美制螺纹标准手册

YESWIN螺纹教材 螺纹一般状况 : 螺纹提供紧固件使之能作负荷之转移. 1 何谓螺纹 : 所谓螺纹即为在一圆柱物体上作出突起之螺旋山状物,外螺纹适用于螺栓, 螺丝及螺桩, 内螺纹适用于螺帽及螺纹孔. 2 螺纹之组成 : 主要分为三部份螺峰, 螺谷及螺腹. 螺纹部顶端称之为螺峰, 螺纹部底端称为螺谷, 二者之间称为螺腹. 三者组成一V字型之构造. 螺峰与螺谷之直线距离为螺纹高H, 螺峰与螺峰之距离为螺距P, 在UN螺纹方面H = 0.866025 x P ( 假设状况螺峰与螺谷均为V字型尖锐端 ). 完全与不完全螺纹 : 螺纹同时具有螺峰及螺谷之完整形状时称为完全螺纹, 若螺谷或螺3 峰未完全成型则称为不完全螺纹. 螺距 : 螺距P即垂直于螺丝(帽) 轴螺纹上之任一点与邻近螺纹同一点之水平距离. 在UN4 螺纹系统中, 通常以每寸几个螺纹表示. 大径及小径 : 在外螺纹系统中, 螺峰之外径称为大径, 螺谷之外径称为小径. 内螺纹类5 则正好相反, 螺峰之内径为小径, 螺谷之外径为最大径. 螺腹 : 螺腹与轴部所成之角度称为螺腹角( Flank Angle ), 轴部双边角度相等者称为对称, 6 在UN螺纹系统中, 螺腹角通常为30度且对称, 故UN螺纹之角度均为60度. 7 有效径 : 理论上而言为垂直于轴而通过螺峰螺谷某点之径. 对标准螺纹而言, 此点正好位于中点. 但对非标准螺纹而言, 此点可能位于中点附近之任一点, 视实际制造状况而定. 8 裕度 : 螺纹配合之裕度意味外螺纹及内螺纹均以其最大上限制造且结合时之宽裕度. 对紧固件而言, 裕度通常由外螺纹提供, 这表示外螺纹之大径, 有效径, 小径均需比基本螺纹型为小. 而内螺纹之三径则等于基本螺纹型. 9 制造公差 : 公差之配合则视制造而定. 公差即上限与下限之差. 对外螺纹而言, 其公差为上限减去公差即为下限, 内螺纹则正好相反. 10 螺纹长及结合深度 : 紧固件结合时, 外螺纹部之完全螺纹部之轴距为其螺纹长, 旋进内螺纹之距离为其结合深度, 螺纹长及结合深度对其强度有深切之影响. 11 螺距 : 螺距一般以每寸几个螺纹表示, 常用有英制统一粗螺纹, 细螺纹及8-螺纹三种. 12 螺纹强度 : 螺纹支撑转移负荷之力量决定于四个强度. 抗拉强度应力面积为螺纹支撑抵抗拉力之面积. 抗剪应力面积为计算径剪断力之面积. 防松应力面积为内螺纹及外螺纹结合互相松脱时之强度应力面积. 螺纹选择 : 螺纹选择之三要素 : 螺纹型式, 螺纹数及等级. 1 螺纹型式 : IFI所承认之螺纹型式共有三种 : UN, UNR, UNJ. 它们全为60度螺纹, 不同之处仅在螺谷处. 1.1 UN 螺纹 : UN螺纹型为最早之设计, 外螺纹螺谷为平底或圆底均可. 1.2 UNR螺纹 : UNR与UN螺纹之不同点在于其螺谷半径限制在0.108到0.144倍螺距. 依目前要要, 1”以下规格螺纹均需使用UNR螺纹 . 1”以上之无法滚制螺纹而需切制时, 需UNR螺纹仍需声明, 否则应以UN 螺纹为主. UNK 螺纹 : UNK螺纹与UNR螺纹几乎完全相同, 具有相同之公差配合及螺谷半径公1.3 差, 其不同点就在于UNK 螺纹强制必需检查及保证螺谷半径必需符合公差限制, UNK螺纹成为六角孔承 窝螺丝及六角孔固定螺丝之标准. UNJ螺纹 : UNJ 螺纹为目前最适用之螺 纹型式, 因为其对疲劳应力之抵抗超过其它型1.4 式之螺纹. 这个答案就是UNJ 螺纹加大螺谷半径. 其螺谷半径为0.150到0.180倍之螺距. 螺纹配合: UN内螺纹紧固件通常配合UN及UNR外螺纹. 理论上而言, UN 内螺纹不能配合UNJ外螺纹, UNJ内螺纹可配合 UN, UNR及UNJ外螺纹, 但配合UN及UNR螺纹时必须小心行之. 1.1 螺谷半径之一些观念 : UN 螺纹不强制必需有螺谷半径, 其螺谷可以是平的, UNR之螺谷半径至少为0.105倍螺纹距, UNJ之螺谷半径至少 为0.150倍螺纹距, 很难相信这小小之差别会有多重要, 但它确实如此重要. 螺谷半径之加大会稍许增加螺纹静态之抗拉强度, 此为一个相当简单之几何原理, 当螺谷半径增加时, 螺谷径及抗拉强度面积亦会加大, 故其抗拉强度亦增加. 螺谷半径主要功能为增加疲劳应力抵抗能力. 对紧固件暴露于长期动态之产品寿命影响很大, 其动态应力之计算应包括所有之摇动, 震动, 撞击, 冲压等力量以至于应力之计算是如此困难, 但寻求更耐耗磨之产品之努力却不能停止, 直至改良其螺谷半径后, 此问题才告解决, 螺谷半径越大, 其抗疲劳度越佳. 螺纹数 : 螺纹数与螺距及直径有关, 英制统一螺纹之螺纹距表示为每寸几个螺纹, 英1.2 制统一螺纹共有11种规范, 但其中较重要者有三 : 粗螺纹( Coarse UNC ), 细螺纹( Finc UNF )及8螺纹( 8 UN ). UNC螺纹为惠勒氏( Whitworth )于19世纪中叶发展而出, 他选择该系螺纹之理由为当时之制造技术仅能提供类似之螺纹产品, 但时至今日, 随着制造技术之改良及精进, 已能制造出更精确之精制螺纹, 于是又加进UNF细螺纹一种以满足各项需求. 而8螺纹系统则不管其外径为何每寸之螺纹数均为8个. 1.3 螺纹等级配合 : 螺纹配合意味着结合时内螺纹及外螺纹之松紧程度. 英制统一螺纹外螺纹有1A, 2A, 3A三种, 内螺纹亦有1B, 2B, 3B三种等级. 这些级数使用来表示其配合程度, 级数越高, 配合之松紧度越紧. 另外尚有一种5级螺纹, 其内螺纹及外螺纹无配合公差, 当外螺纹旋入内螺纹时, 其相互咬紧而无空隙存在, 请参考ANSI/ASME B1.12 A-75页. 级数1A及1B : 级数1A及1B 是一种配合起来很松之螺纹. 适用于需快速装卸之紧固件. 1A及1B仅 适用于1/4” 以上之粗螺纹及细螺纹紧固件. 用于机械方面非常少, 事实上, 北美地区使用此级之紧固件比率还不到千分之一. 级数2A及2B : 级数2A及2B 之螺纹是目前使用最广之级数, 几乎90%以上之紧固件均使用本级 数, 对制造和经济性而言, 此为最适当之级数. 级数3A及3B : 级数3A及3B 之螺纹适用于需配合度良好之场合如六角承窝螺丝及内六角孔固定螺丝.航空用螺栓螺帽及其它高强度或高安全顾虑之紧固件. 螺纹配合之观念 : 螺纹之配合应注意公差应严而配合度应松. 同时更好之品质可得到较佳之使用效率. 在图1上显示出1/2“-13 UNC螺纹之各级数相关性. 1B 螺纹 2B 螺纹 3B 螺纹 内螺纹 .4597 .4565 195% 2A 螺纹 130% .4548 2A 螺纹 97.5% 2A 螺纹 基本有效径 .4500 30% 2A 螺纹之配合公差 75 % .4485 .4485 2A 螺纹 150% .4463 2A 螺纹 .4435 .4411 1A 螺纹 2A 螺纹 3A 螺纹 外螺纹 强度 : 螺纹配合之强度决定于足够的螺纹长结合深度及长度. 螺纹之抗拉强度与级数无关. 但级数越高, 防松能力越好. 表面处理: 相当多之紧固件作表面处理以防止锈蚀及增进表面光泽. 表面处理将增加成品之厚度. 表面处理之紧固件之适用性在稍后章节将花相当大的篇幅介绍. 足够让我们了解到2A螺纹之表面处理之适用性, 但3A螺纹因为没有配合公差, 所以表面处理时必需特别小心以免造成无法组合. 高温状况: 当紧固件长其暴露在高温( 通常在 500度F 以上 )时, 就必需加大配合公差以避免磨损情形发生. 表1 螺纹强度面积表 As Ar ASs Asn 尺寸 抗松应力面积 螺纹距 抗拉强度面积 抗剪应力面积 (平方寸/寸) 螺纹系列 平 方 寸 平 方 寸 外螺纹 内螺纹 2A 3A 2B 3B 0.00180 0.00151 0-80 UNF 0.0603 0.0748 0.106 0.116 0.00263 0.00218 1-64 UNC 0.0835 0.0913 0.133 0.144 0.00278 0.00237 1-72 UNF 0.0831 0.0922 0.130 0.142 0.00370 0.00310 2-56 UNC 0.101 0.109 0.162 0.174 0.00394 0.00339 2-64 UNF 0.101 0.109 0.156 0.170 0.00487 0.00406 3-48 UNC 0.118 0.127 0.191 0.204 0.00523 0.00451 3-56 UNF 0.118 0.130 0.186 0.201 0.00604 0.00496 4-40 UNC 0.138 0.147 0.221 0.235 0.00661 0.00566 4-48 UNF 0.140 0.151 0.216 0.232 0.00796 0.00672 5-40 UNC 0.161 0.172 0.248 0.263 0.00830 0.00716 5-44 UNF 0.162 0.173 0.246 0.262 0.00909 0.00745 6-32 UNC 0.180 0.189 0.281 0.296 0.01015 0.00874 6-40 UNF 0.182 0.197 0.274 0.292 0.0140 0.0120 8-32 UNC 0.226 0.239 0.334 0.353 0.0147 0.0128 8-36 UNF 0.227 0.244 0.331 0.350 0.0175 0.0145 10-24 UNC 0.263 0.277 0.401 0.420 0.0200 0.0175 10-32 UNF 0.275 0.289 0.389 0.411 0.0242 0.0206 12-24 UNC 0.312 0.327 0.458 0.478 0.0258 0.0226 12-28 -UNF 0.317 0.336 0.450 0.474 0.0318 0.0269 1/4-20 UNC 0.368 0.385 0.539 0.563 0.0364 0.0326 1/4-28 UNF 0.373 0.403 0.521 0.549 0.0524 0.0454 5/16-18 UNC 0.470 0.502 0.682 0.710 0.0580 0.0524 5/16-24 UNF 0.479 0.520 0.663 0.696 As Ar ASs Asn 尺寸 抗松应力面积 螺纹距 抗拉强度面积 抗剪应力面积 (平方寸 /寸) 螺纹系列 平 方 寸 平 方 寸 外螺纹 内螺纹 2A 3A 2B 3B 0.0775 0.0678 3/8-16 UNC 0.576 0.619 0.802 0.860 0.0878 0.0809 3/8-24 UNF 0.578 0.644 0.800 0.837 0.106 0.0933 7/16-14 UNC 0.677 0.734 0.981 1.01 0.119 0.109 7/16-20 UNF 0.685 0.761 0.908 0.991 0.142 0.126 1/2-13 UNC 0.779 0.854 1.12 1.16 0.160 0.149 1/2-13 UNF 0.799 0.887 1.08 1.13 0.182 0.162 9/16-12 UNC 0.893 0.974 1.27 1.32 0.203 0.189 9/16-18 UNF 0.901 1.02 1.23 1.29 0.226 0.202 5/8-11 UNC 0.998 1.09 1.42 1.47 0.256 0.240 5/8-18 UNF 0.998 1.13 1.37 1.43 0.334 0.302 3/4-10 UNC 1.21 1.34 1.72 1.78 0.373 0.351 3/4-16 UNF 1.23 1.38 1.66 1.73 0.462 0.419 7/8-9 UNC 1.43 1.58 2.03 2.09 0.509 0.480 7/8-14 UNF 1.44 1.63 1.96 2.03 0.606 0.551 1-8 UNC 1.66 1.82 2.33 2.40 0.663 0.625 1-12 UNF 1.66 1.87 2.77 2.35 0.680 0.646 1/14 UNS 1.67 1.89 2.23 2.33 0.763 0.693 1-1/8-7 UNC 1.88 2.04 2.65 2.72 0.790 0.728 1-1/8-8 UN 1.89 2.07 2.63 2.70 0.969 0.890 1-1/4-7 UNC 2.11 2.30 2.94 3.02 1.000 0.929 1-1/4-8 UN 2.12 2.33 2.92 3.00 1.16 1.05 1-3/8-6 UNC 2.34 2.52 3.27 3.35 1.23 1.16 1-3/8-8 UN 2.34 2.58 3.21 3.30 1.41 1.29 1-1/2-6 UNC 2.58 2.77 3.57 3.65 1.49 1.41 1-1/2-8 UN 2.57 2.84 3.50 3.61 As Ar ASs Asn 尺寸 抗松应力面积 螺纹距 抗拉强度面积 抗剪应力面积 (平方寸 /寸) 螺纹系列 平 方 寸 平 方 寸 外螺纹 内螺纹 2A 3A 2B 3B 1.78 1.68 1-5/8-8 UN 2.80 3.10 3.79 3.91 1.90 1.74 1-3/4-5 UNC 3.04 3.24 4.20 4.30 2.08 1.98 1-3/4-8 UN 3.03 3.35 4.08 4.21 2.41 2.30 1-7/8-8 UN 3.25 3.63 4.37 4.50 2.50 2.30 2-4-1/2 UNC 3.53 3.72 4.83 4.93 2.77 2.65 2-8 UN 3.48 3.86 4.66 4.81 3.25 3.02 2-1/4-4-1/2 UNC 4.02 4.23 5.44 5.55 3.56 3.42 2-1/4-8 UN 3.93 4.37 5.24 5.40 4.00 3.72 2-1/2-4 UNC 4.50 4.70 6.07 6.20 4.44 4.29 2-1/2-8 UN 4.38 4.87 5.81 6.00 4.93 4.62 2-3/4-4 UNC 4.99 5.22 6.68 6.82 5.43 5.26 2-3/4-8 UN 4.83 5.38 6.39 6.60 5.97 5.62 3-4 UNC 5.48 5.74 7.29 7.44 6.51 6.32 3-8 UNC 5.28 5.89 6.95 7.20 7.10 6.72 3-1/4-4 UNC 5.97 6.26 7.90 8.06 7.69 7.49 3-1/4-8 UN 5.73 6.40 7.53 7.79 8.33 7.92 3-1/2-4 UNC 6.47 6.77 8.51 8.68 8.96 8.75 3-1/2-8 UN 6.18 6.90 8.10 8.39 9.66 9.21 3-3/4-4 UNC 6.95 7.29 9.11 9.31 10.34 10.11 3-3/4-8 UN 6.61 7.41 8.67 8.98 11.08 10.61 4-4 UNC 7.44 7.81 9.71 9.92 11.81 11.57 4-8 UN 7.07 7.91 9.24 9.57 参照 备注 1 2 3 4,6 5,6 备注 : 1 在英制统一螺纹中, 1-12 UNF系细螺纹螺纹之规范, 1-14 UNS系一种径/距混合制 , 在美国, 通常使用1-14 UNS螺纹. 22 2 As = 0.7854 ( D - 0.9743/n) 3 Ar = 0.7854 ( D - 1.3/n) As : 抗拉强度应力面积 Ar : 抗剪应力面积 D : 基本螺纹径 D : 基本螺纹径 n : 每寸螺纹数 n : 每寸螺纹数 4 ASs = 3.1416 x Le x Kn max x n x 1/2n + 0.57735 x (Es min - Kn max) ASs : 外螺纹抗松应力面积 Le : 螺纹作用长度 n : 每寸螺纹数 Kn max : 外螺纹螺谷径上限 Es min : 外螺纹有效径下限 5 ASn = 3.1416 x Le x Ds min x n x 1/2n + 0.57735 x (Ds min - En max) ASn : 内螺纹抗松应力面积 Le : 螺纹作用长度 n : 每寸螺纹数 Ds min : 内螺 纹最大径下限 En max : 内螺纹有效径上限 6 Kn, Es, Ds, En值请 参照 ANSI/ASME B1.1 A-38页. 运送处理 : 大多数之紧固件在使用前均需运送处理, 此因螺纹( 外螺纹 )很容易受损之故. 展延性 : 低及中级强度之紧固件配上2A螺纹有相当好之展延性, 此因其具有配合公差及较大之公差范围使得螺纹更具弹性. 高强度之紧固件具有低展延性, 需配合较严格之螺纹. 震动 : 螺纹配合度越佳, 因震动所导至螺纹松动之危险性越低, 易言之, 防松性视其螺纹配合性而言. 成本 : 螺纹配合度越佳,成本越高. 螺纹表面处理 : 表面处理将会增加厚度, 如果超过限度, 将会产生配合上之问题, 因此在表面处理前必需采取适当之措施. 在北美州处理表面处理之原则如下 : 除热浸锌类厚度大之处理层外, 表面处理不能违反基本螺纹配合原则. 除非购买者之特殊要求, 2A螺纹可以适应表面处理. 易言之, 表面处理后之最大径为基本尺寸, 同样之要求亦适用于3A螺纹. 如果在表面处理后仍需保留2A螺纹之特性限制时, 则符号2A应以2AG 代替. 所谓2AG螺纹即与未表面处理之2A螺纹之特性要求一样. 1A螺纹不论其表面处理与否, 规格限制均相同. 3A螺纹及所有内螺纹均无配合公差, 这意味者1A, 2AG, 3A外螺纹之最大径及1B, 2B, 3B内螺纹之最小径在表面处理前必 须调整以适应表面处理之厚度. 当表面处理厚度超过其配合公差时, 就必须调整其制造公差, 不论是调整外螺纹或内螺纹之限制, 此时外螺纹准许违反其基本螺纹限制. 在60度角之螺纹, 螺腹及有效径之增加约为表面处理层厚度之4倍. 表面处理厚度通常以最低限制表示, 而不管其上限为何, 所以一般而言, 通常规定其有效径变动为厚度之6倍.例如2A螺纹表面面处理厚度为0.00015”, 则配合以0.0009”以上之尺寸变动以便容纳增加之厚度. 通常在如此处理之后, 制造流程便不致以会发生问题. 一个较详细对于表面处理之处理状况规定在ANSI/ASME B1.1 A-48页. 在检验表面处理后之尺寸允收状况 时, 使用之量具与未表面处理之量具一样, 但2A螺纹则不相同, 在表面处理后, GO 适用3A环规, NOGO适用2A环规, 另外还有一种状况是大厚度之表面处理. 在大厚度之表面处理状况下, 美国最普遍之作法为加大内螺纹之孔径而不是减少外螺纹之外径, 这是因为加大孔径或减少外径均会减低螺纹结合强度, 而通常螺帽之强度是配合螺栓强度, 因此可加大孔径而非减少外径以避免结合强度之损失. 另外一个理由则纯粹基于经济上之考虑. 螺纹允收 : 螺纹具有两种功能 : 结合及承受负荷. 结合功能端视其尺寸特性, 而负荷状况则有赖于尺寸配合及材料级数, 尺寸不良之产品常造成不能结合或结合不良, 配合不当或材质错误则造成强度不足. 螺纹允收检验则在检验其尺寸特性是否合乎要求, 经常我们使用量规( 螺纹规及环规 )或其它检验设备作检验. 通常螺纹允收状况由购买者决定, 这是因为他最了解紧固件使用状况及使用要求( 包含尺寸, 强度, 紧固件工作环境, 负荷及安全顾虑等等 ). 为帮助决定如何检验, ANSI/ASME B1.3 A-53页规定有量具量测系统可供使用. B1.3 共有三种系统以供螺纹测试, 分别为21, 22, 23三种, 它们之间之分别为需求状况之不同适用.系统编号越高, 其所测量之需要特性越多. 系统21系使用于低, 中强度一般工程用途之外螺纹紧固件. 系统22适用于高强度外螺纹紧固件, 系统23适用于UNJ 系统外螺纹紧固件.同时系统21适用于除了UNJ系统内螺 纹紧固件之所有内螺纹紧固件, UNJ系统内螺纹紧 固件则适用系统23, 系统22几乎不用于内螺纹紧固件. 这三种系统系为大部份常用紧固件而设计, 如果客户所需求为特殊要求, 则适当的修正本系统是被允许的. 螺纹强度 : 螺纹组合有六种强度之失败模式 : - 外螺纹之拉断. - 外螺纹之松脱. - 内螺纹之松脱. - 外螺纹纵轴之剪断. - 外螺纹扭断. - 内螺纹螺纹之扯裂. 拉断, 松脱, 扯断通常发生于使用阶段, 扭断导因于结合过紧, 剪断只发生于负荷过大. 紧固件强度计算 : 四个紧固件结合强度负荷面积为 : a) 抗拉强度应力面积, b) 剪断应力面 积( 最小径抗剪面积 ),外螺纹抗松应力面积, c) 内螺纹抗松应力面积. 所有数据资料及计算公式请参考表1. 螺栓破断失败模式 : 在选择紧固件时, 设计人员应避免失败之产生-组合时结合过紧及工作负荷过大导至螺栓破断或螺纹崩坏. 有一个相当重要之观念是 : 在结合紧固件之过程中, 应该注意其降伏强度, 如果螺栓在结合的过程中破断, 是显而易见且容易矫正的, 且必须马上采取措施. 另外, 螺纹崩坏是一种另一型式之失败, 它通常是逐渐发生的, 从螺纹结合处逐渐脱落,其发生之时间要好几个小时以上, 一开始是查觉不出的. 螺纹崩坏之防止 : 防止紧固件螺纹崩坏之关键在提供足够之紧固件结合长度, 将螺帽之膨涨率减至最低,并选择适当之强度级数以防止螺纹损坏. 螺纹结合长度 : 防止螺纹于配合时崩坏之最明显之作法乃是加大结合长度. 但会增加成本. 当螺栓及螺帽结合而承受垂直之负荷时, 螺栓承受拉力, 螺帽则承受压缩力, 如果螺丝及螺栓之材料一样, 且均为标准螺纹型, 则其各部承受力均相等. 螺栓承受垂直负荷时, 将对螺纹产生拉伸作用而有拉长效果, 同样的, 螺帽因压缩作用螺纹将有缩短效果. 这些变形将于螺栓及螺帽二者继续进行到二者全部螺纹密接. 其结果造成全部负荷不均匀地分配在螺纹上, 造成接合之第一螺纹所承受的负荷超过平均负荷, 而最后结合之末端螺纹承受负荷却比较小, 实验证实第一结合螺纹其承受之负荷可以超过平均负荷之2倍, 而末端所承受之负荷小于平均负荷之1/2, 这就是为何螺栓之破断通常位于螺栓与螺帽或螺孔结合之第一螺纹, 同样之研究更指出在同一结合长下, 螺距愈小, 第一螺纹所承受之负荷就愈大. 如将结合长加长到螺栓径之一倍以上亦不可行, 这是因为额外之结合螺纹仅可承受少部份之负荷且第一