CN106763072B - 螺栓及其制造方法 - Google Patents

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CN106763072B CN201611218208.6A CN201611218208A CN106763072B CN 106763072 B CN106763072 B CN 106763072B CN 201611218208 A CN201611218208 A CN 201611218208A CN 106763072 B CN106763072 B CN 106763072B
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Abstract

本发明提供一种螺栓及其制造方法，所述螺栓包括螺帽和螺栓杆，所述螺栓杆包括定位杆、柔性杆和螺纹部，所述定位杆连接在螺帽的一端，所述柔性杆分别与所述定位杆和所述螺纹部相连接。其中，所述柔性杆上形成有抗剪台。其中，所述螺纹部包括标准螺纹和过渡螺纹，所述过渡螺纹形成在所述柔性杆与所述标准螺纹之间，且所述过渡螺纹的螺纹高度小于所述标准螺纹的螺纹高度。本发明可以优化螺纹的受力分布(尤其是前三扣螺纹受力分布)，并可与螺母的螺纹进行有效地配合，而且制造过程简单，成本较低。

Description

螺栓及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种螺栓及其制造方法，具体地，涉及一种可以优化螺纹受力分布并能提高其抗剪能力、延长其使用寿命的螺栓及制造螺栓的方法。
背景技术
随着现代工业技术的快速发展，对于工业设备的要求也越来越高。越来越多的工业设备，被要求在诸如高速、及高压等环境比较苛刻的条件下使用。在这样的工作环境下，例如发动机的涡轮转子、叶片以及机车车辆的悬挂零部件等一些比较关键性的动力设备，经常会遇到疲劳失效问题。
在工业设备联接的形式中，紧固件是量大面广的基础性元件之一，是各产业必不可少的重量零件和联接件，广泛用于各种机械设备。紧固件最重要的作用之一是传递载荷，但由于各种原因，经常发生紧固件失效断裂情况，从而使得大型设备发生严重事故，带来财产和人员损失。尤其是作为联接件的螺栓，在变化的动载荷的作用下，极易发生疲劳断裂，导致联接失效。
图1A是根据现有技术的标准螺栓与标准螺母的啮合图，图1B是根据现有技术的标准螺栓与标准螺母啮合时各扣螺纹的受力分布图。
在使用根据现有技术的螺栓和螺母20连接其他设备时，螺栓的螺栓杆10与螺母20的螺纹啮合形式如图1A所示，工作时螺栓杆10发生拉伸变形，螺纹处发生压缩变形，从而导致螺栓杆上的螺纹各扣上的载荷分布不均匀，螺栓杆10与螺母20进行螺纹结合的前几扣螺纹(例如，图1A中所示的第一扣T1、第二扣T2、第三扣T3、第四扣T4等)的根部所承受的应力比后面螺纹所承受的应力要大很多，如图1B所示。具体地，螺纹的第一扣T1所承受的拉力约为总拉力的35％，第二扣T2所承受的拉力约为总拉力的25％，第三扣T3所承受的拉力约为总拉力的15％，即，螺纹的前三扣(T1、T2和T3)所承受的拉力为螺栓所承受的总拉力的75％，且从螺纹的第六扣T6开始，其所承受的拉力较小且较为均匀。更有统计表明，在所有断裂的螺栓中，约65％左右是在螺母支撑面算起的第一、二扣螺纹T1、T2处疲劳断裂。
在现有技术中，已经提出了多种方法来提高螺栓连接抗疲劳性能，例如，采用高强度材料制造的柔性螺栓方案、采用柔性螺栓和弹性设备组合成螺栓联接装置的方案或采用由螺帽和螺纹体组成的可控力矩螺栓方案等。然而，上述这些方法通常不能满足在所联接设备承受频繁波动载荷下所需的抗疲劳性能、抗拉强度以及疲劳寿命等。
发明内容
提供本发明内容以介绍发明构思的选择，以下在具体实施方式中以简化形式进一步描述该发明构思。本发明内容并不意在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
在一个总的方面，本发明提供一种螺栓，所述螺栓包括螺帽和螺栓杆，所述螺栓杆包括定位杆、柔性杆和螺纹部，所述定位杆连接在所述螺帽的一端，所述柔性杆分别与所述定位杆和所述螺纹部相连接。其中，所述柔性杆上形成有抗剪台。其中，所述螺纹部包括标准螺纹和过渡螺纹，所述过渡螺纹形成在所述柔性杆与所述标准螺纹之间，且所述过渡螺纹的螺纹高度小于所述标准螺纹的螺纹高度。
所述过渡螺纹可以以螺纹的牙顶被部分地去除的形式形成。
所述过渡螺纹的螺纹高度可朝向所述标准螺纹的方向逐渐增大。
所述过渡螺纹的螺牙线可呈斜直线或曲线形状。
所述螺牙线相对于所述螺栓的轴线形成锥形角，其中，所述锥形角的角度范围可为1°-10°。
所述锥形角的角度范围可为3°-5°。
所述过渡螺纹可包括4-5扣螺纹。
所述柔性杆直径可小于所述定位杆的直径，所述抗剪台的直径可等于所述定位杆的直径。
所述定位杆的直径可为螺栓孔的直径的0.95倍，所述柔性杆的直径可为螺栓公称直径的0.85倍，所述抗剪台的直径可为螺栓孔的直径的0.95倍。
所述定位杆的长度可为20mm，所述抗剪台的长度可为8mm-10mm。
所述抗剪台可设置在所述螺栓所连接的两个或更多个被连接件相结合的结合面处。
在另一个总的方面，本发明提供一种制造根据本发明的螺栓的方法，所述方法包括：形成定位杆、柔性杆、柔性杆上的抗剪台以及与螺纹部相对应的胚径，形成螺帽，采用滚丝工艺在所述胚径上形成标准螺纹和过渡螺纹，其中，在滚丝工艺中，标准螺纹和过渡螺纹均以螺纹部的螺牙底径为基准线一次形成。
所述胚径可包括圆柱形状的胚径和变直径的圆柱形状的胚径。
根据本发明的螺栓可以优化螺纹的受力分布(尤其是前三扣螺纹受力分布)，并可与螺母的螺纹进行有效地配合，而且制造过程简单，成本较低。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行详细地描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得明显并更易于理解，在附图中：
图1A是根据现有技术的标准螺栓与标准螺母结合时螺纹啮合的示意图；
图1B是根据现有技术的标准螺栓与标准螺母啮合时各扣螺纹的受力分布图；
图2是根据本发明的实施例的螺栓的结构示意图；
图3A是使用根据本发明的实施例的螺栓进行紧固时的状态的示意图；
图3B是图3A中的A部分的放大图；
图4是根据本发明的实施例的螺纹部的截面图；
图5A是示出根据本发明的实施例的螺纹部与标准螺母啮合的示意图；
图5B是示出根据本发明的实施例的螺纹部与标准螺母啮合时各扣螺纹的受力分布图；
图6A是示出制造根据本发明的螺栓过程中的螺栓结构的示意图；
图6B是图6A中的B部分的放大图；
图6C是示出根据本发明的制造方法所制造的螺栓的示意图。
在所有的附图和具体实施方式中，相同的标号指示相同的元件。附图可不按照比例绘制，为了清楚、说明及简洁起见，附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘可被夸大。
具体实施方式
现在对本发明的实施例进行详细的描述。其中，相同的标号始终表示相同部件。本发明中的各个示例仅是作为对本发明的说明，而非出于限制本发明的目的而提供。实际上，本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可供另一实施例使用，从而产生又一实施例。因而，只要其落入权利要求及其等价物的范围内，则本发明意图包含这种修改和变化。
图2是根据本发明的实施例的螺栓1的结构示意图，图3A是使用根据本发明的实施例的螺栓进行紧固时的状态的示意图，图3B是图3A中的A部分的放大图，图4是根据本发明的实施例的螺纹部的截面图，图5A是示出根据本发明的实施例的螺纹部与标准螺母啮合的示意图，图5B是示出根据本发明的实施例的螺纹部与标准螺母啮合时各扣螺纹的受力分布图。下面参照图1-图5B详细地描述根据本发明的实施例的螺栓1的结构。
如图2所示，根据本发明的实施例的螺栓1包括螺帽11和螺栓杆12。螺栓杆12包括定位杆121、柔性杆122和螺纹部124。其中，定位杆121连接在螺帽11的一端，柔性杆122分别与定位杆121和螺纹部124相连接。此外，柔性杆122上形成有抗剪台123，螺纹部124包括过渡螺纹1242和标准螺纹1241，过渡螺纹1242与柔性杆122相邻地布置。
下面详细介绍螺栓杆12的各部分的形状和结构。
定位杆121的直径d1与螺栓孔(被连接件2中用于使用螺栓进行连接所形成的孔)的直径d大致相等，如图3A所示。优选地，定位杆121的直径d1约为螺栓孔的直径d的0.95倍，或者，定位杆121与螺栓孔之间的间隙L1小于0.5mm(M16以上螺栓)或小于0.25mm(M16及以下螺栓)，以使定位杆121对整个螺栓-螺母结合结构起到较好的定位作用。
柔性杆122的直径d2小于定位杆121的直径d1，这是因为在承受同等应力的情况下，螺栓杆的直径越小，整个螺栓联接结构所承受的应力也越小，并且抗疲劳强度性能也越好。然而，虽然柔性杆122的直径d2越小，螺栓1的抗疲劳强度性能也越好，但如果柔性杆122的直径d2小于标准螺纹的最小直径(约为螺栓公称直径d0(未示出)的0.85倍)时，则柔性杆122的刚性过低，会减小整个螺栓-螺母结合结构所能承受的最大拉力值，从而降低螺栓1的紧固性能。因此，为了能够在降低载荷因子以使螺栓1整体受力更均匀的同时又不减小螺栓1的所能承受的最大拉力值，柔性杆122的直径d2可大约是螺栓公称直径d0的0.85倍(即，d2＝0.85d0)。
此外，由于使用螺栓1进行紧固的被连接件2在受到不可抗力导致的极限受力时，会发生横向的滑移，从而导致螺栓杆12在被连接件2的结合面处受到较强的剪应力，如果螺栓1无法承受此时的剪应力，则会损坏螺栓联接结构，进而会导致被连接件2的失效。为了避免这种情况的发生，螺栓杆12的位于所述结合面处的直径应尽可能地大，从而其提高抗剪能力。因此，为了在保证抗疲劳强度性能的同时提高抗剪能力，可在根据本发明的实施例的螺栓杆12上形成抗剪台123，且由于通常所述结合面对应于柔性杆122的中间位置，因此，在柔性杆122的与所述结合面相对应的位置处(通常为柔性杆122的中间位置)设置具有预定长度的抗剪台123，如图2和图3所示。
由于抗剪台123的直径越大，螺栓的抗剪能力和抗拉能力越好，因此抗剪台123的直径d3与螺栓孔的直径d大致相等。具体地，抗剪台123的直径d3可被设置为约为螺栓孔的直径d的0.95倍，或者，抗剪台123与螺栓孔之间的间隙L2小于0.5mm(M16以上螺栓)或小于0.25mm(M16及以下螺栓)。由于螺杆抗剪能力＝螺杆抗剪面积*螺杆抗剪强度，因此在保证螺栓1具有较好的抗疲劳性能(即，保证柔性杆122的性能)的情况下，将抗剪台123的长度设置在8-10mm之间。这样，根据本发明的螺栓1通过设置柔性杆122以及形成在柔性杆122上的抗剪台123，能够同时提高螺栓1的抗疲劳性能、抗剪能力和抗拉能力。
此外，为了防止螺栓杆12在受外应力时出现应力集中的现象，定位杆121与柔性杆122之间可采取诸如R25的圆角进行圆滑过渡，抗剪台123与柔性杆122之间可采取诸如R10、R20或R40等的圆角进行圆滑过渡。
为了保证螺纹在啮合时所需的有效啮合长度，并使螺纹中的每一扣受力均匀，减少现有技术中存在的螺纹前几扣(特别是首扣)因受拉力过大而易疲劳断裂的现象的发生，根据本发明的实施例的螺纹部124包括标准螺纹1241和过渡螺纹1242(详见图4)，过渡螺纹1242可以以螺纹的牙顶被部分地去除的形式形成，如图3B所示。具体地，标准螺纹1241和过渡螺纹1242具有相同的螺牙底径ds(如图2中所示)，且过渡螺纹1242中的每一个螺纹高度H小于标准螺纹1241的螺纹高度H0，如图3B所示。
过渡螺纹1242优选为螺纹部124的前4～5扣，且螺纹高度H朝向标准螺纹1241的方向倾斜角度逐渐增大。在这种情况下，过渡螺纹1242的螺牙线S相对于螺栓1的轴线O可具有斜直线或曲线等的形状。例如，螺牙线S可具有二次对数函数曲线、抛物线、二项式曲线等形状。这里，螺牙线S指的是在过渡螺纹1242的截面(即，图4中所示出的截面)上连接其每个螺纹的牙顶形成的一条虚拟的边S。螺牙线S与螺栓1的轴线O形成锥形角1243，当螺牙线S为曲线时，锥形角1243指的是连接螺牙线S的两个端点所形成的直线与轴线O所形成的夹角。锥形角1243的角度可随着螺栓1所受拉力的增加而增大，从而更好地分布螺栓的受力，锥形角1243可根据需要设计为1°-10°的范围。优选地，锥形角1243的角度设计为3°-5°。例如，在螺栓的预紧力为75％的屈服轴力的情况下，锥形角1243的最优角度约为3°。
此外，螺纹部124的长度优选为螺栓公称直径的2-3倍(即，2d0-3d0)。在这种情况下，首先，根据本发明的螺纹部124与具有标准螺纹的螺母4啮合受力时，由于过渡螺纹1242的螺纹高度H比标准螺纹1241的螺纹高度低，因此，过渡螺纹1242的接触面积Fw小于标准螺纹1241的接触面积Fw0，如图3B所示。因此，根据本发明的实施例的螺纹部124在与标准螺母4啮合受力时可减小过渡螺纹1242所承受的拉力，且当螺纹部124在受到拉力时，原本由其前几扣螺纹所承受的拉力会被部分地转移到其后几扣螺纹上，从而使得螺纹部124整体的受力变得均匀，如图5A和图5B所示，同时也将应力集中的因素最小化。因此，根据本发明的螺纹部124可有效地防止螺纹因前三扣(特别是首扣)受力过大而引起的易疲劳断裂的现象的发生，从而有效地提高了螺栓的使用寿命。
此外，根据本发明的螺栓的螺纹部124不仅可与螺母的螺纹进行有效的配合，而且还可与基体盲孔内的螺纹进行有效的配合。
当根据本发明的实施例的螺栓1与标准螺母4作为紧固件使用时，与被连接件2的结合结构如图3A所示，螺帽11和标准螺母4与被连接件2之间可分别设有垫圈3，以保护被连接件2的表面不受螺母损伤，同时分散标准螺母4对被连接件2的压力。
图6A是示出制造根据本发明的螺栓1过程中的螺栓结构的示意图，图6B是图6A中的B部分的放大图，图6C是示出根据本发明的制造方法所制造的螺栓1的示意图。下面将参照图6A-图6C详细地描述根据本发明的螺栓1的制造方法。
在制造根据本发明的螺栓1时，首先，根据螺栓杆12的各部分的长度和形状采用车削工艺制造出螺栓杆12的定位杆部分(包括将要制造的螺帽11和定位杆121)、柔性杆122、抗剪台123，并制造出螺纹部124的胚径5，如图6A所示。参照图6B，螺纹部124的胚径5包括标准螺纹1241的胚径51和过渡螺纹1242的胚径52。其中，可根据将要形成的过渡螺纹1242的形状来制造胚径52的形状。因此，胚径52呈变直径的圆柱形状。其中，胚径52的形状与将要形成的螺牙线S的形状一致。
然后，采用锻造工艺将定位杆121部分的左侧部分形成为螺帽(诸如六角头)11，如图6A所示。由于在锻造工艺中定位杆121需承受较大的抗弯矩能力，因此定位杆121的长度应至少为20mm，本发明优选为20mm。
接着，采用滚丝工艺以螺纹部124的螺牙底径ds为基准线对热处理后的胚径5进行滚丝处理，从而形成根据本发明的实施例的螺纹部124，如图6C所示。此外，由于在本发明中，仅使用形成标准螺纹1241的滚丝轮即可一次完成本发明中的螺纹部124，且不再需要对执行完滚丝工艺后的螺纹部124进行任何的处理，因此制造后的螺栓1可保持顺畅的金属流线，因此且根据本发明的制造工序简单、成本较低。
如上所述，与现有技术的螺栓的制造过程相比，根据本发明的螺栓的制造方法解决了锥形螺纹加工困难的难题，而且既能保证金属流线顺畅及表面压应力状态，又不增加作业工序，并能降低生产成本。
如上所述，根据本发明的螺栓能够使螺纹各扣之间受力分配更为均匀，有效防止了螺纹啮合时因前三扣(特别是首扣)受力过大而导致的疲劳断裂的现象的发生，增加了螺栓的使用可靠性，并且降低了过渡螺纹的加工难度和加工成本。
虽然已示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。

Claims (12)

1.一种螺栓，包括螺帽(11)和螺栓杆(12)，其特征在于，所述螺栓杆(12)包括定位杆(121)、柔性杆(122)和螺纹部(124)，所述定位杆(121)连接在所述螺帽(11)的一端，所述柔性杆(122)分别与所述定位杆(121)和所述螺纹部(124)相连接，
其中，所述柔性杆(122)上形成有抗剪台(123)；
其中，所述螺纹部(124)包括标准螺纹(1241)和过渡螺纹(1242)，所述过渡螺纹(1242)形成在所述柔性杆(122)与所述标准螺纹(1241)之间，且所述过渡螺纹(1242)的螺纹高度(H)小于所述标准螺纹(1241)的螺纹高度(H0)，所述过渡螺纹(1242)与所述柔性杆(122)相邻地布置；
其中，所述柔性杆(122)直径(d2)小于所述定位杆(121)的直径(d1)，所述抗剪台(123)的直径(d3)等于所述定位杆(121)的直径(d1)。
2.根据权利要求1所述的螺栓，其特征在于，所述过渡螺纹(1242)以螺纹的牙顶被部分地去除的形式形成。
3.根据权利要求2所述的螺栓，其特征在于，所述过渡螺纹(1242)的螺纹高度(H)朝向所述标准螺纹(1241)的方向逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的螺栓，其特征在于，所述过渡螺纹(1242)的螺牙线(S)呈斜直线或曲线形状。
5.根据权利要求4所述的螺栓，其特征在于，
所述螺牙线(S)相对于所述螺栓(1)的轴线(O)形成锥形角(1243)，
其中，所述锥形角(1243)的角度范围为1°-10°。
6.根据权利要求5所述的螺栓，其特征在于，所述锥形角(1243)的角度范围为3°-5°。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的螺栓，其特征在于，所述过渡螺纹(1242)包括4-5扣螺纹。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的螺栓，其特征在于，
所述定位杆(121)的直径(d1)为螺栓孔的直径(d)的0.95倍；
所述柔性杆(122)的直径(d2)为螺栓公称直径(d0)的0.85倍；
所述抗剪台(123)的直径(d3)为螺栓孔的直径(d)的0.95倍。
9.根据权利要求8所述的螺栓，其特征在于，所述定位杆(121)的长度为20mm，所述抗剪台(123)的长度为8mm-10mm。
10.根据权利要求1-6和9中任一项所述的螺栓，其特征在于，所述抗剪台(123)设置在所述螺栓(1)所连接的两个或更多个被连接件(2)相结合的结合面处。
11.一种制造如权利要求1所述的螺栓的方法，所述方法包括：
形成定位杆(121)、柔性杆(122)、柔性杆(122)上的抗剪台(123)以及与螺纹部(124)相对应的胚径(5)；
形成螺帽(11)；
采用滚丝工艺在所述胚径(5)上形成标准螺纹(1241)和过渡螺纹(1242)，其中，在滚丝工艺中，标准螺纹(1241)和过渡螺纹(1242)均以螺纹部(124)的螺牙底径(ds)为基准线一次形成，
其中，所述过渡螺纹(1242)与所述柔性杆(122)相邻地布置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述胚径(5)包括圆柱形状的胚径(51)和变直径的圆柱形状的胚径(52)。
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