CN102027244A - 基于高强度自成型螺纹部件的螺纹紧固连接构造体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种螺纹紧固连接构造体，其不用改变匹配部件的形状就能够实现加工工序的削减，实现螺栓的高强度化和疲劳强度的提高，还能够使螺纹牙的嵌合长度与以往相比不会大幅改变，其结果是，能够谋求小型化，非常有助于车辆的轻量化。对紧固连接用螺栓使用通过热处理前滚轧成形而制造出的强度为14T的自成型螺纹部件(1)，并使供自成型螺纹部件旋入的部件为具有只是被实施了铸孔的尚未形成螺纹的预钻孔(5)的部件(4)。并且，在安装部件(6)紧固连接后的螺纹紧固连接构造体中，通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率为75～90％，螺纹部件与预钻孔的嵌合长度为d～2.5d(d为螺纹直径)，由于通过自成型的螺纹紧固连接，不会在外螺纹与内螺纹的接触面上产生间隙。
Description
技术领域
本发明涉及使用高强度自成型螺纹部件(螺栓)进行紧固连接的螺纹紧固连接构造体。
背景技术
以往，在使用强度高的螺栓对发动机周边部位进行紧固连接的螺纹紧固连接构造体中，强度高的螺栓通过与螺母的内螺纹或在匹配部件上攻丝而成的内螺纹螺合来使用。这样的螺母或攻丝而成的内螺纹孔的内螺纹部当然是通过切削加工而形成的。例如，当在发动机周边部位的铸铝部件、底盘或车身底座部件、锻造部件等上通过攻丝切削加工而形成内螺纹孔的情况下，由于对孔径的精度有要求，所以如图7所示，需要对模铸部件等匹配部件进行铸孔(或锻造开孔加工)、利用钻孔机的预钻孔加工、预钻孔清洗、攻丝加工、螺纹孔清洗等多个制造上的工序。
此外，为了使车辆轻量化，为了以更高的紧固力进行紧固连接，进行了欲使螺栓更加高强度化、小型化的尝试。这一点例如日本特开2005-29870号公报等中记载的那样，是公知的技术课题。因此，通过使用作为目前刚刚实用化的强度的、强度为14T(最小拉伸强度为1400N/mm2、硬度为44～47HRC)的高强度螺栓来替换以往的螺栓，从而想要与以往的螺栓相比大幅地促进螺栓的小型化，这从低燃料消耗、环境问题等观点来看，当然也是不可回避的课题，近年来，向着螺栓的高强度化的极限的开发成为了不得不推进的技术课题。
然而，若谋求螺栓的高强度化和小型化，则螺母部件当然也必需与其相配合着小型化，因此，在螺母部件中，必然使内螺纹孔的螺纹牙也小型化。其结果是，若只是使螺栓高强度化，则相螺合的螺纹牙嵌合部的负荷载荷会增加，会在螺母部件的第一嵌合螺纹牙的牙底部集中产生大的载荷负荷，从而有可能在该部位产生疲劳破坏。此外，不仅是疲劳破坏，在用于紧固连接的静紧固时，也不能耐受14T的紧固力，也有可能在内螺纹部分上发生破坏。因此，需要增加相螺合的螺纹牙嵌合部的长度(在铝制内螺纹的情况下，为螺纹直径的2.5～3倍；在钢铁制内螺纹的情况下，为螺纹直径的2.2倍以上)，以降低每个螺纹牙的负荷载荷值。在这样的情况下，需要对兼作为内螺纹部件的匹配部件的螺纹孔周围进行由增加孔的深度而引起的大规模的设计变更，而且，嵌合长度(嵌合部)与以往相比变长，因此，会引起产生与小型化背道而驰的结果的不良情况。
此外，以往，为了提高疲劳强度，在热处理后对螺栓进行滚轧成形，由此使螺纹牙底部具有残留应力，提高疲劳强度。例如，对于发动机的螺栓，若重复次数为5×106时的疲劳强度是50MPa左右，则能够耐受使用，而实际的疲劳强度则要求具有比这更高的特性。疲劳强度为50MPa是滚轧成形后热处理品的平均实力水平。但是，这些会由于所组合的螺母的相对节距误差、螺栓螺母紧固连接体的弹性系数、紧固连接轴向力的偏差而发生变动，因此为了获得疲劳极限的更大提高而进行热处理后滚轧成形。但是，对于强度为14T(最小拉伸强度为1400N/mm2、硬度为44～47HRC)的高强度螺栓，在热处理后滚轧成形时，滚轧成形工具急剧磨损，该工具的寿命与滚轧成形后热处理的情况相比降低到1/10。从这点来看，对具有14T强度的螺栓进行热处理后滚轧成形来提高疲劳强度的方法，在批量生产方面和成本方面都是不现实的。此外，作为提高疲劳强度的其他方法，如日本特开2007-321858号公报所示，有利用螺栓和螺母的节距误差来降低施加在嵌合螺纹牙底部上的应力载荷分摊率的不均匀程度的方法。但是，该方法中使用的节距误差的值需要以μm为单位进行管理，该方法在批量生产方面和成本方面也是不现实的。因此，现状是，基本不存在用来实现疲劳极限提高的有效方法。
专利文献1：日本特开2005-29870号公报
专利文献2：日本特开2007-321858号公报
发明内容
鉴于以上问题点，本发明提供一种螺纹紧固连接构造体，其不用改变匹配部件(螺母部件)的形状就能够实现加工工序的削减，实现螺栓的高强度化和避免疲劳破坏的发生，而且还能够使螺纹牙的嵌合长度与以往相比不会大幅改变，由此，能够安全且有效地实现小型化，从而非常有助于车辆的轻量化。
因此，本发明是，对紧固连接用螺栓使用通过热处理前滚轧成形而制造出的、用于形成自攻内螺纹的强度为14T的自成型螺纹部件，并使供自成型螺纹部件旋入的部件为具有只是被实施了铸孔或锻造开孔加工的尚未形成螺纹的预钻孔的部件。
发明的效果
其结果是，不仅不需要勉强改变供自成型螺纹部件旋入的匹配部件的形状，还能够谋求削减该匹配部件上的加工工序，而且，通过用于形成自攻内螺纹的强度为14T的自成型螺纹部件，能够在外螺纹和内螺纹的接触面上不产生间隙地、牢固地进行紧固连接，同时使应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部的应力分散而降低，因此，能够实现螺栓的高强度化和紧固连接螺纹牙的疲劳强度的提高，并能够使螺纹牙的嵌合长度与以往的螺纹牙的嵌合长度相比不会大幅改变，结果是，能够更加有效地谋求小型化，从而非常有助于车辆的轻量化。
附图说明
图1表示本发明所使用的自成型螺纹部件。
图2表示本发明所使用的铸造部件。
图3是用于说明自成型螺纹部件的“咬合率”的图。
图4是表示每个嵌合螺纹牙的螺纹牙底部处的应力值的测定结果、及该测定结果的汇总的图。
图5是为了确定高强度自成型螺纹部件的最佳使用适用范围而进行的、表示旋入特性和紧固连接特性的一个实施例的图。
图6是为了确定高强度自成型螺纹部件的最佳使用适用范围而进行的、表示旋入特性和紧固连接特性的其他实施例的图。
图7表示以往的对铸造部件实施的加工工序的顺序。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选实施方式使之得以明确。
图1是本发明所使用的自成型螺纹部件1，该自成型螺纹部件1是通过热处理前滚轧成形而制成的、强度为14T(最小拉伸强度为1400N/mm2、硬度为44～47HRC)的钢制螺纹部件。其螺纹部由锥状的自成型部3和通常的用于进行紧固连接的平行螺纹部2构成，自成型部3在1～5个节距的范围内形成，并构成为其最大外径或假想外径比平行螺纹部2的外螺纹的外径大1～10％。该假想外径，例如在自成型部3是在其螺纹部上设置突起而成的情况下，指的是由突起的前端假想地画成的圆柱的直径。此外，在自成型部3的螺纹和轴的形状是三角形(饭团型)的情况下，假想外径指的是由三角形的三个顶部假想地画成的圆柱的直径。由于该自成型部的最大外径或假想外径比平行螺纹部2的外螺纹的外径大1～10％，因此有助于平行螺纹部的旋入，并且，限定了后述的螺纹部件的“咬合率”。如果该最大外径(或假想外径)比平行螺纹部2的外螺纹的外径大10％以内，则由于自成型所引起的塑性变形后的回弹，平行部能够成为无间隙的嵌合状态，如果大于10％，则会超出回弹中能够容许的范围，会产生间隙，从而无法有效地降低作用在应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部上的应力。而且，在螺纹部上涂布有摩擦稳定剂(摩擦减少剂)，以谋求旋入扭矩的降低和扭矩系数的稳定化，并抑制紧固连接所引起的产生轴向力以及摩擦系数的偏差。
图2表示本发明所使用的材料强度低的铸造部件4、例如铸铝部件，在该铸造部件4上设有只是被实施了铸孔的预钻孔5(图中用锥形强调表示)，作为相对于自成型螺纹部件1的螺母部件而形成。自成型螺纹部件1被直接旋入到设在该铸造部件4上的预钻孔5中，一边形成自攻内螺纹，一边将安装部件6紧固连接到铸造部件4上。或者，通过自成型螺纹部件1和铸造部件4将多个安装部件(图中未示出)紧固连接。这样，由于使螺栓成为自成型螺栓，所以不需要对预钻孔5进行预钻孔加工、形成内螺纹的攻丝加工、以及随之而来的清洗加工，从而能够谋求加工工序的省去以及成本的降低。
在被紧固连接了的自成型螺纹部件1和铸造部件4中，作为基于自成型的紧固连接的结果，不会在外螺纹与内螺纹的接触面上产生间隙，因此，紧固连接变得牢固，如图4所示，成为能够使应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部的应力分散而降低的紧固连接。其结果是，作用在铸造部件4的第一嵌合螺纹牙的底部上的最大主应力能够如图4所示那样，从756MPa(切削内螺纹的情况)减少至597MPa，能够使上述最大主应力减少约21％。其结果是，在紧固连接的紧固时也能够耐受14T的紧固力，不会在内螺纹部分上引起损坏。而且，内螺纹和外螺纹上的疲劳强度能够实现约17％的大幅提高。此外，从图4的图表可知，与螺栓和螺母(切削内螺纹)上具有节距误差的以往的紧固连接相比，作用在嵌合螺纹牙的底部上的最大主应力大幅降低，应力的平均值也明显降低。因此，在铸造部件4是材料强度低的部件、例如是铸铝部件的情况下，不必使相旋合的螺纹牙的嵌合部的长度增长，螺纹部件与预钻孔的嵌合长度为d～2.5d(d为螺纹直径)左右的嵌合长度即可，与以往相比不会产生大幅变化，因此，也不用进行铸造部件4的大规模的设计变更，从而能够避免成本的上升。
图3是用于说明通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率的图。这里，若使外螺纹与内螺纹相旋合的“咬合高度”(实际接触高度)为H1′，使具有基准螺纹牙的外螺纹部件(螺栓)的基准高度为(基准咬合高度)H1，则螺纹的“咬合率”被定义为H1′相对于H1的百分比，即，用(H1′/H1)×100％来表示。而且，像本发明这样，通过使通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率为75～90％，预钻孔径与螺纹部尺寸的组合能够被最佳化，能够获得比以往的紧固连接更好的旋入特性和紧固连接特性，并与这些特性的稳定化相关联。若使该“咬合率”为90％以上，则旋入扭矩变得过大从而旋入操作性变差，旋入扭矩会较大地影响被实施了铸孔而成的预钻孔的精度，此外，若使该“咬合率”为75％以下，则有可能损害产生轴向力的稳定性，紧固连接特性出现偏差，并且无法得到充分的紧固连接力。此外，进行紧固连接时的轴向力的偏差会对疲劳强度产生很大的不良影响，并且对于要求防漏性能的紧固连接部位是致命的缺陷。
图5示出了以上所述说明的汇总。图5所示的表格是就自成型部的外径、咬合率、嵌合长度、摩擦稳定剂的有无设定各种条件，并进行与涉及紧固连接和操作性的旋入扭矩、扭矩系数、产生轴向力的偏差、内螺纹强度、疲劳强度有关的试验的结果。对于作为内螺纹的材料，使用在现有螺栓中所使用的铸铝材料(ADC12)。图5的表格中示出的、(a)关于旋入扭矩的测定，是根据ISO2320(JISB1056)中规定的有效扭矩型钢六角螺母的性能，对是否比相对于ISO2320(JISB1056)的表8中规定的强度等级05、10以及12的旋入转矩最大值低进行试验。(b)关于摩擦系数，是根据ISO16047(JISB1084)中规定的螺纹部件的紧固试验方法进行测定。研究出的摩擦系数的基准值，是使用了切削内螺纹的现有螺栓的摩擦系数即0.180。(c)关于产生轴向力的偏差，是通过ISO16047(JISB1084)中规定的螺纹部件的紧固试验方法来进行。将与使用了切削内螺纹的现有螺栓(强度等级为10.9，螺纹牙数n＝10)的设定扭矩值中的轴向力的偏差(轴向力最大值与最小值的差)相比是否小作为试验的基准。(d)关于内螺纹的强度，在嵌合了螺栓的状态下在螺栓轴向上加载拉伸载荷，并测定内螺纹破坏的最大载荷，将该破坏载荷成为强度等级为14.9(应力值1400MPa)的螺栓拉伸载荷最小值(M10×P1.5：81.2kN)的1.5倍以上作为基准。该81.2kN的数值是指，在M10×P(截距)1.5的有效截面积58.0mm2上乘以强度等级为14.9的拉伸载荷(应力值)1400N/mm2所得的值。(e)关于疲劳强度，是根据ISO3800(JISB1081)中规定的螺纹部件的“拉伸疲劳试验方法以及结果的评价”进行实验。当平均载荷为0.2％耐力的40％、重复次数为5×106次的时候，目标的疲劳极限为50MPa。从图5所示的表格的结果来看可知，“综合评价”比现有产品优秀的双层圆(◎)的情况只在本发明中有。在该表格中，将涉及嵌合长度为2.5d以上的情况的试验结果涂成灰色进行了表示，关于嵌合长度为2.5d以上的情况，由于其与作为本发明目的的减少嵌合长度相背离，因此仅仅是作为参考例的数值和评价。
此外，图6表示对于作为内螺纹的材料而使用在现有螺栓中所使用的钢铁制材料的情况下的、关于上述试验(a)～(e)的测定结果。部件4是具有只是被实施了铸孔或锻造开孔加工的、尚未形成螺纹的预钻孔5的钢铁制部件，那么，不用增加相旋合的螺纹牙的嵌合部的长度，螺纹部件与预钻孔的嵌合长度为d～2.2d(d为螺纹直径)左右的嵌合长度即可。在该情况下，同样，与以往相比不会产生大幅变化，因此，不用进行部件4的大规模的设计变更，能够避免成本的上升。从图6所示的表格的结果来看，“综合评价”比现有产品优秀的双层圆(◎)的情况仍然只在本发明中有。在图6的表格中，同样，将涉及嵌合长度为2.2d以上的情况的试验结果涂成灰色进行了表示，关于嵌合长度为2.2d以上情况，由于其与作为本发明目的的减少嵌合长度相背离，因此这些仅仅是作为参考例的数值和评价。
这样，通过本发明所限定的螺纹部件与预钻孔的嵌合长度(d～2.2d或d～2.5d)、以及通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率(75～90％)，能够在不改变所述部件4的材质和强度的情况下，将通过自成型形成的内螺纹的破坏临界载荷保障为作为14T螺栓紧固连接部件而要求的紧固临界强度即1400MPa。
以上，根据图1～7对本发明的实施例和以往例进行了说明，但本发明不限于以上的实施例。铸造部件不限于铸铝制品，也可以是通常的铸造部件。此外，不限于铸造部件，也可以是通过锻造开孔加工而具有未形成螺纹的预钻孔的锻造部件，对此上面已进行了说明。在该情况下，使用通过高频淬火而使作为自成型部的前端部分变硬的自成型螺纹部件。此外，虽然是特别以车辆为例进行了说明，但是，本紧固连接构造体当然不限于车辆。
工业实用性
通过本发明的自成型螺纹部件1与部件4的紧固连接，能够得出以下这些极其有益的结果：能够在不改变铸造部件、锻造部件的形状的情况下，使应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部的应力分散而降低，从而实现螺栓的高强度化和疲劳强度的提高，而且还能够通过废除内螺纹加工来削减加工工序的工时，而且，能够使车辆轻量化，用更高的紧固力进行紧固连接。
附图标记说明
1自成型螺纹部件
2平行螺纹部
3锥状的自成型部
4铸造部件
5预钻孔
6安装部件
Claims (3)
1.一种螺纹紧固连接构造体，由以下构成：由锥状的自成型部(3)和平行螺纹部(2)构成的自成型螺纹部件(1)；具有只是被实施了铸孔的尚未形成螺纹的预钻孔(5)的、材料强度低的铸造部件(4)；以及通过所述自成型螺纹部件和所述部件(4)被紧固连接的安装部件(6)，其特征在于，
所述自成型螺纹部件，
(a)是通过热处理前滚轧成形而制成的、强度为14T(最小拉伸强度为1400N/mm2、硬度为44～47HRC)的钢制的螺纹部件，
(b)自成型部在1～5个节距的范围内形成，该自成型部的最大的外径或假想外径比平行螺纹部的外径大1～10％，
(c)在螺纹部上涂布有摩擦稳定剂，
螺纹紧固构造体，
(d)通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率为75～90％，并且，
(e)螺纹部件与预钻孔的嵌合长度为d～2.5d(d为螺纹直径)，
(f)通过自成型，不会在外螺纹与内螺纹的接触面上产生间隙，其结果是，能够使应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部的应力分散而降低。
2.一种螺纹紧固连接构造体，由以下构成：由锥状的自成型部(3)和平行螺纹部(2)构成的自成型螺纹部件(1)；具有只是被实施了铸孔或锻造开孔加工的尚未形成螺纹的预钻孔(5)的钢铁制部件(4)；以及通过所述自成型螺纹部件和所述部件(4)被紧固连接的安装部件(6)，其特征在于，
所述自成型螺纹部件，
(a)是通过热处理前滚轧成形而制成的、强度为14T(最小拉伸强度为1400N/mm2、硬度为44～47HRC)的钢制的螺纹部件，
(b)自成型部在1～5个节距的范围内形成，该自成型部的最大的外径或假想外径比平行螺纹部的外径大1～10％，
(c)在螺纹部上涂布有摩擦稳定剂，
螺纹紧固构造体，
(d)通过自成型形成的内螺纹与外螺纹的咬合率为75～90％，并且，
(e)螺纹部件与预钻孔的嵌合长度为d～2.2d(d为螺纹直径)，
(f)通过自成型，不会在外螺纹与内螺纹的接触面上产生间隙，其结果是，能够使应力最集中的第一嵌合螺纹牙底部的应力分散而降低。
3.如权利要求1或2所述的螺纹紧固连接构造体，其特征在于，通过自成型螺纹部件(1)的紧固连接的保障载荷满足1400MPa。
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