螺纹结合在机械领域中应用的简单介绍

螺纹结合在机械领域中应用概述摘要：螺纹结构作为一个历史悠久的结构一直被人类应用在生活与生产中，其中在机械领域的应用更是十分广泛。螺纹所具有的几何特点，使其在充当机械结构间的结合件时，体现出相当优异的适用性，因此螺纹结构可说是一个值得研究的重要机械结构。本文提供了螺纹结构的起源和发展概述，以及其在实际工程领域中的应用方法。与此同时，文章还介绍了螺纹结构的精度设计要求所包括的内容以及精度项目的选取原则和方法。最后，本文还给出了一个简单的螺纹结构几何精度的设计方案实例，以供参考。关键词：螺纹结合；机械设计；精度设计；几何精度一．螺纹结合的起源和发展概述：螺纹是人类最早发明的简单机械之一，在古代，人们利用螺纹固定战袍的铠甲、提升物体、压榨油料和酒制品等。18世纪末，英国工程师亨利·莫斯利（HenryMaudslag）发明了螺纹丝杠车床。第一次工业革命后，英国人又发明了车床、板牙和丝锥，为螺纹件的大批生产奠定了技术基础。1841年，英国人约瑟夫·惠特沃斯（JosephWhitworth）提出了世界上第一份螺纹国家标准(BS84,惠氏螺纹，B.S.W.和B.S.F.)从而奠定了螺纹标准的技术体系。1905年，英国人泰勒（WilliamTaylor）发明了螺纹量规设计原理（泰勒原理）。从此，英国成为世界上第一个全面掌握螺纹加工和检测技术的国家，英制螺纹标准是世界上现行螺纹标准的祖先，英制螺纹标准最早得到了世界范围的认可和推广。世界上最有影响的紧固螺纹有三种，它们是：英国的惠氏螺纹、美国的赛氏螺纹、法国的米制螺纹。最有影响的管螺纹有两种：英国的惠氏管螺纹、美国的布氏管螺纹。这五种影响最广的螺纹均于19世纪问世，它们奠定了螺纹标准化的技术体系，其它绝大多数螺纹均采用或借鉴了它们的标准结构。美国的国家螺纹（N）标准是在英制惠氏螺纹基础上发展起来的。二战后，它转化为二战盟国共同使用的统一螺纹（UN）。这是世界上第一份得到国际组织认可的国际标准。美国的管螺纹标准是由美国人独立研制出来的，它与英制管螺纹共同构成了当今世界管螺纹标准领域的两大支柱。美制梯形螺纹(Acme)和锯齿形螺纹也同样得到了二战盟国的认可。所以，美制标准螺纹对现代国际贸易有着极为重要的影响。米制普通螺纹（M）来源于美制国家螺纹（N）,在欧洲大陆得到了广泛使用，并纳入了ISO标准。当公制单位制（米制是其中长度单位）被确定为国际法定计量单位后，又进一步提升了米制普通螺纹在国际贸易中的地位。现在，米制普通螺纹不但可以与美制和英制螺纹进行对抗，而且还显示出逐步取代美制和英制螺纹的势头。将来，美国和英国会提高采用米制螺纹标准的比例，米制螺纹标准是未来的发展方向。但在实际生产和应用中，要根据英制、美制、米制螺纹的特点，妥善处理三种螺纹的使用问题。任何偏激行为都是不正确和不可取的。二．螺纹结合在实际工程中的应用方法螺纹连接来源于楔形连接，它是由相互结合的内、外螺纹组成。内、外螺纹通过相互旋合及牙侧面的接触作用，实现零件间的联接、紧固及相对位移等功能。螺纹由于其具有合适的压力角，使得连接件在螺纹面上产生的自锁效果达到紧固连接。见下图：当要分离连接件时，通过逆向旋转既可以产生轴向位移，从而分离连接件。因此螺纹具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点。螺纹加工方法主要有切削加工和滚压加工两类。切削一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺纹的方法，主要有车削、铣削、攻丝、套丝、磨削、研磨和旋风切削等。滚压是用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。1.螺纹切削一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺纹的方法，主要有车削、铣削、攻丝、套丝、磨削、研磨和旋风切削等。车削、铣削和磨削螺纹时，工件每转一转，机床的传动链保证车刀、铣刀或砂轮沿工件轴向准确而均匀地移动一个导程。在攻丝或套丝时，刀具(丝锥或板牙)与工件作相对旋转运动，并由先形成的螺纹沟槽引导着刀具(或工件)作轴向移动。2.螺纹滚压用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。螺纹滚压一般在滚丝机。搓丝机或在附装自动开合螺纹滚压头的自动车床上进行，适用于大批量生产标准紧固件和其它螺纹联接件的外螺纹。滚压螺纹的外径一般不超过25mm，长度不大于100mm，螺纹精度可达2级(GB197-63)，所有坯件的直径大致与被加工螺纹的中径相等。滚压一般不能加工内螺纹，但对材质较软的工件可用无槽挤压丝锥冷挤内螺纹(最大直径可达30mm左右)，工作原理与攻丝类似。冷挤内螺纹时所需扭距约比攻丝大1倍，加工精度和表面质量比攻丝略高。螺纹滚压的优点是：表面粗糙度小于车削、铣削和磨削（滚制螺纹外表光滑，发亮，无毛刺）；滚压后的螺纹表面因冷作硬化而能提高强度和硬度；材料利用率高（滚制过程无毛屑）；生产率比切削加工成倍增长（正常每分钟25个，8小时1万以上），且易于实现自动化；滚压模具寿命很长。但滚压螺纹要求工件材料的硬度不超过HRC40；对毛坯尺寸精度要求较高；对滚压模具的精度和硬度要求也高，制造模具比较困难；不适于滚压牙形不对称的螺纹。按滚压模具的不同，螺纹滚压可分搓丝和滚丝两类。螺纹由于其具有结构简单的特点，因此对于加工材料的要求并不高，因此加工螺纹所用的材料既可以是碳钢，也可以是合金钢，在小心机械结构或特定的场合，也可以用非金属材料来加工螺纹。三．螺纹精度设计要求所包含的内容普通螺纹的主要参数有：(1)大径D或d(2)小径D1或d1(3)中径D2或d2(4)单一中径D2DY或d2DY(5)螺距P(6)牙型角α(7)牙侧角α1、α2(8)原始1三角形高度H(9)螺纹旋合长度(10)螺纹最大实体牙型(11)螺纹最小实体牙型其中影响螺纹连接互换性的主要几何参数误差有螺距误差、牙侧角误差和中径误差，详情见下表：普通螺纹影响互换性的主要误差表误差名称误差影响螺距误差对于普通螺距误差会影响螺纹的旋合性和连接强度。牙侧角误差牙侧角误差同样会影响螺纹的旋合性和连接强度。中经误差中经误差会影响螺纹的旋合性、可靠性和紧密性并削弱连接强度。四．螺纹精度项目的选取原则和方法1.普通螺纹公差从互换性的角度来看，螺纹的基本几何要素有五个，即大径、小径、中径、螺距和牙侧角。但普通螺纹在内、外螺纹配合以后，在大径之间和小径之间都是有间隙的，对螺距和牙侧角不单独规定公差，而是用中径公差来综合控制。这样，在普通螺纹中，为了满足互换性的要求，就只须规定大径、中径和小径公差。但由于外螺纹和内螺纹的底径是在加工时和中径一起有刀具切出，其尺寸有刀具保证，因此也不规定公差。这样在螺纹公差标准中，就只规定了d、d2和D2、D1的公差。其各自的公差等级见下表：普通螺纹公差等级（摘自GB/T197-1981）螺纹直径公差等级螺纹直径公差等级内螺纹小径D14、5、6、7、8外螺纹大径d4、6、8内螺纹中径D24、5、6、7、8外螺纹中径d23、4、5、6、7、8、9普通螺纹中径公差的确定何以查询相关国家标准给出的数据。2.普通螺纹基本偏差内外螺纹的公差相对于基本牙型的位置和极限与配合的公差带位置一样，由基本偏差来确定。在普通螺纹标准中，对内螺纹规定了两种公差带位置，其基本偏差分别为G、H；对外螺纹规定了四种公差带位置，其基本偏差分别为e、f、g、h。其中H、h的基本偏差为零，G的基本偏差为正值，e、f、g的基本偏差为负值。各基本偏差的数值通过相关国家标准来确定。3.普通螺纹的公差带及其配合用标准规定的各种基本偏差、顶径公差和中径公差可以组成很多种公差带。若不加以先摘就会使螺纹公差种类繁多，给组织专业化生产带来困难。为此，标准规定了内、外螺纹的选用公差带，见下表：精度内螺纹外螺纹旋合长度SNLSNL精密4H4H5H5H6H(3h4h)*4h(5h4h)中等*5H;(5G)□6H;(6G)*7H;(7G)(5h6h);(5g6g)*6h;□6g;*6e;*6f(7h6h);(7g6g)粗糙7H;(7G)(8h);8g注：大量生产的精制紧固件螺纹，推荐采用带方框的公差带；带*的公差带应优先选用，其次选用不带*的公差带，括号内的公差带尽可能不用。标准中将螺纹的旋合长度分为三组，即短旋合长度（S）、中等旋合长度（N）和长旋合长度（L）。一般采用中等旋合长度。螺纹旋合长度由相关国家标准给出。4.普通螺纹的标记普通螺纹的完整标记有螺纹代号、螺纹公差代号和螺纹旋合长度代号所组成，详见下图：在装配图上，内、外螺纹公差代号用斜线分开，左边表示内螺纹公差带代号，右边表示外螺纹公差带代号，如M6-6H/6g。五．螺纹结构几何精度的设计方案实例下面列出一个丝杠的标注来实际展示螺纹结构在实际应用时的标注方法。