CN85109543A - 改进的高强度紧固件及紧固方法 - Google Patents

Abstract

包括一种两段式挤压型紧固件的紧固系统，此紧固件由销钉与卡环组成，其中之销钉具有(h/Du)×10²之比等于或小于4的浅闭纹，此种闭纹，有通常为椭圆周边之一部所确定的模拟流线型的根部，而卡环壁厚确定之材料体积足以填塞浅闭纹而约有16％余量，夹紧负荷约为销钉屈服强度的85～95％，销钉与卡环料之极限剪切强度约为1.8∶1至2.4∶1，浅闭纹与居中之肩部的宽度通常适应销钉与卡环间之上述剪切强度比。

Description

本发明涉及到两段式紧固件，尤其涉及到这样一类挤压型的紧固件，它们的疲劳强度与抗拉强度有了改进，同时保留有夹紧力或预加负荷的特征。

就总体而论，本发明是关于两段式挤压型之紧固件的，或者是关于美国专利3915053，2531048以及4472096中已阐明的那类锁紧螺栓。

在许多方面的工业应用中，采用了两段式套扣紧固件，并标明其具有特殊强度等级。例如，一种1/2-13UNC（统一标准粗牙螺纹）的8级螺栓乃是指这样的螺栓，用于标称值1/2英寸直径的孔口上，并具有每英寸13扣的粗螺纹。此种有标号的带螺纹的紧固件具有一种标准的螺丝形式，设计用来在紧固接合点处施加一最小的预选之拉伸负荷下，使其在通过此类螺栓横断面的拉伸方式中断裂。类似的，一种1/2-20的UNF（统一标准细牙螺纹）的8级螺栓，将具有每英寸20扣的细牙螺纹之标准构型，并将具有稍微不同的负荷与强度特征。按照同一方式，5级螺栓将具有比8级者较低的强度特征，而9级螺栓则具备较之为高的强度特征。一般说来，为了给紧固接合的工件提供尽可能高的夹紧负荷，应使带螺纹的紧固件扭转到此种螺栓得以屈服于拉力下的点。然而在许多种应用中，当不能接受此种屈服时，夹紧负荷的大小就必须显著地减降。不论是以上哪一种情形，由于螺栓受到施加之转矩引起的扭应力以及作用于其上的有效拉力，这二者综合之应力的影响，所能实现的夹紧负荷就会小于挤压型一类系统中，在无扭转条件下固定此紧固件时所能实现的夹紧负荷。除此，上述扭转型的紧固件自然还具有固有的摩擦问题，而这种摩擦同样有损于施加扭转时所能实现的夹紧负荷量。

不过，在本发明中，作出了一种两段式挤压型紧固件的设想，这种紧固件当构制成能提供一定的符合设计之拉力负荷时，相对于与之相当的加有扭转的螺纹件来说，就能显著地改进疲劳强度并保持预加负荷的特征。

本发明的此种紧固件包括有一销钉和一卡环，后者适合用来在此销钉上挤压出闭纹。销钉上的这类闭纹不同于以往的那种闭纹，很浅并构制成模拟流线型的螺纹根。这种浅纹和模拟的流线型有助于提高最终的疲劳寿命，大大地优于可比的螺纹式紧固件。同时，此卡环具有预定的壁厚，因而具有预定的体积，这就不仅能在挤压时为闭纹提供一过充填条件，同时还可保持夹紧力，此夹紧力的大小是在上述闭纹受拉力作用时，相当于该销钉的装设负荷与屈服强度的一个很高百分数。这样，应选择卡环的壁厚来提高所保持的夹紧力，同时提供足够的周向刚度，以抑止此卡环件反跳出销钉的浅闭纹。本发明的这种紧固件也将提供大大高于螺纹式的对应件所能达到的夹紧负荷，这是因为它不存在那种螺纹式系统所需施加的扭转（以及有效的摩擦）。

在本发明中，所设计的断裂负荷能够在有剪切力通过销钉闭纹的肩部或通过由挤压成的卡环所确定的肩部时，使之发生断裂。換言之，采用了相当高强度的销钉，此种销钉将不会在较低数量级的拉力负荷作用下，通过相啮合的纹槽而断裂。这样，对于一定的销钉，可利用的设计拉力负荷只需通过改变卡环的长度，因而改变了支撑着此拉力负荷的销钉肩与卡环肩二者的数目，而得以增加或降低其大小。这种有选择性的改变一直可进行到直到有了合适个数的啮合肩部，使得在拉力负荷下的破坏将作为通过销钉径向的受拉破坏。

在本发明的一种形式中，施加到销钉上的有效预加负荷略低于销钉闭纹中可能发生屈服时的负荷。此种卡环要比用来使适当个数的销肩与环肩得以啮合而需的长度还要长一些，而这种销肩与环肩是用来保持那种预加负荷的;此时，在设计拉力负荷下的断裂将是有通过此卡环肩和（或）销肩的切变存在。只须加大于此卡环的长度就能增加所啮合的肩数，结果是破坏将发生在有较高的拉力负荷沿径向伸展过此销钉闭纹上时。在以上任何一种情况下，最终将在紧固的接合处保持有高数量级的预加负荷。事实上，对于铁类材料的系统，此种保持的预负荷约将是上述销钉处于有张力作用在其闭纹上时，它的屈服强度的85%～95%。而对于前述的螺纹系统，就是在其不存在那种令人厌恶的高的安装应力与残余应力时，也不会直接地取得与上述大小之保留夹紧负荷相类似的百分率，这是由于在扭转此紧固件时所施加的扭曲应力以及其他因素的影响。

注意到，在考虑到高的预负荷水平同时，再结合那种沟深较相应之螺纹系统的沟槽为浅的闭纹优点时，本发明的紧固件在改进疲劳和残留应力所取得的成效就更其显著了。后面还将看到，当使此种闭纹取螺旋形而不取环形时，还能取得其他某些优点。这时，销钉的抗拉强度和疲劳寿命将能有所提高，这是因为螺旋形的结构可使闭纹有较大的径向尺寸;其结果获得了比采用环形结构时通过最小螺纹根直径所能获得的更大有效横截面积。

这样，本发明的紧固件将不仅具有能显著改进疲劳性质的特征，而且还能提供很高的夹紧负荷，大约相当于有关销钉的85%～95%。在本发明的一种形式中，此种紧固件能够通过闭纹提供承载量高达销钉之抗拉强度的拉力负荷，这种闭纹由于有浅沟槽的结构，可使其相对于销钉直径具有最大的强度。

对照附图，从后续的描述中就能逐渐理解本发明，其中：

图1是本发明之紧固件的纵视图，其中某些部分以截面形式给出，另一些部分则予以断开，此紧固件与具普通标称之总厚度的工件呈组合关系，图中还示明了在安装之前作用于此紧固件上的工具的一部分;

图2是一个与图1相类似的图，表明此紧固件业已固定就位的情形;

图3是一个与图2相类似的图，表明着固定一具有最大总厚度之工件的紧固件，并示明了处于啮合并安装就位时该工具的锻接砧;

图4是取自图3中圆圈4内的销钉之闭纹的一个放大的局部图;

图5是图4中一个闭纹的放大局部图;

图6是类似于图1-3中之紧固件的一个局部图，其中的闭纹为螺旋形，而此紧固件为一短柱形而不是那种拉伸形;

图7是一个曲线图，表明（h/Du）×10²相对于Ptu/（Du²×10⁴）的关系，计算的结果是根据通常的8级螺栓并根据与之相当的8级销钉，后者具有按照本发明方法加工出的闭纹，其中的符号n、Du与Ptu后面会逐一说明;

图8是一曲线图，比较了通常的8级螺栓以及与之相应的具有本发明中之闭纹的销钉，在拉力-拉力负荷下的疲劳寿命，其中标明的数据用来说明最大外加应力相对于应力循环的关系;

图9是图8中相同数据的曲线表示，但被在标绘这类曲线时，是把疲劳寿命视作为在拉力-拉力负荷下之外加负荷相对于负荷循环的函数，这里所涉及到的是8级螺栓以及与之相应的具有本发明闭纹的8级销钉。

现在观看图1与2，所示明的紧固件10包括一销钉件12和一管形卡环14。销钉件12具有一细长的杆身15，它延伸过固定在一起分属于一对工件18与20的准直孔16与17。在杆身15的一端有一个大的凸头部22，与工件18的一侧相贴合。邻接此头部22，此杆身15有一个笔直的部分24，适合纳入准直的孔16与17中，略留空隙。在直杆部24之后则是一批按圆周展旋的环形闭纹26。使此种闭纹26与直杆部24作平滑连接的是一个过渡部28。

位于此种闭纹26邻近的是一条险沟40，它确定了杆身15上的最弱部分。在险沟40与一批牵引沟槽44之间是一锋后导缘42。相对于直杆部24与闭纹26，锋后导缘24的直径减小到与牵引沟槽44相同。此种牵引沟槽44适合为一工具48夹紧住，而后者是用来固定此紧固件10的。工具48可按本项工艺中周知的方式取通常的结构，因而为简明起见只显示其一部分。简单地说，工具48上有一批爪子50，用来把销钉12夹定于牵引沟槽44上。这批爪子50设置在一管状卡环组合件52内，后者以可滑动的方式支承在一砧腔54内，砧腔的一端终止于一锻接砧部分56。

杆身15上方有一对称形式的管状卡环14，与工件18、20牵引到一起，同某些个闭纹26在径向上准直。注意到工件18与20具有一个确定此紧固件10标称上的夹具之联合厚度。不过，该紧固件10可以用在一预定夹定范围内的从具有最小至最大总厚度的各种工件。对于紧固件10的最小总厚度，在图1中由线道21示明;这里的卡环14是与位右直杆部24最近处的闭纹26准直，并被挤压于其中。随着工具48的起动，就在销钉与卡环14之间作用有一相对的轴向力，迫使卡环14挤陷入销钉12的闭纹26内。当挤陷动作结束后，此杆身15如图2所示，将在险沟40处被分离断开。随后，当进一步起动工具48时，一卡环推出件58将向前将此陷压进去的卡环14推出砧子，这样便完成了安装工作。

图3表明此紧固件10安装在最大夹定状态时的情形，以工件18a与20a确定出紧固件10的最大的总工件厚度。要注意到，在此最大夹定状态下，卡环14是被挤陷在闭纹26中最临近险沟40的那些槽纹中。

如图4与5所能最清楚看明白的，闭纹26具有很浅的结构，并且是极其近似于流线型的螺纹根的结构。流线型的轮廓在两个不同的直径之间准备好了一个过渡段，使得基本上不会有应力集中或一个等于1的有效应力集中系数。由环状肩60所分开的闭纹26可以看作是由螺纹根部62所界定的，这些闭纹一端同前引的过渡段64而在另一端同尾随的过渡段66相连。为了使之尽可能近似流线型，此螺纹根部一般取椭圆形，普遍由以下关系式确定：

(x²)/(Da²) + (y²)/(Db²) =1

式中的（x，y）为根部曲面上的一个点之坐标。实际上，这样的椭圆形模拟着两条流线型轮廓，一条起自过渡段64而另一条起自过渡段66。

除以上所述外，闭纹26还由以下参数确定：

1.P：相继两闭纹26间的螺距;

2.P/X：环状肩60的宽度，其中的X被选定用来在卡环14之材料与销钉12的材料二者的极限剪切强度间，提供相称的强度，使之在拉力负荷下，通过销钉肩60或挤压的卡环所成之肩中的任一个，有可能在有效的剪切平面内发生剪切破坏;

3.h：闭纹26的深度（或者是带螺纹的销钉的螺纹深度）;

4.Dr：闭纹26（或者是带螺纹的销钉）的有效螺纹根直径，通过此种根部来施加拉力负荷;

5.Du：销钉肩60的最大直径（或是由带螺纹之销钉的螺纹牙顶所界定的直径）;

6.Da：确定根部62之椭圆根轮廓的椭圆之主轴长度;

7.Db：确定根部62之椭圆根轮廓的椭圆之副轴长度;

8.Db/2：上述副轴长度之半，或是沿副轴Db从根部62直至主轴Da的距离;

9.L：在前引过渡段64与尾随过渡段66之相应切线段之间的轴向距离，以此椭圆部分确定根部62;

10.W：沿副轴Db，从根部62至轴向长度L所确定的轴线之径向距离。

在本发明的一种形式中，前引过渡段64使之与横切销钉12之轴线的一平面成40°角，而尾随过渡段66则使之构成-20°的较陡的角。前引部分64的这一角度有利于卡环14的材料在挤压过程中的流动，而角度较陡的尾随部分66则能起到支撑的效应，以容纳经挤压的卡环材料。这种支撑效应应当卡环14于挤压过程中伸长时，有助于夹定工件18a与20a。上述过渡部分64与66沿切线方向截断椭圆式的根部62，在轮廓上提供了一种平滑的过渡形式。这种椭圆形的根部62具有的轴线长度L，小于主轴长度Da;而具有的径向宽度W则小于副轴的大小Db/2。根部62将总是具有分别不大于主轴Da和副轴Db的长度L与宽度W。但是，为了保证能以基本上是直的过渡段64和66来实现平滑的过渡，对于上述的倾角，通常希望此宽度W不小于副轴的尺寸Db/2的约80%，或40%的Db。

从图1-3中的紧固件结构，业已发现，每一闭纹的深度都可加以选择，使得深度h对于销钉12的最大直径比具有所希望的最小值。在这一方面，确定闭纹深度h的主要原则是，事实上它的深度要足以接纳和保持卡环14在挤压后的材料。最好使闭纹深度h约为0.04×Du或较小。采用这样浅的闭纹，对于具有一给定的最大直径Du的销钉，将使根部直径Dr最大化。这样可使一定材料的销钉12几乎能达到最大的有效抗拉强度，其原因在于拉伸断裂将发生在根部直径Dr上，而在它最大化后，则仅仅略小于最大直径Du。此最大化了的根部直径Dr还将提高疲劳寿命。这样，对于一定直径的销钉，本发明将使之比起与它相对应的螺纹件有着更高的抗拉强度与疲劳寿命。同时，由于闭纹26很浅，就可以在根部62采用模拟的流线型或椭圆型，而这将显著地减小应力集中系数Kt。此外，与通常的螺纹式紧固件相比，将可提高疲劳寿命。

从图1的曲线中，可以非常清楚的看到抗拉强度的改进。图7的图像表明了，与带螺纹的紧固件相比，具有浅闭纹26的销钉12之抗拉特征远为优越。这样，图7中‘y’轴的关系式为：

Ptu（Du²×10⁴），

式中：

Ptu为销钉通过闭纹26在负荷（磅）下的极限抗拉强度，要是对于带螺纹的销钉，则是通过带螺纹部分的极限抗拉强度了。

而‘X’轴的关系式为：

（h/Du）×10²。

在图7的曲线图中，8级螺栓以及与之相当的8级销钉12假定具有相同的抗拉强度，即同为160千磅/平方英寸。这一相当的8级销钉12具有与通常之8级螺栓相类似的总包络，这样，不论以上任何一种情形，在同一的工件孔中大体上可按相同的配合度互換。从图7可以看到，浅闭纹的销钉12在抗拉方面要大大优于与之相对应的螺纹件。图7中的结果是根据计算求得的，此时已知销钉及与之比较的螺栓二者的几何结构。例如，对于具有浅闭纹26之销钉，设其具有之最大直径Du为5/16英寸、3/8英寸和1/2英寸;这些销钉所具的闭纹深度n确定的扩展比h/Du约为3.2～3.5，而对应的Ptu之扩展比约为10.8～11。图7中，将抗拉强度为160千磅/平方英寸的销钉或螺栓之基本曲线绘出作为标准，数据点则为随机选定的。

图7中标绘出的曲线所反应的结果是关于这样的统一标准粗牙螺纹（UNC）的8级螺栓的，最大直径Du和每英寸的螺纹数为：5/16-18，3/8-16，1/2-13，5/8-11，3/4-10，7/8-9以及1-8。此曲线也绘制出了如下的统一标准细牙螺纹（UNF）的8级螺栓之结果，它们的最大直径Du和每英寸的螺纹数为3/8-24，1/2-20，5/8-18，3/4-16，7/8-14以及1-12。上述这些螺栓的螺纹深度h所确定之扩展比h/Du，对于粗（UNC）螺纹的螺栓在7.3至约10.2之间;而对于细（UNF）螺纹的螺栓在4.8至10.2之间。不过，以上这些结果应该在可比尺寸的销钉与螺栓之间，例如在销钉12和直径相同的螺栓之间，进行比较而后加以分析。例如最大直径Du为3/8英寸的销钉12具有的抗拉强度特征数〔Ptu/（Du²×10⁴）〕为11，而3/8英寸的UNF对应件的为9.7，UNC对应件的仅为8.5。类似的，最大直径为1/2英寸的销钉12具有的抗拉强度特征数为11，而1/2英寸UNF对应件的为10，UNC对应件的仅约为8.8。同样，最大直径Du为5/16英寸的销钉12具有的抗拉强度特征数为10.9，而5/16英寸UNF对应件的为9.2，UNC对应件的仅为8.2。这样，带浅闭纹26之挤压型销钉12，当具有的扩展比〔（h/Du）×10²〕约为4或较小时，就能比相当的螺纹式紧固件显著地改进了抗拉强度特征（即具有高于10.6的Ptu的扩展比）。而在疲劳寿命方面的改进，至少是与抗拉强度同样见效。

在图8与9的曲线中，可以看到带有浅闭纹之销钉12以及与之相应的螺栓在疲劳特征方面的比较。图8所表示的疲劳寿命之比较，是对于8级型具有最大直径Du为3/8英寸的紧固件（即带有浅闭纹26之相当的8级销钉）与标准的8级螺栓而作的，后者包括3/8-24UNF与3/8-16UNC。所进行的试验为拉力-拉力疲劳试验。数据点中的每一个都表示的是三个试验样品的平均数。销钉与螺栓两者的样品在8级范围内所具之硬度为35洛氏硬度C，而8级范围所对应的硬度值为33～约39洛氏硬度C。这些试验是在“未夹紧”的条件下进行的，即上述销钉与螺栓都是在没有夹紧负荷或预负荷之情况下;外加的负荷是在所选择的最大负荷或应力至这一选定之负荷或应力的10%之间循环;后者在曲线图上以符号R＝0.1指明。这样，此种曲线消除了增大销钉（2之闭纹26中的抗拉强度的因素，这是由于此类闭纹的根部直径Dr大于可比的螺纹式紧固件之螺纹根直径所致。于是，这些数据实质上比较了不同螺纹槽结构的紧固件。有关的此类数据也是以两种不同的方式标绘于图8和9中的。在图8中，所选择的外加负荷，在销钉12的闭纹26中以及在UNF与UNC8级螺栓的螺纹中，提供了等价的应力。图8中的数据表明，以等同的应力作用于每一测试样品时，销钉12的浅闭纹26，由于模拟流线型的椭圆根部以及由于较低的应力集中系数，显示出很长的疲劳寿命。

图8是在外加的真实拉力负荷下的疲劳寿命之比较。这些数据反映出，由于浅闭纹26具有较大的根部直径Dr，使抗拉强度提高了。除此，销钉12的此种浅闭纹结构也表现出使疲劳寿命获得显著的提高。

对于销钉12一类的销钉所作的疲劳试验导致在浅闭纹26中之一的中心处发生破坏，也就是说，一般是沿着副轴Db上，这就说明模拟的流线式轮廓在闭纹26中，对于降低应力集中系数Kt和提供良好的应力分布是有效的。

对于浅纹结构，要求配置这样的卡环14，它的体积能使得在其挤压入闭纹26时，能具有超过为填塞此闭纹26所需要的过量体积。

在本发明的一个具体实施例中，所选择的卡环14之体积能提供‘过包封’的材料，也就是使卡环14之体积为充填闭纹26提供的材料要相当的大于陷型的包络中通常所能承受的，而这一包络则是由砧子56的型腔之导槽36以及销钉12的正对部分所决定的（参看图1）。在本系统中，对于8级型的紧固件，业已发现最好使卡环体积提供的材料超过至少约16%。对于浅的闭纹26，卡环的体积超过上面指出的16%是不符合要求的，这是因为此时沿径向朝内运动的卡环材料量不会大到以前的具较深结构之闭纹的情形。上述的‘过充填’或‘过包封’之材料的百分率，对于导槽36的有效陷型部分一有限长度（参看图1）。可以由以下关系式确定：

100× (〔(DC²-ID²)-(Da²-Dm²)〕dl)/(〔Da²-Dm²〕dl) ＝过充填的材料量%

式中：

Da为砧子56之导槽36的直径;

Dc为卡环14在挤陷前的外径;

ID为卡环14在挤陷前的内径;

Dm为闭环26的平均直径;

dl则视作为导槽36挤陷部分内的有限长度。

由于闭环26的浅近性，要求销钉12比起卡环14的硬度要能硬到足以抵抗由于高的压缩挤陷负荷，而造成受拉时的断装或实质上的屈服，或者拉长变细。例如，在本发明的一种形式中，对于8级型的紧固件，销钉12可以由AISI（美国钢铁学会）4140合金钢或AISI1541碳钢制成，它们的极限剪切强度至少约为95千磅/平方英寸。卡环14则可由极限剪切强度至少约为45千磅/平方英寸的AISI    1035碳钢制成。一般而论，最好采用这样的销钉，它的极限剪切强度相对于卡环14之极限剪切强度的比值，是在约1.8∶1至约2.4∶1的范围内。这样，销钉12所具的硬度就足以承受很高的拉力预负荷以及卡环上的挤压负荷，而基本上不产生屈服。还应注意到，从制造的观点考虑，此种浅的闭纹26要比从前的较深之闭纹容易成型，事实上能在销钉已淬火后来成形。

不过，为了实现高的夹紧负荷，卡环14必须具备足够的壁厚，因而有足够大的体积，用以保证有充足的材料将延轴向运动而展延。同时，还希望此受挤陷的卡环能有足够的壁厚因而能有足够的强度，以抑制由浅闭纹26的任何显著的回跳现象。此卡环的壁部也还应有足以抵抗在拉力负荷下发生显著的径向膨胀之厚度，使得此销钉肩部60和卡环肩部，能在接合处达到设计的拉力负荷时，可基本上保持全面的啮合。要是卡环的壁不能提供足够的劲向刚度，则此卡环14可能在拉力负荷下沿径向膨胀，使承载此负荷的有效剪切平面减小。其结果有可能使当有剪切力作用在销钉肩60或卡环肩部二者的触点时，过早地发生破坏。前面所谈到过的那种合乎要求的剪切破坏，是在由完全啮合所定义的有效剪切平面中，并将发生在较高的拉力负荷下。在此种情形，所要求的卡环14的壁厚将作为其直径DC的函数而增大。这样，最终挤压出的卡环壁厚至少必须经受最低的设计拉力负荷，以使剪切时的破坏通常只通过销钉肩与卡环肩之间的最大有效剪切平面，或在闭纹受拉时才发生。自然，要是卡环的壁太厚就会妨碍挤陷并要求过量的安装负荷。

这样，要选择卡环的壁厚来提供必须的材料量，以促进挤陷入浅闭纹26内同时在延伸中流动，而提供所需的夹紧负荷。于此同时，最终挤陷时的壁厚也还应选择来提供足够的径向刚度或周向强度，以抵抗在初始的挤压而且在继后的拉力负荷作用下，发生从闭纹26的显著径向回跳。此外，所选择的卡环14的体积与陷型腔36，要使卡环14的材料能流入闭纹26以保证良好的充填。按照以上尺寸和一砧子的导槽部分来提供约16%的过充填材料时，获得了满意的结果。此时，要是过充填的材料量显著地低于16%，就不会提供所需要之高的预负荷值;而当过充填的材料量显著地高于16%时，则会导致过量的安装负荷而有可能使销钉屈服。对于相对剪切强度如前述之铁类材料的销钉12和卡环14，已发现下述的尺寸关系是令人满意的。

	销钉最大直径	纹槽深度	挤陷前的卡环外径	挤陷前的卡环内径	砧子导槽内径	销钉闭纹的平均直径
							名义直径	Du	h	Dc	ID	Da	Dm
1/2	0.500	0.155	0.810	0.522	0.753	0.486
							5/8	0.625	0.200	1.009	0.648	0.939	0.605
3/4	0.750	0.0245	1.213	0.783	1.125	0.725

同时也希望，销钉之沟纹26与销钉肩60以及挤陷的卡环之相辅沟纹与肩部，它们的宽度能相对于销钉12与卡环14之材料的相应剪强强度成比例，使得由销钉12之销钉闭纹26所确定之肩部以及由挤陷的环14之联锁纹所确定之肩部，此二者在剪切时或者高于工件18与20之最低的预选极限设计拉力负荷时，处于开始破坏或同时破坏的过程。最好设计成使由卡环14之沟纹所界定的肩部先于锁钉闭纹26所确定之肩部被破坏，也就是销钉12之肩部，应在卡环14之肩部将破坏时的拉力负荷之约110%的量级下被破坏。将这些纹槽配置如上，销钉与卡环的啮合长度在一定的拉力负荷下可以最小化。

闭纹26之结构的显著优点之一是可大大减小应力集中系数。这一优点是通过浅的沟槽深度和增大的沟槽宽度，来在销钉12与卡环14之间提供相称的剪切强度之综合效应而实现的。采用相称的此种强度可使销钉闭纹26能相对于肩部60延展，而借此可以更有效的采用近似流线型的根部形式。于此同时，浅的纹槽结构可使根部62与相连接的侧壁64与66之间能有平滑的过渡。虽然采用椭圆形的轮廓将可充分地近似所需要的流线型，然而也可采用其他类似的连续曲线。

就如上结构的紧固件10而论，对于铁类材料，工件18与20在安装后所保持的预负荷，最好是在外加的安装负荷之约85%至约95%之间，而所说的此种外加安装负荷应近似于销钉12之屈服点。上述的安装负荷是在通过险沟40处的销钉断裂而固定此种紧固件时所施加的最大负荷。应该注意到，对于铁类材料而言，销钉12的屈服点将是紧固件接合处最小之设计极限负荷的约80%。

这样，对于本发明的紧固件10，可以在所紧固的接合处施加所需高量级之保留预负荷。这样的高量级之预负荷是不能由螺栓式的紧固件来直接实现的，因为此类螺纹式的销钉或螺栓在安装时受到扭曲负荷与拉力负荷二者的影响。这一总的联合应力限制了能施加的拉伸夹定负荷的大小。

除以上所述外，销钉12可以提供较高的夹紧力或预负荷，而基本上不会使残余应力高于所对应的螺纹件之残余应力。同那种对应的螺纹件相比，由于有了类似于流线型的纹槽62，而显著地减少了应力集中。所有上述的一切，将可使紧固件10相对于螺纹式的对应件而言，改进了应力腐蚀性质。

图1-3的实施例示明了拉伸型的紧固件;不过，本发明的特征也适用于图6所示的短柱形紧固件。在描述图6的实施例时，与图1-3中相同部件类似的部件由相同的数号给定，只是另加有文字附标“b”。

下面考察图6，所示的紧固件10b包括一销钉件12b和一管状卡环14b。销钉件12b有一细长的杆身15b，延伸过一对安放在一起的工件18b和20b相应的准直孔16b与17b。杆身15b的一端有一个大型的埋入式平头22b，它与工件18b的一侧贴合。在平头22b的相邻处，杆身15b有一笔直的部分24b，适合以很小的余隙纳入内孔16b与17b中。继此直部24b之后有一批按圆周取向展延的螺旋式的闭纹26b。连接此闭纹26b与直杆部分24b的是一过渡段28b。应该注意到，图1-3中的闭纹26一般呈环形，而图6的闭纹则为螺旋形从而提供了某些待讨论的优点。

紧固件10b适合为一工具组48b所固定，后者一般可按本项工艺中所熟知的方式构造，因而为简单起见只在图中作部分地示明。简单地说，此工具48b包括一砧子腔体54b，后者在其一端终止于一锻接砧部分56b和一顶撞件49。

杆身15b上方有对称形的管状卡环14b，它与在一起运动的工件18b与20b同某些个闭环26b在径向上准直。起动工具48b，锻接砧部分56b对向卡环14b运动，以顶撞件49抵抗着在此处外加的轴向力;合成的推力促使工件18b与20b压向一起。随着这一相对力的增大，上述锻接砧的柱塞将运动到卡环14b的上方，而使卡环14b挤陷入销钉12b的闭纹26b之中。继后，再一次起动工具48b，此砧子部分56b将从已挤陷的卡环14b上退出。

应该注意到在图6的短柱形变体中，砧子部分56b将会为卡环14b进入闭纹26中提供与前述相同的过充填料，得以在紧固的接合处导致很高的合乎需要之保留预负荷，即为销钉12b之屈服点的85%～95%。

在浅闭纹26与传统的UNF以及UNC8级螺纹之间进行比较时，环形纹26的有效根部直径Dr仅仅是同一纹槽径向相对之两侧间的径向距离。不过，8级螺纹式紧固件的有效根部直径Dr乃是从螺纹牙根至径向相对的螺纹牙顶的距离。要是Dr的螺纹尺寸也是从牙根至牙根，这就确定出一个要比所能获得的更大的有效面积。但是，闭纹26的浅槽结构还能使有效的直径全面地高于螺纹式的对应件，并在同时给出了模拟流线型根部轮廓的优点。然而，图6中之实施例在采用浅近牙根的同时不具有螺旋式的纹槽，使得在最深的一些点处，一条纹槽将从径向上对峙到并非如此之深的一个点;这样，有效直径Dr因而有效的面积将会略大一些，使得其与螺纹式的8级对应件相比，在抗拉强度与疲劳寿命方面甚至会有进一步的改进。

要注意到传统的8级螺栓所要求的最低极限抗拉强度为150千磅/平方英寸，而最低的极限屈服强度为130千磅/平方英寸。

因此，本发明的结构能提供一种在拉伸与疲劳特征上，都较与之相对应的螺纹件有了改进的紧回件。同时，此种结构将能在紧固的接合处提供很高量级的保留预负荷。虽则示明的是一种对称形的管状卡环，但完全可以采用带凸缘底座的卡环;类似地，在销钉12上也可采用带凸缘的头部。

Claims (13)

1、一种两段式的紧固件，包括一销钉件以及一适于挤陷入此销钉上，以便与一批工件固定在一起的管状卡环，上述紧固件能相对于它的屈服强度，在此种工件上提供所需大小的保留预负荷，使得形成的紧固接合处具有一预选最低值的极限设计抗拉强度，此紧固件包含着的销钉具有一细长的杆身，位于前述工件的准直孔中并在其一端终结于一大的平直头部；而在其相对的一侧则终止于由一批沿周向展延的销钉槽纹组式的有纹槽的部分，并同销钉的肩部相连，所说的管状卡环适合挤陷入这种销钉纹内，由此把工件固定在一起以确定出紧固的接合处，所形成的受挤压的卡环上面有纹槽和肩部，它们和销钉上的纹槽与肩部联锁在一起，销钉上的槽纹很浅，并具有由关系式：(h/Du)×10²按后述要求所确定的径向深度，式中的h即为径向深度，而Du是由此销钉眉以及深度h所确定，但此深度h相对于该肩部直径选择得很浅，以使按上述关系式计算的结果约小于或等于4，上述销钉件与卡环是由具有不同大小的极限剪切强度之不等材料构成，销钉件与卡环件二者的剪切强度之比应使此销钉件在挤压过程中能在实质上避免破坏，而销钉件对卡环这二者的极限剪切强度之比是在约1.8∶1至约2.4∶1的范围内，销钉纹与肩部以及卡环的纹与肩部，它们的宽度应按照上述之不等材料的相对剪切强度预先选定，借此使在挤陷中形成的销钉肩与卡环肩，通常在有与上相同的拉力负荷作于销钉件与卡环之间时，适合为剪切力所破坏。

2、符合权利要求1之规定的一种紧固件，其中销钉上的槽纹要比销钉肩宽得多，且此销钉纹具有一种模拟流线型的根部轮廓。

3、符合权利要求2之规定的一种紧固件，其中模拟流线型的根部轮廓是由一连续曲线所界定。

4、符合权利要求2或3之规定的一种紧固件，其中之模拟流线型的根部轮廓通常是由椭圆周的一部分所界定，而这一椭圆周的一部分是不大于椭圆沿其副轴的一半，同时又不小于它的约40%。

5、符合权利要求4中所规定的一种紧固件，其中的椭圆周部分不小于椭圆沿其副轴的约80%。

6、符合前述任何一项权利要求之规定的一种紧固件，其中述及的卡环适合在挤入销钉中之纹槽时在工件上保持一余留的预负荷，而此销钉则适合在挤压之后于工件上保持余留的预负荷，其大小约为销钉纹槽屈服强度的85%至95%，销钉件所具的强度足以提供所说大小的预负荷，使之基本上不会因安装负荷的拉伸作用而屈服，也不会由压缩的挤陷负荷而变细，谈到的卡环经挤陷后的最终壁厚，足能抑制所形成的卡环肩随着所述之最小极限设计拉力负荷作用于紧固接合处，而从销钉之纹槽出逸出，此种最小极限设计拉力负荷乃是此紧固件行将破坏时的最小拉力负荷，而提及的卡环之长度足能提供预定个数所形成的卡环肩，以与相应个数销钉肩啮合而获致联合的极限剪切强度，借此使卡环和（或）销钉在有切变通过卡环肩和（或）销钉肩时，首先断裂;或者此销钉件当随着有拉力负荷等于或大于前述之最小极限设计拉力负荷，而有拉力通过此闭锁的销钉纹槽时，将首先被破坏。

7、符合权利要求6中之规定的一种紧固件，其中之销钉件的屈服强度约为此紧固件接合处的极限设计抗拉强度的80%。

8、符合上述任何一项权利要求之规定的一种紧固件，其中述及的销钉件与卡环是由铁类材料制成，而销钉件与卡环一般具备下述关系：

销钉最大直径 纹槽深度 挤陷前的卡环外径 挤陷前的卡环内径 砧子导槽内径 销钉闭纹的平均直径 名义直径 Du h Dc ID Da Dm 1/2 0.500 0.155 0.810 0.522 0.753 0.486 5/8 0.625 0.200 1.009 0.648 0.939 0.605 3/4 0.750 0.0245 1.213 0.783 1.125 0.725

9、符合上述任何一项权利要求之规定的一种紧固件，其中的销钉是由极限剪切强度至少约为95千磅/平方英寸的铁类材料制成。

10、符合权利要求9中规定的一种紧固件，其中的销钉具有至少约为150千磅/平方英寸的最小极限抗拉强度。

11、符合权利要求9或10中规定的一种紧固件，其中的卡环具有至少约为45千磅/平方英寸的极限剪切强度。

12、采用按照以上任何一项权利要求制得的紧固件，将一批工件固定在一起的一种方法，包括将销钉之杆身通过这批工件的相应准直孔插入，并将管形卡环挤陷入销钉的槽纹内。

13、符合权利要求12之规定的一种方法，其中的卡环是通过一个具有有效的导槽挤压部之锻接砧挤入销钉的槽纹中，此卡环具有预定体积的材料，此材料量一般至少大于按下述方式限定的有效体积，即由上述的有效导槽挤压部以及卡环所挤陷入的销钉槽纹内的相接部所界定的体积之16%。

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