文档介绍：螺纹设计基本要素
——译自SECTION A SCREW THREAD BASIC ELEMENTS OF SCREW THREADS DESIGN from 《Inch Fastener Standards》7th edition
IFI 提示:
1948年11月18日,在华盛顿签署的统一螺纹协定奠定了被全球接受的螺纹标准基础。从此,统一螺纹是所有机加工紧固件英制螺纹的标准,并且在全球通用。
本部分介绍了美国乃至全球都认可的统一英制螺纹ASME标准。对各标准做了适当节选,以适合本书中的所有紧固件。
本部分技术内容精确,很少有原理解释和背景介绍。因此,IFI认为将本章内容介绍给螺纹基础知识了解较少的“外行”会十分有益。其目的是用通俗易懂的语言来解释螺纹设计的更多特性,帮助技术人员更全面地了解螺纹的正确使用。
螺纹的基本特点
螺纹的作用是给予紧固件支撑和传递载荷的能力。

在设计和制作螺纹时,要考虑的几何特性和尺寸特性有超过125项之多。但是,工程师们只要熟悉其中的30种左右,就能通晓各种螺纹并了解其性能。参见图1、图2和图3(A-1,A-2 和A-3 页)。另外,A-40 和 A-41页中图也有助于对本文的理解。

螺纹是在圆柱体外表面或内表面上以螺旋线形式出现的等截面的牙面。在圆柱体上的螺纹称作直螺纹或圆柱螺纹。在圆锥体或圆锥截体上的螺纹称作圆锥螺纹。外螺纹指螺栓、螺丝和螺柱的螺纹,内螺纹主要指螺母和自攻孔内的螺纹。

轴向截面内的螺纹结构称作螺纹牙型(轮廓),它由牙顶、牙底和牙侧三部分组成。螺纹牙顶在牙的顶部,牙底在底部,牙侧连接牙顶和牙底。原始三角形是指螺纹牙侧面经延伸在牙顶和牙底形成尖V型后所构成的三角形。原始三角形高度(H)是指牙顶尖到牙底尖的径向测量距离。对于统一螺纹,。H的主要作用是用于计算螺纹设计参数。

图1 UN 和 UNR 螺纹基本牙型
图2A UN外螺纹设计牙型
图2B UNR 外螺纹设计牙型
牙顶和牙底都符合尺寸要求的螺纹为完整(全)螺纹。如果牙顶或牙底成型不完全,称为不完整螺纹。这种螺纹发生在螺纹紧固件的端部和螺纹尾部,螺纹弯曲进入未攻螺纹的螺杆部分,或是在螺母和自攻孔的下沉面内。

螺距(P)是相邻牙对应两点间沿螺纹轴线的测量距离。统一螺纹是根据每英寸的牙数设计的,即每英寸长度内所出现的完整牙数。螺距是每英寸牙数的倒数。
对于外螺纹,牙顶处的直径称为大径,牙底处的直径称为小径。对于内螺纹则正好相反,牙顶处的为小径,牙底处的为大径。
牙侧与垂直于螺纹轴线的夹角称为牙侧角。当两牙侧角的角度相同时,该螺纹为对称螺纹(牙侧角称为牙型半角)。统一螺纹具有30°牙侧角,而且是对称的。常称作60°螺纹。
图 3 UN内螺纹设计牙型
中径是在牙厚与牙槽宽相等位置通过螺纹的理想圆柱的直径。对于理想螺纹,这两个宽度应该相等,均为螺距的一半。对于非理想螺纹,螺纹的实际中径(沿螺纹圆周或轴向任意位置处的测量值)会有变化,这种变化取决于螺纹牙型的实际偏差,此加工偏差要在允许的极限范围之内。因此在实际中,螺纹专家在中径的定义、测量和重要性方面可能会相互矛盾。但是,在螺纹设计和计算,加工刀具和模具生产以及螺纹通止量规和测量中,中径仍然是一个重要参数。“理想”中径是中径圆柱的产物,其轴线就是螺纹轴线。
螺纹基本牙型建立了内螺纹和外螺纹的绝对边界。无论内螺纹还是外螺纹,突破了这一边界就会存在潜在的干涉,螺纹可能旋合不良。正是基于这一基本牙型,通过增加基本偏差和公差,来得到螺纹的极限尺寸。
基本偏差产生了配合螺纹间的最小间隙(国际公差标准)。即当内、外螺纹加工至其最大实体牙型时,内、外螺纹之间肯定会有一定的间隙。对于紧固件,基本偏差通常用于外螺纹上,即大径、中径和小径的最大值由于基本偏差的存在而小于基本尺寸;内螺纹的最小直径――其最大实体牙型――作为基本尺寸。公差是指为方便加工而允许尺寸变化的规定值。公差为在最大与最小允许极限值之间的变动量。因此,对于外螺纹,其最大实体尺寸减去公差(向螺纹轴线方向移动)定义为其最小实体牙型尺寸。对于内螺纹,其最大)实体尺寸加上公差(从螺纹轴线移开)定义为其最小实体尺寸。
配合螺纹中,基本偏差与公差的组合决定了配合情况。配合是匹配螺纹间松紧程度的量度。间隙配合可以始终确保装配后的自由转动。过盈配合需要特定的螺纹尺寸限制值以使装配后内、外螺纹间产生过盈力。
当外螺纹紧固件装配入内螺纹螺母或自攻孔时,完整螺纹的轴向接触距离为螺纹旋合长度。这些螺纹在径向上的接触距离称作螺纹的接触高度。螺纹旋合长度和接触高度都是计算螺纹强度的重要参数。
螺纹系列是几组彼此不同的直径-螺距组合,以特定直径系列和每英