CN110725849A - 势井型双偏心防松螺母及生产工艺、使用方法 - Google Patents

Abstract

势井型双偏心防松螺母及生产工艺、使用方法；属于机械领域.构造分为凹柱面偏心螺母和凸柱面偏心螺母，在凹柱面偏心螺母的一端加工了内圆柱面，该内圆柱面的直径小于螺母外围的棱柱面的内切圆的直径，大于螺母的螺孔直径，该内圆柱面的轴线与螺母的螺纹轴线平行，当将螺母对的螺纹轴线对齐，且将凹偏心柱面、凸偏心柱面的2轴线与螺纹轴线共面且分布于螺纹轴线的同一侧时，将该位置状态定义为初始点；以当前这样的位置相对转动凸柱面偏心螺母与凹柱面偏心螺母，将只能产生偏心柱面之间的接触力；制造工艺采用了同步攻丝工艺，安装时采用了采用贴紧旋入法；可以广泛适用于各种对紧固安全性加高要求的领域中。

Description

势井型双偏心防松螺母及生产工艺、使用方法

[技术领域]

本发明属于机械技术领域，确切的讲是利用斜契原理的防松动螺栓及螺母。

[背景技术]

螺母、螺栓之间的防松往往是由弹簧垫、双叫紧螺母、顶丝及劈销钉等常规方式。但无外部器件的防松螺母是由Hard Lock创始人若林克彥自己设计研发的，第一个版本称为“U螺母”，使用板簧卡住螺丝钉螺纹的方法，让螺母保持牢固，不会松动。但是第一代产品有些小问题，就是装配在挖掘机和打桩机上的U螺母，因为震动太大而出现了松动的现象。若林克彥又设计了他的第二代产品，现在市面上都是第二代产品(即哈德洛克螺母)。

哈德洛克螺母防松动原理：首先这种螺母是成对配套使用的，分为凹状螺母和凸状螺母，安装时注意顺序，凸状螺母在下方先装，凸状螺母制造时采用的偏心锥面加工，凹状螺母在上方后装，凹状螺母是非偏心的锥面加工，当两个凸凹螺母拧在一起，凸状螺母偏心锥面的外侧与凹状螺母非偏心的锥面的局部实现紧配合，就像螺母中插入楔子一样，摩擦力矩极大，从而实现了防松动的效果。Hard Lock螺母成功后，市面上出现大量Hard Lock螺母仿造品。公司创始人若林克彦却在公司网站上发布了Hard Lock螺母的设计图纸，并仔细讲解了Hard Lock螺母的原理和制作过程。虽然模仿者很多，但成功者几乎没有，这就是技术的关键。原因在于发明这样结构的螺母不难，难的是需要在使用中不断地改进。从这家公司的设立到日本最大铁路公司的全面使用，公司创始人用了近 20年的时间。这20年中他们不断的技术改进，才使HardLock螺母成了世界上唯一绝不松动的螺母。

哈德洛克公司在其官网上特别注明：本公司常年积累的独特技术和诀窍，对不同尺寸和材质有不同的对应偏心量，这是Hard Lock螺母无法被模仿的关键所在。(写到这里想到前几天写的一篇文章，制造真空蒸镀机的日本Canon Tokki公司，也仅仅300人却垄断市场)。Hard Lock螺母不仅在日本，甚至在全世界得到广泛应用，Hard Lock螺母已被澳洲、英国、波兰、中国、韩国的铁路所采用，中国台湾新干线自从采用Hard Lock螺母也保持运行以来无人身事故的纪录。除铁路以外，日本的世界最长吊桥“明石海峡大桥”、世界最高的自立式电波塔“东京晴空塔”、美国的太空梭发射台、海洋钻探机等国內外许多国家和地区，都采用了Hard Lock螺母。

除了Hard Lock螺母，再介绍三款防松动的零件。

第一种是瑞典马尔默公司设计开发的—洛帝牢X系列防松垫圈，利用一个独特的多功能设计，以提供最高的安全性。新的夹芯复合材料技术，结合洛帝牢楔形效果解决方案(阻止自发松动)和一个特别的弹性效果(用于弥补因为松弛造成的预紧力损失)，可让连接元件可抵挡住自发螺栓松动和松弛，大大给予了额外的安全感。在铁轨上或铁轨附近，每当列车驶过就会引起抖动和振动。 Nord-Lock X-系列防松垫圈将楔形制锁原理及弹性效应相结合，可有效地防止沉降和松弛引起的松脱。

第二种是中国唐氏螺栓，它兼容两种不同旋向的螺母，把右旋螺母的退松力直接转变成左旋螺母的拧紧力，将两个相对的力转化为相助相融。唐氏螺纹紧固件在联接时，使用两只不同旋向的螺母：工作支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。使用时先将紧固螺母预紧，然后再将锁紧螺母预紧。在振动、冲击的情况下，紧固螺母会发生松动的趋势，由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧恰恰阻止了紧固螺母的松退，导致紧固螺母无法松动。

第三种是深圳自紧王科技研发的自紧螺母，它仅需一个螺母和一个垫圈就轻松解决所有问题(与洛帝牢X系列防松垫圈出于同一原理)，在用材、工艺、精密度要求上全无顾忌，高中低螺丝螺母皆能生产。中国自锁螺母原理：利用螺母和垫片之间的螺旋面吻合结构，实现了自紧力理论的运用，并以特定的抬升角，完全达到防松脱的作用，使其只能拧紧不能松脱，而要松开螺母必须拧转垫片才能实现。中国自紧螺母因端面设计成多截螺旋面支撑结构，不仅增加了联结副的稳定性，同时也彻底终止了螺母拧紧后应力大多集中在第一、二个齿牙上的传统紧固件的缺失，从而使应力均匀分布，不但大大提升了螺母和螺杆的承载力，而且也降低了内外螺纹的损伤程度。

已有的斜契工作原理也是本发明的背景技术部分:斜契原理的重要组成部分是斜面：斜面是简斜面单机械的一种，可用于克服垂直提升重力G的困难。利用斜面将物体提升到一定高度时，力的作用距离和力的大小都取决于斜面的倾角。物体与斜面间摩擦力f很小时，可达到很高的效率。

斜面设计：同一水平面成向上倾斜角度的平面。沿垂线向上举物体费力，若把物体放在斜面上，沿斜面往上推或拉就可以省力。设重量为W的物体放在升角为α的斜面AB上。当物体静止或做匀速直线运动时，若不考虑摩擦，则由静力学平衡条件可知重力W、沿斜面的拉力F和斜面的法向反力N构成一封闭力三角形F＝Wsinα。因F为输入力，W为输出力，所以斜面的机械益＝W/F＝1/sinα＝s/h。这就是斜面原理：输出力同输入力之比等于直角三角形ABC 中的斜边同一直角边之比。因s>h，所以斜面的机械效率小于1。盘山公路、物料运输机中的斜面传送带等就是斜面原理的具体应用。

斜面特点：斜面与平面的倾角越小，斜面较长，则省力，但费距离，机械效率低。斜面与平面的倾角越大，斜面较短，则费力，但省距离，机械效率高。以斜面装置拉动滑车至高处的施力，比直接吊起滑车至高处的施力要小，也就是说，斜面可以用较小的力将物体台至高处。斜面愈长或斜面高愈短即斜角愈小，则愈省力。斜面的应用:日常生活中有很多事物应用斜面的原理而达到省力的目的，如楼梯、蜿蜒而上的山路等。若将两个斜面结合在一起，则形成一种称为楔(或称为劈)的简易机器。楔在切割并分裂东西非常有用。刀、斧及人类门牙均为楔的例子。

通用螺母的成形工艺也是本发明的背景技术部分:已有的工艺流程为：作业流程：1、切断：由剪刀模与剪刀配合，将线材切成所需胚料。2、一冲：由前冲模、冲程模、后冲棒配合，将变形不平的切断坯料加以整形，并由后冲棒将坯料推出。3、二冲：翻转夹将坯料从一冲夹至二冲，更进一步将坯料整形，并加强第一冲的压平与饱角作用，之后由后冲棒将坯料推出。4、三冲：翻转夹将坯料从二冲夹至三冲，由前冲模、冲程模、后冲棒配合，再次将坯料进行挤压，以使下冲能完全成形，之后由后冲棒将坯料推出。5、四冲：翻转夹将坯料从三冲夹至四冲，由前冲模、冲程模、后冲棒配合，将螺帽完全成形，并且以控制铁屑的厚度来调整螺母的厚度，之后由后冲棒将坯料推出。6、五冲：翻转夹将坯料从四冲夹至五冲，由前冲模、脱料盘配合，将完全成型的坯料进行冲孔，并使冲断的铁屑进入打孔模下仁，而最终完成螺母的成型。螺母的头部标记也在此过程形成。7、攻牙：攻牙即是将已成型的螺母，利用丝攻攻丝，形成所需螺纹。螺母的生产流程：1、8级以下螺母a、盘元→酸洗→抽线→成型→攻牙→表面处理→包装b、热镀锌：盘元→酸洗→抽线→成型→热镀锌→攻牙→包装2、8级螺母盘元→退火→盘元→酸洗→抽线→成型→攻牙→表面处理→包装3、公制10、12级，英制五级以上螺母盘元→退火→盘元→酸洗→抽线→成型→攻牙→热处理→表面处理→包装。

[发明内容]

本发明的目的：巧妙的利用斜契工作原理，及金属材料的微量的变形缓冲来制造防松螺母对，来改进日本的Hard Lock偏心螺母；也利用同步攻丝工艺的简化螺母套件的生产成本。

本发明针对已有技术的不足：尤其是针对日本Hard Lock偏心螺母的缺陷进行改型，总体来看，日本Hard Lock偏心螺母堪称完美，可制造性、互换等都很好。但缺点在于：锥面形状的任何微小的尺寸偏差将带来摩擦锥面结合部位的面积及安装后的凸凹螺母对的靠近程度的较大差异，导致在同样的预紧力矩下的防松锁紧力矩的较大差异，这也就是为什么Hard Lock偏心螺母不易被仿制的原因之一！本发明在完善的继承日本的Hard Lock偏心螺母优点的基础上，大大放宽对加工精度的要求，将锥面接触改为柱面径向贴合，将单偏心更改为双偏心；所配合的接触面积不再随着加工精度的偏移而改变，所获得的防松脱力矩大大的增加了。

本发明是通过以下技术方案来实现上述目的:

本发明包括：双偏心柱面螺母对、制作螺母对的同步攻丝工艺及在使用螺母对过程的贴紧旋入法。

双偏心柱面螺母对特点：满足成对配套使用，分为凹柱面偏心螺母和凸柱面偏心螺母，在凹柱面偏心螺母的一端加工了内圆柱面，该内圆柱面的直径小于螺母外围(6面棱柱体)的棱柱面的内切圆的直径，大于螺母的螺孔直径，该内圆柱面的轴线与螺母的螺纹轴线平行，且2轴线的间距由小于螺母外围棱柱面的内切圆的半径的间距；在凸柱面偏心螺母的一端加工了外圆柱面，该外圆柱面的直径大于螺母的螺孔直径，小于螺母外围(6面棱柱体)的棱柱面的内切圆的直径，该外圆柱面的轴线与螺母的螺纹轴线平行，且2轴线的间距由小于螺母外围棱柱面的内切圆的半径的间距；为凹柱面偏心螺母的凹偏心柱面的直径大于凸柱面偏心螺母的凹偏心柱面的直径，前者容纳后者；凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母的螺纹要满足对位间隙关系：就是当将螺母对的螺纹轴线对齐，且将凹偏心柱面、凸偏心柱面的2轴线与螺纹轴线共面且分布于螺纹轴线的同一侧时，将该位置状态定义为初始点；在初始点状态下，凸偏心柱面插入凹偏心柱面的内空间且不发生相互触碰，且保留凸偏心柱面与凹偏心柱面各个端面之间大于 1/4螺距的(触底)轴向间隙，同时凸凹螺母对的各自螺纹线的延续将生成统一的重合螺纹线。而是否需要螺母的端面在锁紧时接触是一个选项，当在初始点状态下，保留凸偏心柱面与凹偏心柱面各个端面之间大于3/4螺距的(触底)轴向间隙时，旋转偏心螺母使得凹、凸柱面之间发生最大作用力时，端面还没有接触上；从数学角度：凸、凹柱面不一定需要理想圆柱面，允许截面略微偏离理想圆周形状的闭合曲线，只要满足偏心转动是的一定角度(180度)位置下的凸凹柱面之间发生最紧密触碰。

双偏心柱面螺母对的防松原理：是基于增加摩擦原理，当两个凸凹螺母拧在一起，凸状螺母偏心锥面的外侧与凹状螺母非偏心的锥面的局部实现紧配合，就像螺母中插入楔子一样，摩擦力矩极大，从而实现了防松动的效果。相对转动凸柱面偏心螺母与凹柱面偏心螺母将能产生2种接触力，1种是螺母的端面的接触力，另1种是偏心柱面之间的接触力，预紧力矩越大螺母对的相对转动的角度也越大，在由初始点转动向旋紧的方向相互转动，转到180度时达到了偏心柱面之间挤得最紧而达到了最大预紧力矩，转到大于180度后将逐渐下降，在转到270度左右会减为零，而端面之间的摩擦力会一直增加，甚至达到极限；当选择距初始点相互转动180—270度之间的位置状态为螺母对锁紧状态时，反向放松回退转动会增加偏心柱面之间的压力；而在继续正向锁紧螺母对情况下，端面之间的作用力急剧上升；因而螺母对在距初始点180—270度停留时，无论向那个方向的转动都会引起阻力矩的急剧增大，相当于处于物理学势井型当中，防松效果极其稳定(在力学随机振动中，螺母的松脱总是朝向力矩较小的方向松脱，因而在势井中，双偏心柱面螺母对干扰力矩将对产生恢复初始位置的力矩，做到真正的永不松脱)。

双偏心柱面螺母对的安装使用方法：采用贴紧旋入法：将双偏心柱面螺母对的对位到初始点的位置状态，同时旋入螺栓中并旋紧，然后对螺母对的后面的偏心柱面螺母施加力矩旋紧即可。

双偏心柱面螺母对的同步攻丝工艺：是在螺母的生产流程中将普通流程中的攻丝流程变为同步攻丝工艺：8级以下螺母生产流程：盘元→酸洗→抽线→成型→攻丝→表面处理→包装；8级螺母生产流程：盘元→退火→盘元→酸洗→抽线→成型→攻丝→表面处理→包装；公制10、12级生产流程：盘元→退火→盘元→酸洗→抽线→成型→攻丝→热处理→表面处理→包装；所谓同步攻丝工艺指的是：先将未攻丝的双偏心柱面螺母对的对位到初始点的位置状态：使用工装夹钳同时夹紧2个螺母保持初始点的位置状态下，使用丝锥进行同步攻丝，使得2个螺母有连续一贯的丝系统，在保持当前相对位置的前提下，螺母对能旋入螺杆中。

偏心柱面与螺母对的轴向接触面的规划：由于加工误差、材质偏离等因素，相对于初始点的位置的相同状态下，在没有缓冲设计下，螺母对的紧度将差异极大，一致性差而不利于工程使用；需要减少接触面的面积，造成接触区域材料的变形及材料屈服，缓冲差异。

偏心柱面触碰判据：凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母的直径差：小于凹柱面与凸柱面偏心距(凹柱面与凸柱面的中心轴与螺母螺纹的轴距)之和，而大于轴距之差。

本发明的有益效果在于:使得螺母对处于物理学势井型当中，具有更加牢固的防松动效果，且生产工艺简单，在稳定整体防松摩擦力矩的前提下，六角斜契螺母相对转动固定角度，停留在六角面互相对齐的状态，美观大方。

[附图说明]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1双偏心柱面螺母对的构造示意图。

图2双偏心柱面螺母对的初始点位置状态示意图。

图3双偏心柱面螺母对的锁紧状态示意图。

标号说明：

(1)螺母轴心

(2)凸柱面偏心螺母

(3)凹柱面偏心螺母

(4)凸柱面轴线

(5)凹柱面轴线

(6)螺母轴线

(7)共面平面

(8)接触点

(9)初始点间隙

(10)凸柱面偏心距

(11)凹柱面偏心距

(12)凸柱面

(13)凹柱面

(14)可接触端面

(15)螺纹

(16)凹坑底面

(17)六角棱柱面

[实施例证]

如图1所示：

与日本Hard Lock偏心螺母结构方面的不同点在于：上下凸、凹螺母都是偏心螺母：凸柱面偏心螺母(2)及凹柱面偏心螺母(3)的轴线分别为：凸柱面轴线(4)及凹柱面轴线(5)；共面平面(7)过2个轴线，表达出相对于螺母轴线(6)的偏向图示下方的凸柱面偏心距(10)及凹柱面偏心距(11)；凹坑底面 (16)及可接触端面(14)都是可以用来与凸柱面偏心螺母(2)接触的面。

螺纹(15)是用来旋入螺杆的，凸柱面(12)及凹柱面(13)是用来产生防松径向压力及摩擦力的。(17)为螺母的六角棱柱面。

参考图3可以看出：表达出相对于螺母轴线(6)的偏向图示下方的凸柱面偏心距(10)及凹柱面偏心距(11)；凹坑底面(16)及都是可以用来与凸柱面偏心螺母(2)接触端面。

如图2所示：

与日本Hard Lock偏心螺母在安装使用也存在本质的不同：使用时必须将凸柱面偏心螺母(2)及凹柱面偏心螺母(3)的螺纹轴线对齐，而凸柱面轴线 (4)及凹柱面轴线(5)相对摆放且与螺纹轴线共面，且凸柱面(12)的凸柱面轴线(4)及凹柱面轴线(5)在螺纹轴线的同一侧，3个轴线的共面平面为共面平面 (7)；凸偏心柱面插入凹偏心柱面的内空间轴向隙定义为初始点间隙(9)，且保留可接触端面(14)之间大于1/4螺距的间隙而未接触时的相对位置状态定义为初始点；当以当前这样的位置相对转动凸柱面偏心螺母与凹柱面偏心螺母，除了2 个螺母相互靠近外，在相互转动180度位置时凸凹柱面之间发生最紧密触碰，螺纹(15)是用来旋入螺杆的。

如图3所示：

偏心柱面触碰判据：凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母的直径差：小于凸柱面偏心距(10)与凹柱面偏心距(11)(凹柱面与凸柱面的中心轴与螺母螺纹的轴距)之和，而大于轴距之差。将凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母相互转动180度位置时凸凹柱面之间在接触点(8)发生最紧密触碰，凸柱面偏心螺母(2) 及凹柱面偏心螺母(3)的凸柱面轴线(4)及凹柱面轴线(5)；共面平面(7)过已经位于螺母轴线(6)的2侧了，凸柱面偏心距(10)及凹柱面偏心距(11)；凹坑底面(16)及可接触端面(14)都是可以用来与凸柱面偏心螺母(2)接触的面，可以选择初始点间隙大小控制其压紧程度。凸柱面(12)及凹柱面(13)是用来产生防松径向压力及摩擦力的。(17)为螺母的六角棱柱面。

本发明不局限于上述最佳实施方式：

任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。比如将斜契螺母的螺旋面局限在内环区域，外部可以加工有少许高度的围环状的凸墙，当螺旋面结合接触后，环状的凸墙可以遮挡螺旋面，美观大方。

Claims (3)

1.势井型双偏心防松螺母，结构包括偏心柱面螺母对，分为凹螺母和凸螺母；其特征就在于：螺母对2件都是偏心的，含凹柱面偏心螺母和凸柱面偏心螺母，在凹柱面偏心螺母的一端加工了内圆柱面，该内圆柱面的直径小于螺母外围的棱柱面的内切圆的直径，大于螺母的螺孔直径，该内圆柱面的轴线与螺母的螺纹轴线平行，且2轴线的间距由小于螺母外围棱柱面的内切圆的半径的间距；在凸柱面偏心螺母的一端加工了外圆柱面，该外圆柱面的直径大于螺母的螺孔直径，小于螺母外围的棱柱面的内切圆的直径，该外圆柱面的轴线与螺母的螺纹轴线平行，且2轴线的间距由小于螺母外围棱柱面的内切圆的半径的间距；尺寸匹配关系满足：凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母的直径差：小于凸柱面偏心距(10)与凹柱面偏心距(11)之和，而大于轴距之差；凹柱面偏心螺母与凸柱面偏心螺母的螺纹要满足初始点位置状态关系：就是当将螺母对的螺纹轴线对齐，且将凹偏心柱面、凸偏心柱面的2轴线与螺纹轴线共面且分布于螺纹轴线的同一侧时，同时凸凹螺母对的各自螺纹线的延续将生成统一的重合螺纹线，且保留可接触端面之间大于1/4螺距的间隙。

2.势井型双偏心防松螺母的制造工艺；包括以下流程：其中，8级以下螺母生产流程：盘元、酸洗、抽线、成型、攻丝、表面处理、包装；8级螺母生产流程：盘元、退火、盘元、酸洗、抽线、成型、攻丝、表面处理、包装；公制10、12级生产流程：盘元、退火、盘元、酸洗、抽线、成型、攻丝、热处理、表面处理、包装；其特征就在于，所述的攻丝工艺为：同步攻丝工艺指的是先将未攻丝的偏心柱面螺母对固定为初始点位置状态关系：使用丝锥进行同步攻丝，使得2个有连续一贯的丝系统，在保持当前相对位置的前提下，丝能旋入2部分的丝孔。

3.势井型双偏心防松螺母的安装方法；包括：螺母对旋入螺栓及靠紧预紧力矩，其特征就在于:安装时采用贴紧旋入法：就是预先将偏心柱面螺母对保持初始点位置状态关系，再同时将旋入螺丝杆中，并拧紧偏心柱面螺母对，然后抵住紧贴在物件上的前面的螺母，旋动后面的螺母90度到270度之间的角度，来靠紧预紧力矩。

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