制造用非标准螺纹紧固件的设计

今天螺丝君,从制造角度出发,详细阐述非标螺纹紧固件的设计思路和方法。在设计阶段,就充分考虑产品的可制造性,从而达到减少了设计更改,缩短了开发周期,提升了产品制造质量,降低了产品制造成本的目的。

面向制造的产品设计,是指设计出的产品,充分考虑制造的工艺性,使得产品具备可高效率(批量化)、高品质、低成本的生产制造特性。

这种设计方法具有以下优点:

1、降低产品制造工艺成本,提高产品生产效率。

2、大幅度减少产品初期制造过程中的设计更改,提高了产品开发成功率,缩短了开发周期。

3、通过合理的产品设计,可大幅度降低产品在制造阶段的质量问题发生。

非标螺纹紧固件设计人员,必须熟悉紧固件材料特性、制造工艺特点、制造所用设备工艺保证能力等,这样才能合理地设计完成非标螺纹紧固件设计。

当设计人员不具备上述技能时,不能一味参考相关产品设计标准,应在设计初期或设计完成时,应与制造商相关工艺人员进行图纸设计评审,征求相关设计建议。针对评审相关合理建议后,修改和完善初期的产品设计。

面向制造的设计流程:

产品图纸设计→设计评审讨论→修改完善图纸

非标螺纹紧固件设计在满足其使用功能、质量以及外观要求前提下,几何形状必须适合冷成形,且结构相对简单,适合批量化生产,制造成本低。

另外还需要参考设备工艺保证能力及已纳入标准的螺纹紧固件几何结构及技术要求。

01 材料设计

在设计非标螺纹紧固件材料时,化学成分必须符合GB/T3098.1标准中表2相关要求,同时还应考虑以下几点:

1、材料的冷锻性

材料应具有良好的塑性变形能力,冷作硬化敏感性较低,含碳量应<0.5%。

2、满足产品热处理工艺要求

材料应根据产品截面直径大小,参考相应材料淬透性参数,合理设计材料牌号。对于直径<M12热处理应按油淬工艺,设计材料牌号。

3、材料采购

设计材料牌号时,在充分满足性能要求的前提下,要选择成本较低低,采购资源充足的材料牌号。

02 头部设计

1、头部几何形状设计

几何形状应外形美观,满足冷镦成形特性要求 ,尽量设计成延轴线对称的几何体。若无法设计为对称的几何体,应设计成能用去除材料法(切边工艺)完成几何形状。

另外还需要参考设备工艺保证能力及已纳入标准螺纹紧固件的头部几何结构(见下图表)及技术要求。

螺纹紧固件头部常用几何形状

2、头部扳拧结构设计

根据设计的装配扭矩大小和常用扳拧结构特点以及装配空间,合理设计扳拧结构,同时结构应具有良好的冷镦工艺性。

3、头部厚度设计

对于承受大的拉应力非标螺纹紧固件,其头部厚度不可过小,必须具有足够的承载力。当头部厚度较小时,尽量不选择内扳拧结构,否则将会降低头部承载力。

经验一般头部厚度应大于0.65~0.8d(d为光杆/螺纹直径)。

对于承受剪切应力的非标螺纹紧固件,根据装配空间,其头部厚度可相应减小。

4、头部直径设计

圆头头部直径一般为(1.75-2)d(d为光杆/螺纹直径),如需要加大直径,应控制在(1.9-2.2)d范围内。对于六角头型、四角头型紧固件的头部直径尺寸,可按对角尺寸e确定。

03 螺纹长度设计

螺纹的长度是指从螺纹的起始端到螺纹的末端的总长度(包括螺纹旋合长度、螺纹余留长度、收尾长度和,与螺母配合的还包括外露伸出长度)。

即:螺纹长度=旋合长度+余留长度+伸出长度

对于镀/涂层的非标螺纹紧固件来说,螺纹长度越长,其精度及旋合性就越难保证,同时制造成本也相对较高。因此在保证装配紧固和连接强度的前提下,合理设计螺纹长度,不可过长。

1、旋合长度设计

螺纹旋合长度:即两相配螺纹的连接长度。螺纹旋合长度是决定螺纹连接可靠性的重要尺寸。对于与螺母配合使用的螺栓来说,旋合长度为螺母厚度(如图一所示)。

1)与螺母配合非标螺栓螺纹旋合长度设计

因为螺纹前三扣有效长度,基本承载80%载荷,所以旋合长度最少要有5倍螺距长度。

2)与螺孔配合的非标螺钉螺纹旋合长度设计

确定旋合长度有两种方法,一种是根据内螺纹材料来确定旋合长度:钢1d(d为螺钉直径);铸铁1.25~1.5d;铝合金1.5~2.5。另一种是根据经验,螺纹旋合长度为8~10倍螺距的长度。

2、螺纹余留长度和伸出长度设计

(图一所示)

1)螺纹余留长度l1

受拉应力的螺栓:静载荷l1≥(0.3~0.5)d(d螺栓直径);变载荷 l1 ≥0.75d;弯曲载荷 l1 ≥d。

受剪切应力的螺栓,在保证连接紧固的前提下,尽可能设计短一些。

2)螺纹伸出长度a

螺纹伸出长度一般为:(0.3~0.4)d或(2~3)P(P螺距)。

螺纹长度b的经验计算公式:

• 公称长度≤125,螺纹长度b=2d(d螺纹直径)+6mm;

• 125<公称长度≤200,螺纹长度b=2d+12mm;

• 公称长度>200,螺纹长度b=2d+25mm。

备注:当光杆长度≤0.5d时,应做成全螺纹。

04 角度设计

机械产品设计中,角度常规设计为45°。如果在紧固件设计中,直接套用,有些将会给成形带来难度,同时也增加了制造成本。

图二为紧固件简易画法设计图纸,图三为冷镦毛坯设计图。

1、头部倒角

将产品冷镦毛坯头部倒角角度设计成15~20°,主要目的是便于冷镦成形,且倒角外形美观。

2、螺杆与光杆过渡区角度设计

将毛坯这个过渡角度设计为10~15°,主要是因为螺杆成形为缩径挤压,目的是便于金属流动。如过渡区过长,也可设计为30°,尽量不要设计为45°。

3、杆端倒角设计

毛坯一般将杆端倒角设计成25~30°,主要目的是为了避免挤压螺纹时,螺纹挤压工具(滚丝轮和搓丝板)螺牙蹦齿。这个角度经过在完成螺纹挤压后,角度大致变为35~40°。

05 尺寸公差与形位公差

非标螺纹紧固件的尺寸公差和形位公差设计的越小,产品制造难度越大,甚至有些需要增加辅助机械加工才能保证,制造成本也会相对增加。

因此,在设计几何公差时,应依据产品功能要求、结构特征和工艺性等因素。此外,在无特殊要求时,可参考GB/T3103.1标准中的A级产品进行设计(螺纹几何尺寸除外)。

06 表面粗糙度设计

粗糙度需要根据紧固件制造工艺进行合理设计,如果过高,将会增加磨削等加工,这样无形中增加了成本。

根据紧固件制造工艺特点及设备工艺保证能力,外螺纹粗糙度一般常设计为Ra3.2-Ra6.3,杆部和头部一般常设计为Ra6.3,配合面和压紧面不低于Ra6.3,非配合面和压紧面,如头部切边部位和杆端部一般为Ra12.5。

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