套等步骤螺套材料通常采用是安装相对复杂，需要专用工具不锈钢丝，具有优良的耐腐蚀性和强度螺纹连接的基本类型受拉螺栓连接螺栓主要承受轴向拉力，如法兰连接、缸盖连接等受剪螺栓连接螺栓主要承受横向剪切力，如钢结构节点连接紧定螺钉连接用于固定零件位置，防止相对运动和松动螺柱连接适用于盲孔和需要频繁拆装的场合不同类型的螺纹连接适用于不同的载荷条件和工作环境正确选择连接类型是保证连接可靠性的前提螺栓连接结构图连接件组成螺栓连接通常由螺栓、螺母、垫圈等基本零件组成，每个零件都有其特定的功能和技术要求垫圈用于保护工件表面，增大接触面积，提高连接可靠性装配结构分析螺栓穿过被连接件的通孔，螺母拧紧在螺栓末端，形成夹紧力连接结构的设计需要考虑螺栓长度、垫圈配置、螺母类型等因素典型应用实例螺纹紧固件的标准件介绍标准体系GB/T中国国家标准系列规定了各种螺纹紧固件的技术要求、尺寸公差、GB/T材料性能等标准编号查找通过标准编号可以准确查找紧固件的详细技术参数，如规定GB/T

70.1内六角圆柱头螺钉国际标准对接标准与国际标准保持技术一致性，便于国际贸易和技术交流GB ISO标准化是现代工业的基础，螺纹紧固件的标准化程度很高熟悉和正确使用相关标准是工程技术人员必备的基本技能螺纹连接件的材料碳钢材料最常用的螺栓材料，成本低，强度适中，适用于一般工况根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢合金钢材料通过添加合金元素提高性能，具有高强度、高韧性，适用于重载和高应力场合常用的有、等40Cr35CrMo不锈钢材料具有优良的耐腐蚀性能，适用于化工、海洋、食品等腐蚀性环境常用牌号有、等304316特殊材料螺纹连接的主要用途重型机械一般机械设备维修大型压力机、起重机、矿机床、泵、风机等通用机可拆卸特性使其成为设备山设备中的关键连接，承械设备的标准连接方式维修保养的理想连接方式受巨大载荷交通装备汽车、火车、飞机等交通工具中大量使用螺纹连接螺纹连接的应用领域极其广泛，从精密仪器到重型装备，从民用产品到军工设备，都离不开螺纹连接技术随着制造技术的发展，螺纹连接在新兴领域如新能源、智能制造等方面也发挥着越来越重要的作用螺纹连接的特点可拆卸性优势载荷传递机理螺纹连接最大的优点是可以方便地拆卸和重新装配，这对于设备螺纹连接通过螺纹牙的相互作用传递载荷，能够承受拉力、压力维修、零件更换和产品升级具有重要意义和一定的剪切力载荷传递的均匀性和可靠性是设计的关键相比于焊接、铆接等永久性连接，螺纹连接在维护性方面具有无可比拟的优势，大大降低了设备的全生命周期成本预紧力的存在使得螺纹连接具有良好的抗疲劳性能，能够在动载荷作用下保持连接的稳定性螺纹连接的这些特点使其成为现代机械工程中应用最广泛的连接方式，在保证连接强度的同时提供了良好的维护性螺纹的防松措施一弹簧垫圈通过弹性变形产生附加摩擦力防松螺母尼龙锁紧螺母提供持续摩擦阻力普通垫圈增大接触面积分散压力机械防松是最常用的防松方法，通过增加摩擦阻力或机械约束来防止螺纹副的相对转动弹簧垫圈利用其弹性变形产生的反力来维持预紧力防松螺母通过特殊的内部结构产生永久性的摩擦阻力，特别适用于振动环境选择合适的防松措施需要考虑工作环境、载荷特性和维修要求螺纹的防松措施二化学防松使用螺纹胶、厌氧胶等化学物质填充螺纹间隙，固化后形成可靠的防松效果摩擦防松采用尼龙圈、金属牙嵌等方式增加螺纹副的摩擦阻力，防止自然松动机械防松使用开口销、锁片、止动垫圈等机械约束元件，从根本上阻止螺纹副转动不同的防松方法适用于不同的工况条件化学防松适用于不需要频繁拆装的场合，机械防松则适用于安全性要求极高的关键连接螺纹连接的预紧力预紧力定义预紧力作用预紧力是螺栓在装配时施加的初适当的预紧力能够防止连接松始拉力，用于保证连接件间的紧动，提高连接刚度，改善载荷分密贴合，提高连接的可靠性和抗布，延长连接的疲劳寿命，是可疲劳性能靠连接的关键控制方法常用的预紧力控制方法包括扭矩法、转角法、伸长量法等，每种方法都有其适用范围和精度特点预紧力的大小需要在保证连接可靠性和避免过度应力之间找到平衡点过小的预紧力可能导致连接松动，过大的预紧力则可能引起材料屈服测量螺栓伸长与预紧力伸长量测量使用千分尺测量螺栓拧紧前后的长度变化，通过弹性变形计算预紧力应变测量在螺栓上粘贴应变片，直接测量应变值，精度高但成本较高扭矩测量使用扭矩扳手控制拧紧扭矩，通过扭矩预紧力关系间接控制-预紧力的准确测量和控制对于保证螺纹连接质量至关重要不同测量方法的精度和适用性各不相同，需要根据具体要求选择现代工业中，超声波测量、激光测量等先进技术也被应用于螺栓预紧力的检测，为高精度连接提供了技术支撑螺纹连接设计的基本原则强度要求刚度要求连接必须能够承受工作载荷，材料应力连接应具有足够的刚度，变形在允许范不超过许用应力围内安全余度可靠性要求设计时应考虑适当的安全系数，应对不连接在整个使用寿命期间应保持稳定可确定因素靠螺纹连接设计是一个系统工程，需要综合考虑载荷特性、材料性能、制造工艺、使用环境等多个因素螺纹连接的设计准则螺栓直径选择根据承受的载荷大小确定螺栓直径载荷越大，所需螺栓直径越大同时要考虑安装空间的限制和标准规格的可获得性螺栓长度确定螺栓长度应保证足够的螺纹啮合长度，一般要求螺纹啮合长度不小于螺栓直径过长会增加成本，过短会影响连接强度避免附加弯矩合理设计连接结构，使载荷尽可能沿螺栓轴线作用，避免产生附加的弯曲应力这是提高连接可靠性的关键措施设计准则的核心是确保连接在预期载荷下的安全可靠，同时兼顾经济性和制造工艺性螺纹连接失效形式拉断失效剪断失效滑扣失效螺栓在过大拉力螺栓在横向剪切螺纹牙在过载作作用下发生断力作用下发生剪用下发生剪切破裂，是最常见的切断裂坏，丧失连接能失效形式力松动失效在振动载荷作用下螺纹连接逐渐松动，预紧力下降了解各种失效形式的特点和产生机理，有助于在设计阶段采取针对性的预防措施，提高连接的可靠性失效分析是改进设计的重要手段，通过对失效案例的深入分析，可以不断完善设计方法和标准螺纹连接强度计算基础最大应力理论计算实例分析螺栓在拉伸载荷作用下，危险截面上的最大正应力不应超过材料某螺栓，材料为钢，承受轴向拉力螺栓小径M124510kN的许用应力这是强度计算的基本准则₁，危险截面积d=

10.106mm A=

80.1mm²计算公式，其中为轴向力，为螺栓危险截计算应力若σ=F/A≤[σ]F Aσ=10000/

80.1=

124.8MPa面积，为许用应力，则满足强度要求，安全系数为[σ][σ]=200MPa

1.6强度计算是螺纹连接设计的核心内容，必须准确掌握计算方法和相关参数的确定原则松螺栓连接强度计算载荷分析应力计算安全系数松连接中螺栓直接承受外载荷，无预紧力作按拉伸强度条件进行校核，考虑动载荷系数根据载荷性质和重要程度确定适当的安全系用数松螺栓连接的计算相对简单，但需要注意动载荷的影响在冲击载荷作用下，应采用较大的动载荷系数松连接多用于静载荷或载荷变化不大的场合，如设备底座固定、非关键部位的连接等设计时应确保有足够的安全余量紧螺栓连接强度计算预紧力作用预紧力使被连接件压紧，螺栓承受初始拉力，提高连接刚度和抗疲劳性能载荷分配外载荷作用时，螺栓和被连接件共同承担载荷，载荷分配比例取决于各自的刚度疲劳校核在变载荷作用下，需要进行疲劳强度校核，防止因反复加载导致的疲劳破坏紧螺栓连接的分析比松连接复杂，需要考虑预紧力、载荷分配、疲劳等多个因素正确的分析是保证连接可靠性的基础螺栓组连接结构设计对称布置载荷作用点与螺栓组形心重合均匀分布螺栓间距均匀，受力相对平衡规整排列采用矩形或圆形规律排列螺栓组连接设计的关键是避免偏心载荷产生的附加弯矩合理的螺栓布置能够使各螺栓受力均匀，提高连接的承载能力在实际设计中，还需要考虑制造工艺、装配方便性等因素螺栓间距不宜过小，以免影响装配质量螺纹连接强度提升措施增大螺栓直径在空间允许的情况下，增大螺栓直径是提高承载能力最直接有效的方法采用高强度材料选用合金钢、不锈钢等高强度材料，显著提高螺栓的承载能力增加螺栓数量通过增加螺栓数量来分散载荷，降低单个螺栓的受力水平改进连接结构优化连接结构设计，减少应力集中，提高载荷传递效率强度提升措施的选择需要综合考虑技术可行性、经济性和制造工艺等因素减载零件与辅助结构垫圈的作用密封元件功能垫圈能够增大接触面积，降低接触压力，保护工件表面不被损在需要密封的连接中，形圈、橡胶垫片等密封元件发挥重要作O伤同时还能补偿表面不平度，提高连接的可靠性用它们能够防止流体泄漏，保证系统的密封性能平垫圈用于一般场合，弹簧垫圈具有防松功能，特殊垫圈如锥形密封元件的选择需要考虑介质性质、温度、压力等工况条件，确垫圈适用于型钢等特殊场合保长期可靠的密封效果I辅助零件虽然不是主要承力元件，但对连接的整体性能有重要影响正确选择和使用这些零件是保证连接质量的重要环节螺纹连接的可靠性设计冗余设计原理多重防护措施采用双螺母、多螺栓等冗余设综合运用机械防松、化学防松、计，当主要连接元件失效时，备定期检查等多种手段，形成多层用元件能够继续承担载荷，防止防护体系每一层防护都能独立灾难性后果这种设计在航空航发挥作用，大大提高系统的可靠天等关键领域广泛应用性失效检测机制建立有效的失效检测和预警机制，通过定期检查、在线监测等方式及时发现潜在问题，在失效前采取预防措施可靠性设计是现代工程的重要理念，特别是在安全性要求极高的场合，必须采用系统性的可靠性设计方法螺纹失效案例分析典型事故案例某大型机械设备主轴螺栓断裂，导致设备停机分析发现是疲劳裂纹扩展所致失效原因分析预紧力不足、材料缺陷、应力集中、环境腐蚀等因素单独或共同作用导致失效预防改进措施改进材料选择、优化结构设计、规范装配工艺、建立检查制度等综合措施失效案例分析是提高设计水平的重要途径，通过深入分析失效机理，可以避免类似问题的重复发生建立完善的失效案例数据库，对于积累经验、指导设计、完善标准具有重要意义每一次失效都是宝贵的学习机会热胀冷缩对螺纹连接影响温度变化机理不同材料的热膨胀系数差异导致螺栓和被连接件产生不同的变形量预紧力变化温度升高时材料膨胀可能导致预紧力增大，温度降低时则可能出现预紧力松弛设计补偿措施选择匹配的材料、合理设计结构、预留温度补偿等方法减小温度影响温度变化是影响螺纹连接可靠性的重要因素，特别是在大温差环境中工作的设备，必须充分考虑热效应的影响在高温应用中，还需要考虑材料性能的变化、氧化腐蚀等问题选择耐高温材料和采用特殊的防护措施是必要的动载荷冲击载荷对螺纹连接要求/动载荷特性冲击载荷响应频繁变化的载荷容易引起疲劳破坏，需要特瞬间大载荷可能超过材料极限，需要足够的殊的设计考虑安全余量疲劳寿命评估防护设计要求根据载荷频谱分析连接的疲劳寿命，制定维增强防松措施，提高连接刚度，采用减震缓护计划冲装置动载荷和冲击载荷对螺纹连接提出了更高的技术要求，设计时必须充分考虑这些特殊工况的影响防腐蚀设计要求镀锌处理磷化处理涂层保护最常用的防腐方形成致密的磷化有机涂层或无机法，成本低，适膜，提供良好的涂层提供长期的用于一般大气环防腐和润滑性能腐蚀防护境材料选择在严酷环境中选用不锈钢、钛合金等耐腐蚀材料腐蚀是导致螺纹连接失效的重要原因，特别是在海洋、化工等腐蚀性环境中，必须采用有效的防腐措施防腐设计应该从材料选择、表面处理、结构设计等多个方面综合考虑，形成完整的防腐体系典型行业应用举例一机械设备机床主轴连接机床主轴的螺栓连接要求极高的精度和可靠性，承受高速旋转和切削力的复合载荷采用高强度合金钢螺栓，严格控制预紧力，确保主轴的回转精度齿轮箱螺栓设计齿轮箱螺栓需要承受传动载荷和振动冲击，设计时考虑齿轮啮合力的方向和大小，合理布置螺栓位置，采用防松措施防止运行中松动装配工艺要求严格按照扭矩规范进行装配，采用分阶段拧紧方式确保预紧力均匀分布定期检查螺栓状态，及时发现和处理松动或损伤问题典型行业应用举例二汽车制造发动机缸盖承受高温高压燃烧载荷传动系统变速箱、差速器等关键部位连接底盘悬挂悬挂系统的安全关键连接点车身结构4车身框架和覆盖件的连接汽车工业对螺纹连接的要求极其严格，涉及安全、性能、成本等多个方面发动机缸盖螺栓的设计尤为关键，需要承受极端的工作条件现代汽车制造广泛采用自动化装配技术，对螺栓的一致性和装配工艺提出了更高要求质量控制系统确保每个连接都符合设计要求典型行业应用举例三高压管道法兰连接设计装配技术要点高压管道法兰连接是压力容器的关键部位，螺栓必须能够承受内法兰螺栓的装配需要严格按照规定的顺序和扭矩进行，采用对角压产生的巨大轴向力设计时需要精确计算所需的螺栓数量和预交叉的拧紧方式，分多次达到最终扭矩值紧力装配完成后需要进行压力试验，检查连接的密封性和强度运行螺栓材料通常选用高强度合金钢，表面进行防腐处理螺栓排列期间定期检查螺栓预紧力，及时补拧以保证连接可靠性遵循对称原则，确保载荷均匀分布，避免法兰变形典型行业应用举例四建筑钢结构钢结构优势螺栓连接相比焊接具有施工简便、质量易控、可拆卸等优点，在钢结构建筑中应用广泛高强螺栓应用大型钢结构多采用高强度螺栓，通过控制预拉力形成可靠的摩擦型连接，承载能力强抗震设计要求地震区建筑的螺栓连接需要考虑动载荷影响，采用延性设计原理，确保结构安全施工质量控制严格控制螺栓材质、拧紧扭矩、检验方法等，确保每个连接都符合设计要求。