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1、紧固件设计与制造备忘录紧固件作为基础件随汽车及机床等行业的发展也已得到迅速发展，无论从结构形式上、强度上、功能上都有了不同程度的发展，其中发展最快的还要数高强度车用专用件，在多年的制造实践中经常会看到部分客户的来图中，有一些结构、或有一些尺寸的标注方式，选材、强度的选取等都明显对应用不利或与标准不符，出现这些问题的根源大多数是：一、对标准不了解，二、对安装条件与原理不了解，三、对生产工艺过程不了解。其实他们并不知道，因为这些结构会给他们带来高额的代价，而且并不一定能有一个好的使用效果。借此宝地将这些奉献给大家，以期引起大家的注意，也希望有关人员在工作中尽可能使用标准或参照标准，这样既可以规范又
2、可以减少差错，也可以提高工作效率。一、 选材紧固件的材料有它的行业特点和标准规定，而许多从事紧固件设计不久、或对紧固件标准了解较少的人来说，往往会用以往的经验或是套用其它零件的设计经验来设计，如下图1-1（为了具备代表性，我将多种问题集中在一个例子中），它的技术要求是：性能10.9，材料为45钢。由下面图面上可以看出相应的不当之处，1、 头部倒角不是45而是15至30；2、 根部不是退刀槽而是一个圆角（当然对于象GB27之类是例外的）；3、 六角头的对边宽度如果是18按未注公差的话将是对称公差，那样将出现人们所不愿看到的搬手有可能无法使用；4、六角头对角尺寸不是20.7，这个参数在GB3103
3、.1（ISO4759）即“紧固件公差 螺栓、螺钉和螺母”，中有一个明确的规定，对于由切边（去除金属加工）生产的六角头的对角尺寸为对边尺寸的1.13倍,对于非切边生产的六角对角尺寸为对边尺寸的1.12倍（对于丰田、三菱等标准规定是1.11）倍，对于非专业人员来说对于这样的专业性较强的标准就知之甚少了；5、对于选取10.9级这个性能等级错是没错的，有许多客户是整套使用设计院、研究所的产品图，并不是说设计院、研究所的图纸就天衣无缝或就十全十美，对于有孛标准的图纸也常有见到。有个别客户要问这10.9怎么来的，要是同类产品类比来的，或者是想象这强度高些就要好一些。但是对于有许多使用场合并不需要这么高的强
4、度要求，由图1-2可以看出随着强度的提高材料的屈服极限与强度极限越接近，屈服变形越来越不明显，根据大量资料显示屈服变形对于可以吸收一定冲击能量从而对避免螺栓的断裂有着重要作用。图 1-1图 1-26、对于选材上来说若是选45钢那就会出现许多弊病，一是普通中碳结构钢在热处理中易产生变形及裂纹等缺陷，尤其是在头杆接合处更易产生开裂等问题，如果选用合金钢和ML（铆螺钢）钢就好多了，因为ML钢中的非金属夹杂物较低，硫、磷、硅、锰等含量受到一定的限制，对于金属变形较为有利，并且不易生产金属开裂等缺陷。对于材料的含碳量及合金含量在我国的GB3098系列标准中根据具体的强度等级不同有相应的要求。二、螺尾的过
5、渡一）存在问题：平时总会遇到这样一种现象情况，在客户的来图中存在螺尾部分无过渡的现象，有时也会因此而发生争议,如下图2-1，图2-2，2-3是这种产品的画法和标准画法。发生争议的原因是这样的，客户设计图纸的本意是想旋入机体的一端最大为12，而供应商按标准把它理解为有效螺纹长度，当产品按图生产完交付客户，客户反馈螺纹尺寸不对，按国标图纸中的螺纹长度尺寸为有效螺丝长度，其公差是可加长2P（即二倍的螺距）；因为有一端螺纹用户要旋入机体而且要旋紧，当旋入端装配后其上的其它装配件也装上，再拧上防松螺母、垫圈时，刚好将防松螺母的作用部分露在了外面而不起防松作用，客户反回头来说供应商没按图生产，他们强调我们
6、的螺纹就12长不许有过渡，其实出现这种问题的原因都是对国标不了解造成的，对于普通车削加工螺纹的收尾处一般有越程槽或退刀槽，而对于滚压螺纹的收尾在GB3螺纹收尾、螺尾退刀槽、倒角尺寸，GB5276紧固件 螺栓、螺钉、螺柱及螺母尺寸代号和标注中规定的非常清楚；图2-4是一部分GB3里的规定。 当然也有一些较为有效的方法，那就是直接参照国标，象双头螺柱可以参照GB898，GB899，对于象图2-3那样的全螺纹可以参照GB5783，半螺纹的可以参照GB5782等等。图2-1 图2-2图2-3图2-4二）产生实际：对于大批大量的紧固件生产到底是怎么一个工艺呢，对出这种图纸的设计者来说他并不十分清楚，紧固
7、件的螺纹坯径是冷缩径加工出来的，这是少无切削加工生产工艺中的一种，图2-5是这种工艺过程中的一个局部，从图中可以看到在缩杆模的口部有一个喇叭形口（这个喇叭口是工艺所必需的），就是这个口使进入其中的金属截面发生压缩，加工到一定长度后材料反向退出，那么在小直径和大直径之间留下一个过渡带，这也是国标规定的道理之所在。如果不想要这个过渡带那只能是用机加工的办法把它车掉，但是即便是没有过渡带滚丝也无法滚到台下“0”距离的地方，图2-6是滚丝和搓丝工作示意图。在滚丝轮和搓丝扳的边缘都会有一个倒角，这个倒角是一个30*2.5P（两个半螺距）的斜角，它能有效地保护螺纹加工工具，如果没有这个角滚丝轮或搓丝板的边
8、缘就会在使用初期较短时间里破掉，而且逐步地往里面发展，这是加工者所不愿看到的现象。 图2-5 图2-6三、“45钢”的情结（一）社会影响与潜移默化在成人中有相当多的人如果他们要涉及到加工机械类零件或经营或使用到钢材时，如果你问及这是什么钢材牌号时，可以说大多数人会一样告诉你“45钢”。在他们的大脑思维中只有“45钢”这个概念，也许他们认为：第一、说这几字个不会有太大的错误，第二、别人不会认为我不懂行的，第三、“45钢”是比较好的材料吧。（二）、网上的对话有一个人问到：“我用45钢红打的螺栓性能能达到几级，热处理后能够8.8级吗？” 我的回答是：你用45钢做多大规格的螺栓，你怎么加热时仅加热头部
9、呢还是杆部也加热，而一般只加热头部的加工对于杆部的性能并没有多大的影响，如果是整体加热成形后用余热淬火那是另一回事了，这个跟终锻的温度（成形完了后的具体温度）是有一定关系的。至于45钢热处理后能否达到8.8级也跟规格有关系，如果说产品是M42的话6.8都不一定能达到，这是因为这个直径时的芯部硬度达不到标准要求，但对于小规格的产品用45钢进行热处理时可要相当小心了，它的易变形和开裂可往往使人始料末及。（三）图纸上的45钢垫圈图3-1过去有一客户要求加工一批异型垫圈，要求材料1050。形状如图。 因为这种材料的板材无法购到，我们提出是否可以用别的材料替代，他们就回答可以用45钢替代，我想实际了解一
10、下这个产品用在什么地方，跟它相配的是什么，客户告诉我这个垫圈的两个侧面接触的是两个冲压件，材料用的是SPCC，谈到选择垫圈材料的理由时是怕变形，我就没能想通难道说SPCC的硬度要比1020或是35更硬些，或者说是如果选了20或多35钢就可能被挤压变形，如果不是那么用Q235或是SPCC有何不可的，真无耐。四、螺纹的旋入与配合你看到这个图的时候你会作何感想。图4-1 在此要说的是在图上所写的旋出扭矩的问题，螺栓只能保证强度等级，和精度达到某一个等级，而一般没有拆除扭矩这个要求的，因为这其中跟螺孔的制造精度等级，相配螺孔的强度等级，装配终了时的拧紧力矩都有关系，在钢螺栓相配的标准中只有GB1167
11、是与铸铁、钢及铝合金相配的，其它是与有色金属相配合的，我们可以把螺纹作的符合GB1167的要求，在GB1167中有三种外螺纹公差带，2km,3k,4kj一般选4kj，精度要求高的选3k，但相配的螺纹孔有3H，4H，5H，都是不一样的，现在客户可以选一种外螺纹的公差等级，对于防松的螺纹，GB1167是一个过渡配合螺纹，它不是过盈配合，过渡配合就意味着有可能有过盈也有可能有间隙，既便是再加上锁固胶也未必能达到图所提出的退出扭矩，这个可以参考标准GM6175M所规定的值，在72小时固化后的破坏扭矩M10X1.5螺栓是22Nm，何况这种靠机械摩擦锁紧螺栓。一般是因为拧入端相对要紧一些而外面的一端是间隙
12、配合螺纹，所以拆卸时相对外面的一端的锁紧力要小所以旋入机体端是不会被旋出的。 由于紧固件技术的不断发展，对于螺纹机械式锁紧有了别的形式，比如可以使用三角形螺杆的自攻锁紧螺钉，这种螺纹的锁紧力就比较大，它在旋入前，螺孔是没有螺纹的，直接用螺栓上的螺纹将螺孔的螺纹攻出来，加之它的特殊结构所以锁紧力是很大的，这个可以参照标准GM6202M标准，对于普通螺纹它们并不具备有较大的锁紧力的。五、三角螺杆的形式及所给的尺寸一是不够二是不符合要求图5-1 在图5-1中的杆部截面图A-A所能看到的只是6.1-0.13，而其它尺寸并没有标注，这种产品并不是所有生产厂家都能生产的，而且有能生产的而未必就好用，这种产
13、品过去是属美国的一种专利产品，我国的国标中也有这种产品GB6559-1986自攻锁紧螺钉的螺杆 粗牙普通螺纹系列，GB3098.7-86 紧固件机械性能 自攻锁紧螺钉 粗牙普通螺纹系列这些标准中均无法找到相应的几何参数，这些都要靠生产厂家所掌握的资料和经验。六、未注公差问题我有一位朋友有这样的一种销子产品，他们把图交给一家公司生产，结果交货时令他大吃一惊，为什么？他一测直径是正负公差，他向我咨询，问我图是否画错了，我说没有画错，后来才明白，这家公司的检验员不知道未注公差对于被包容体为负公差，包容体公差为正公差。长度和直径如同图1-1中上图中的未注公差一样。在国标GB1804公差与配合 未注公差
14、尺寸的极限偏差中作出了明确的规定，而且对于机械行业的相关人员这也是一种最基本的常识。七、螺纹的端部形式对于非专业人员来说并不了解国标GB2的作用，这个标准是针对螺栓螺钉端部形式制定的，如图7-1是部分GB2所规定的部分内容。图中U段是不完整螺纹段，在图中的辗制螺纹端和倒角端的端面上有一个凹面，这个凹面不是特意要求加工的，是辗制螺纹时自然形成的；在图中可以看到许多形式中都有一个倒角，可就是这个倒角在平日的生产加工中，有相当一部分人并不注意这一倒角，这一倒角对使用者对加工者都是至关重要的，对于使用者的好处大家都很清楚，防止毛剌及起导向作用，对于制造者的好处可许多人并不一定完全明白，并且在加工时往往
15、给出一些不太合适的工艺参数；在图5中可以看到在滚压加工中它对滚压工具有一定保护作用，作用原理见图7-1所示，在滚压之前端部毛坯倒角最好是30，因为，滚压会使越靠近最大径的部分凸起越高，这样就使原来的30变得接近45，如果原来是45滚压后就会变得非常模糊，甚至看不出有倒角；另外根据实践证明，角度越小对滚丝轮的保护作用越明显，当接近或大于45后滚丝轮的牙齿破坏几率大幅度上升。所以在此提醒大家千万注意这个角度。图7-1 这里要说的另一种情况也应引起大家的注意，那就是在图7中的“短圆柱端”和“长圆柱端”，以及图2-4（f），这三种共同的特点是有一段小于螺纹小径的光杆部分，在正常情况下这三种光杆的直径都
16、是小于螺纹小径的，可是在日常的加工中会出现令人难以理解的现象，那就是在滚（搓）螺纹时在这些光杆上也滚（搓）出了螺纹的痕迹，有时这些痕迹还相当深而明显，甚至有0.2-0.3mm深,后来细观察,螺纹工具都是当地生产的螺纹工具,在这些螺纹工具的牙尖上圆角很小,有的甚至就直接是无圆角过渡,看后真让人不寒而栗。这些产品当时有4.6有6.8、8.8级的,幸好是淬油的,如果是淬水那后果我想大家可以想象的到,不说是灾难性的也可以说非常大的损失。八、有关尺寸标注方法与尺寸链 如果对国标GB5276不了解的话就会遇到一些预想不到的麻烦,GB5276紧固件 螺栓、螺钉、螺柱及螺母尺寸代号和标注中对尺寸的标注形式分类
17、地作了非常清楚的规定，头厚与杆长分开标注，这样可以使两者的长度互不干涉，这在行业内也是人所共知的事情，平时大家交谈或交流都比较方便，只要谁说出标准号或产品名称规格及长度，大家都会从这个信息中你就可以清楚的了解到你说的是什么产品多大多长等，如果你所说的不是按标准规定，你所说的规格、长度中包含了头厚那不是就麻烦了吗！可是在有的客户来图中总会有如图8-1，8-2，8-3所示的标注形式，将倒角放在了杆长之外，或将头厚加在了总长中，这些标注形式所带来的后果是：a.制造者经常出现将杆长尺寸搞错；b.这样很容易将杆长误差，螺纹长度误差带到了螺栓头部使得头厚常常超差，或反过来因头厚的误差会引起杆长的超差，c.
18、双头螺栓中总长度中包含了旋入端,那么旋入端旋入机体时的长度将会影响到总长度。图8-1图8-2图8-3九、有关螺栓螺钉的基准设置 在图9-1中可以看到,首先是法兰面的角度120这个与国标相去甚远,国标规定法兰面与支承面夹角15-25度,这个角度是我这些年来头一次看到，当时这个图纸是别人在搞，这个产品一直供了好长时间，后来客户要将图中的对边尺寸由14改为15，这时问题来了，等到试生产后扳拧高度也就是图中的尺寸“3.6min”，几乎是在最下限，因此工人不敢生产，这才引起了人们的注意，结果经协商将角度改为130-150这就与国标相一致了；但在图中还有一个令人不解的东西，就是那个基准A，在国标GB310
19、3.1中大家会看到许多螺纹对头部的同轴度、对称度、垂直度等,但它根本不是装配基准也不是加工基准，按一般的原理讲，设计基准、装配基准、加工基准、测量基准四个基准最好是重合，但这个基准仅仅是他设计者强加在产品上的一个设计基准，这个基准没有一点实际意义，在实际工作中什么地方会用上它呢?我想应该引以为戒。图9-1十、螺纹的旋合长度 有这么一个实例,螺母厚度18,客户选的配合为螺母M27*1.5-5H,外螺纹为6h;结果是产品发到客户处后,与另外一家的外螺纹配合经常出问题,总有20-30%的配不上;纠其原因从表10-1中可以看出这种产品的旋合长度为中等旋合长度,由表10-2可以查出配合优先选取的是6H,
20、由表10-3可以看出优先选取的是6g;从客户的选用配合中可以看出,实际上在外螺纹的上限处和螺母的下限处是零对零配合,然而实际上远不至零对零,由我们所采用的螺纹检查制度分析,发生干涉的可能性是非常大的,可遗憾的是这家的产品设计人员对国家标准却是置若罔闻。任何产品设计都要讲一个科学性和可靠性,即不讲科学又达不到可靠那这个产品何谈是个好产品呢？ 螺纹旋合长度mm（摘录自GB197-81表6的一部分) 表10-1公称直径，螺距旋合长度22.4451.52346.38.51246.38.5121219253612192536 内螺纹选用公差带 表10-2精度公差带位置G公差带位置HSNLSNL精密4H4
21、H5H5H6H中等(5G)(6G)(7G)*5H*6H*7H粗糙(7G)7H外螺纹选用公差带 表10-3精度公差带位置e公差带位置f公差带位置g公差带位置hSNLSNLSNLSNL精密3h4h*4h(5h4h)中等*6e*6f(5g6g)*6g(7g6g)(5h6h)*6h(7h6h)粗糙8g(8h) 注：1.大量生产的精制紧固件螺纹，推荐采用带方框的公差带； 2.带*的公差带优先选用，不带*的公差带其次，括号内的公差带尽可能不用。十一、十字槽和内六花深度引来烦脑 十字槽螺钉及盘头内六方产品中最让人捉摸不定的是它们的深度，这个深度如果按有的客户的标注，孔型按标准那将是一场不小的麻烦，尖部进入杆
22、部是常有的事，可是有时甚至六方的底部已进入杆部，有的产品在加工前如不加以验证，在加工完后作性能试验时将无一可以通过。图11-1在GB3098.7”自挤螺钉机械性能”拉力载荷和破坏扭矩等,这些数据处在GB3098.1“螺栓、螺钉、螺柱的机械性能”中相应规格中的10.9-12.9级保证载荷中间段,在这种情况下头杆结合部的形状、截面积等几何参数都是至关重要的稍有差池就可能出现人们最不愿看到的后果。图11-2按照国标所给数值，在M8以上完全可以保证头部强度，如图11-4。是国标GB818十字槽盘头螺钉,及国标GB29.2六角头十字槽凹穴螺钉在一般情况下十字槽尖部与杆部的关系；,在M4-8四种规格中M4
23、-6尖部进入杆部较为严重,M8较轻,在一定的情况下M8可以避免,可是M6及以下如论如何不可能完全消除;象图11-1至11-3，所示例子，许多时候如果工艺人员相信了客户的尺寸，到了终检可就麻烦了。图11-1到11-3所示产品是无法保证的，因为冲头是标准的，无论怎么搞尖部都会进入杆部，图11-3图11-4表11-1 GB818及GB92.2中有关十字槽及头厚的一此参数 （单位mm）规格M4M5M6M8GB818H型槽号2234插入深度2.41.92.92.43.63.14.64头厚3.1-0.183.70-0.184.6-0.36-0.3GB29.2H型槽号2233插入深度1.931.42.732
24、.192.852.313.863.24头厚2.80.23.50.2440.245.30.24 表11-2 GB818及GB92.2中有关十字槽尖部进入杆部的一此参数 （单位mm）规格GB818GB29.2孔径尺寸尖部进入深度孔径尺寸尖部进入深度M41.62.280.610.712.590.91M51.141.820.480.52.80.74M60.741.870.50.83.91.04M81.252.470.660.261.870.5为了避免出现较为严重的后果，我们在正常生产中一般都会将冲头的尖部稍作修改（包括十字槽冲头），改成R1-1.5的圆角,如果还不行就将头部角度稍加大一些,由120改为
25、130左右,或者干脆将插入深度改小等一些非常措施。图11-5 是盘头和圆柱头内六花螺钉产品的尖部与杆部的关系，对于内六角花形产品如果按国标一盘不会出现象十字槽那样的结果，但是客户大部分所给出的产品头厚和插入深度都会让人为难，有许多时候他们所给出的头厚使得头杆结合部的面积保留不足80%，有一部分国外产品图他们会在图纸的技术要求中注明，“抗拉强度按80%要求“，或者说是“不能加全载”等说明。而国内有很多图纸则不注明这些。 在此要说明的一点是，对于一个设计人员来说最好对你所设计的产品加以校验，因为现在的计算机软件都很先进了（象PROE，UG，AutoCAD），要校对、校验一个产品也不是一件十分难的事
26、情，以避生产厂家和客户出现一些不必要的浪费。 表11-3十二、关于薄头螺栓 薄头螺栓是这样的，在工作中偶尔会碰到一种螺栓头比正常螺栓头薄许多的螺栓，我就全且把它称作薄头螺栓了。图6-1，图6-2就是其中两例；分析其原因不外乎两种原因，1.这种螺栓是一种受剪力螺栓，设计者认为头部只不过是为了定位而矣，2.是这种螺栓仅仅是起销的作用象GB882一类。图12-2 我建议如果不是安装位置所限还是选标准的好，这种螺栓因头部材料较少成形时变形比较大，对材料的节约上是有限的，可是其头部强度极差仅能作为销的头部看待，从价格上讲，制造厂商并不会因为你的材料少了那么一点而给你便宜一些，那一部分已在成形难度方面所消
27、耗。 在标准件中也有其它形式可选择，如GB5782（粗杆六角头螺栓），GB27铰制孔用螺栓，GB37 T型槽用螺栓，GB882销轴等。十三、 在螺栓的支承面上设计了一个环形槽如图13所示，这样的结构在成形过程中的金属流动过程如图32所示。由于成形过程中流动阻力较大使正常的工艺过程难以进行，在工艺设计时不得不加大头部成形用料，然后再将多余的材料切除，这样也就加大了工艺成本，当然大家心里明白这样的结果就体现在了产品价格上了。从图131上可以看，支承面上的小V形环槽与上斜面间只有0.67，制造带难度是一方面，就从使用角度上来说也并不一定好，设计者的真正思想我认为是为了加大法兰面的弹性，那又为什么不能
28、像国标GB5787、5789，或者象三菱或丰田标准的那样呢；下面是国标和三菱及丰田标准样式。图13-1 原零件图13- 2 成形过程中的金属流动阻力从下面图133和图134中可以看出，支承面与水平面有一个夹角及一个凹进去的圆弧，这种支承面有提高弹性改善防松效果，根部圆弧凹槽所具有的功能是,防止装配时孔口毛刺干涉、孔口锐角对螺栓根部造成损伤出现应力集中而使紧固件失效。但是图131中的法兰本身就比较薄V形槽又深，弹性作用已失去意义，而且相应地减小了支承面积，反而对紧固不利。十四、螺栓头六角的对角尺寸 在我国的GB3103.182 及新标准GB3103.12002中都明确地规定了六角头的对角尺寸，对
29、于冷镦成形无切边产品，对角尺寸为不小1.12*S（S为六角的对边尺寸），对于切边产品对角尺寸则为1.13*S。标准中所规定的这种尺寸，是在充分考虑了装配用套筒扳手(旋具)等工具在工作时不至于打滑，或与工具干涉等因素情况下规定的。 但是在日常工作中会经常遇到一些客户，常有将对角尺寸写成1.15*S,有更甚者写的比1.15*S更大，完全成了理论六角的对角尺寸(标注的不是参考尺寸而是保尺寸甚至还有公差)，这可能吗？一点都不考虑是如何加工的，即便是在铣床上铣也不易达到，因为不能倒毛刺，一但倒了毛刺就达不到要求，不过这种情况是极少数的；如果真达到这种状态其实对套筒扳手（旋具）来说那将是个麻烦，六个角极有
30、可能干涉。因为套筒一般是12角，它们的凹角部也会有圆角，这个圆角会使对角尺寸变小，所以出现干涉是可能的。这里要讨论的另一个问题是，日本三菱产品以及其它国外公司的产品标准原本是1.11*S，在国产化时有的企业却将对角尺寸转化成了1.13*S。在主机厂方面这个一但形成事实，配套厂无论对主机厂怎么解释都不能达成协议。这就是由于当时国产化时某些人员，或负责国产化的某个企业主管技术人员的技术水平或主官意识，所造成的不良后果，而且还将在较长一段时间影响着这种产品的生产工艺参数,甚至价格因素等。其中最为明显的产品是，如今有许多凹穴六角头产品，本是无切成形,但就因为对角尺寸不易保证不得不打成凹穴的样子然后切边,这可是非常普遍现象；还有如六角头法兰面螺栓的对角也是同样的遭遇,本应是直接成形,就因为对角尺寸问题经常不得不打成凹穴样子然后用切挤工艺来生产，这就使本来可能有10%左右的利润,可这么一搞56%都不一定。这也是人为因素给社会造成了极大浪费。
