CN110425209A - 一种具有凹槽结构的螺纹紧固件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，包括螺纹紧固件，螺纹紧固件的尾部或头部向下开有凹槽，凹槽的底面从下至上依次固定有压电膜层、防护层、电极化层。本发明所述的具有凹槽结构的螺纹紧固件可以在不影响紧固件的关键结构和性能的同时，提升紧固件表面换能器的使用寿命及测量精度，解决了换能器暴露在紧固件外表面而带来的诸多负面影响。
Description
技术领域
本发明属于螺纹紧固件领域，尤其是涉及一种具有凹槽结构的螺纹紧固件。
背景技术
目前，通过在外螺纹紧固件上制备换能器，利用换能器/换能器激发的超声波信号来测量外螺纹紧固件预紧力的技术具有较好的应用前景。现有的方法中，换能器主要采用以下两种方式与螺纹紧固件的表面结合在一起。一种采用粘贴或焊接的方式，将片状的换能器整体固定到螺纹紧固件表面，另一种采用真空镀膜的方式，沉积生长换能器的各个分层结构。通常，无论粘贴式的换能器还是真空镀沉积生长的换能器均具有一定的厚度，其厚度从微米到毫米级，其面积小于所结合螺纹紧固件表面的面积，因此，换能器将在螺纹紧固件表面呈凸起的状态，完全暴露在复杂的使用环境中。由于换能器结构精细，容易受到外力、环境因素的破坏或损伤，造成磨损、磕碰伤、脱落、分离、腐蚀、潮解等问题，最终造成换能器功能失效，无法使用，增大测量误差等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，以在不影响紧固件的关键结构和性能的同时，提升紧固件表面换能器的使用寿命及测量精度，解决了换能器暴露在紧固件外表面而带来的诸多负面影响。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，包括螺纹紧固件，螺纹紧固件的尾部或头部向下开有凹槽，凹槽底面从下至上依次固定有压电膜层、防护层、电极化层。
所述依次固定的压电膜层、防护层、电极化层形成换能器，所述换能器固定于所述凹槽中。
所述压电膜层、防护层、电极化层均为真空磁射镀膜层。
所述压电膜层的厚度为5-25μm，所述防护层的厚度为5-15μm，所述电极化层的厚度为2-5μm，所处凹槽的厚度为0.2mm～0.5mm。
所述压电膜层为具有晶体002方向择优取向的氧化锌层，压电膜层的电阻不小于200MΩ，所述防护层为碳化硅层，所述电极化层为钛层。
所述凹槽的中心线与所述螺纹紧固件的中心轴重合，所述凹槽的中心线相对于所述螺纹紧固件光杆轴线的同轴度不大于0.2mm。
进一步的，所述所述凹槽的直径不大于所述尾部或头部的直径。
进一步的，所述凹槽底面的平面度小于0.03mm。
进一步的，所述凹槽相对于螺纹紧固件轴线的垂直度小于0.05mm。
进一步的，所述凹槽的粗糙度不大于5μm。
相对于现有技术，本发明所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件具有以下优势：
(1)本发明所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，可以在不影响紧固件的关键结构和性能的同时，提升紧固件表面换能器的使用寿命及测量精度，解决了换能器暴露在紧固件外表面而带来的诸多负面影响。
(2)本发明所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件中，换能器通过真空磁控溅射的方法的方式沉积到凹槽内部，成为螺栓的永久部分，使不同的螺栓上的换能器相对于螺纹的位置固定，避免由于结合位置的的差异带来的测量误差。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的螺纹紧固件尾部开有凹槽的示意图；
图2为本发明实施例所述附图1中A的局部放大示意图；
图3为本发明实施例所述的螺纹紧固件顶部头部开有凹槽的示意图；
图4为本发明实施例所述开有凹槽的头部的俯视图；
图5为本发明实施例所述开有凹槽的尾部的俯视图。
附图标记说明：
1-头部；2-螺纹紧固件；3-尾部；4-凹槽；5-电极化层；6-防护层；7-压电膜层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图5所示，一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，包括螺纹紧固件2，螺纹紧固件2的尾部3或头部1向下开有凹槽4，凹槽4底面从下至上依次固定有压电膜层7、防护层6、电极化层5。
所述压电膜层7、防护层6、电极化层5均为真空磁射镀膜层。
所述压电膜层7的厚度为5-25μm，所述防护层6的厚度为5-15μm，所述电极化层5的厚度为2-5μm，所处凹槽4的厚度为0.2mm～0.5mm。
凹槽4的厚度如果太小，则起不到保护压电膜层7、防护层6、电极化层5的作用，导致其将在螺纹紧固件2表面呈凸起的状态，完全暴露在复杂的使用环境中，容易受到外力、环境因素的破坏或损伤，造成磨损。
凹槽4的厚度如果太厚，则会影响螺纹紧固件2的机械性能及使用功能。因此考虑到生产效率及功能性，一般凹槽4的深度优选为0.2mm～0.5mm。
所述压电膜层7为具有晶体002方向择优取向的氧化锌层，压电膜层7的电阻不小于200MΩ，所述防护层6为碳化硅层，所述电极化层5为钛层。
氧化锌的压电膜层7具有非常好的压电效应，可实现超声波的产生与发射功能；碳化硅的防护层6具有较好的耐蚀性、硬度以及绝缘性，主要用于防护易受外界环境影响的压电膜层7；钛的电极化层5具有良好的导电性、耐腐蚀性，可实现电信号的发射与接收，同时可以起到防护紧固件头部或尾部不被腐蚀和破坏的作用，
所述凹槽4的中心线与所述螺纹紧固件2的中心轴重合，所述凹槽4的中心线相对于所述螺纹紧固件2光杆轴线的同轴度不大于0.2mm。若凹槽4与螺纹紧固件2的中心不重合导致发生偏心现象时，会影响换能器信号的发生和接收，最终影响到检测结果的准确性。
所述所述凹槽4的直径不大于所述尾部3或头部1的直径，但不得影响头部1或尾部3其它功能结构，如标记、减轻孔、安装结构等，即应根据目标螺纹紧固件2的头部1或尾部3结构来确定凹槽4的直径。
所述凹槽4底面的平面度小于0.03mm，若平面度过大，平面起伏过大，则会影响换能器信号的发生和接收质量。
所述凹槽4相对于螺纹紧固件2轴线的垂直度小于0.05mm，若垂直度过大，换能器处于倾斜状态，则会影响换能器信号的发生和接收质量。
所述凹槽4的粗糙度不大于5μm。由于换能器各部分的厚度较薄，一般为微米级，若粗糙度过大，则换能器膜层无法完全覆盖或填满因粗糙度过高而引起的波峰和波谷，会影响换能器的功能正常发挥。
具体使用原理：
某规格M14六角头螺纹紧固件2。为实现该紧固件的预紧力实施监控功能，在其头部1端面加工直径7mm，深度20mm的凹槽4。
首先去除紧螺纹紧固件2头部1端面原有涂层；然后按照要求在头部1的顶面加工凹槽4；最后采用真空磁控溅射的方法在凹槽4内首先沉积一层氧化锌(ZnO)压电膜层，厚度为5～25μm，所用靶材为ZnO，纯度为99.99％，真空磁控溅射的参数为功率80～120W，真空度为3×10-3～10×10-3Pa，靶基距为3～10cm；然后在ZnO膜层表面沉积一层5～15μm的碳化硅(Si3N4)防护层，靶材为99.99％碳化硅，功率80～120W，真空度为3×10-3～10×10-3Pa，靶基距为3～10cm；最后在最外层沉积一层厚度为2～5μm的钛(Ti)电极化层，靶材为99.99％钛，功率80～120W，真空度为3×10-3～10×10-3Pa，靶基距为3～10cm。
将该螺纹紧固件2在扭拉实验机上模拟实际装配。施加80N.m的扭矩，扭拉实验机上读取的预紧力数据为39.89kN。而采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为40.4kN，二者相差1％，满足实际使用需求。
同时，检测该螺纹紧固件2的破坏拉力、破坏剪力，结果如下表1所示。从表1中可以看出，凹槽4的存在并未影响螺纹紧固件2的机械性能。
表1有无凹槽的螺纹紧固件机械性能对比表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：包括螺纹紧固件(2)，螺纹紧固件(2)的尾部(3)或头部(1)向下开有凹槽(4)，凹槽(4)底面从下至上依次固定有压电膜层(7)、防护层(6)、电极化层(5)。
2.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述压电膜层(7)、防护层(6)、电极化层(5)均为真空磁射镀膜层。
3.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述压电膜层(7)的厚度为5-25μm，所述防护层(6)的厚度为5-15μm，所述电极化层(5)的厚度为2-5μm，所处凹槽(4)的厚度为0.2mm～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述压电膜层(7)为具有晶体002方向择优取向的氧化锌层，压电膜层(7)的电阻不小于200MΩ，所述防护层(6)为碳化硅层，所述电极化层(5)为钛层。
5.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述凹槽(4)的中心线与所述螺纹紧固件(2)的中心轴重合，所述凹槽(4)的中心线相对于所述螺纹紧固件(2)光杆轴线的同轴度不大于0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述凹槽(4)的直径不大于所述尾部(3)或头部(1)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述凹槽(4)底面的平面度小于0.03mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述凹槽(4)相对于螺纹紧固件(2)轴线的垂直度小于0.05mm。
9.根据权利要求1所述的一种具有凹槽结构的螺纹紧固件，其特征在于：所述凹槽(4)的粗糙度不大于5μm。
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