在全球机械设备行业中，紧固件是连接各个部件的基础部件。其设计、选型和安装直接影响机械系统的可靠性和使用寿命。行业数据显示，由设计不当、选型错误或安装错误引起的故障是机械故障的主要原因之一。从通用机械装配到航空航天和汽车零部件等高精度系统，正确使用紧固件至关重要。
1.0紧固件的定义和核心类型
1.1定义
紧固件是一种标准化的硬件组件，用于连接两个或多个部件。它可以通过手动或电动工具（例如扭矩扳手）或自动化设备（例如紧固件插入机）快速安装和拆卸。紧固件的关键特性在于可拆卸性和连接稳定性，这与焊接或铆接等半永久性连接方法截然不同。紧固件广泛应用于汽车、航空航天和电子等行业。
1.2核心类型
根据螺纹特性和应用方法，紧固件分为三种主要类型，通常与自动化设备（例如压入机）配对，以实现大规模生产效率：
| 紧固件类别 | 常见类型 | 主要应用特点 | 自动化兼容性 |
| 外螺纹（公） | 六角头螺栓、平头螺钉、内六角螺钉、圆头螺钉、紧定螺钉 | 通过外螺纹连接；螺栓与螺母配对；螺钉直接拧入工件 | 压入机安装自压铆接头（无需攻丝） |
| 内螺纹（母） | 标准六角螺母（ISO 4032）、尼龙嵌入锁紧螺母（ISO 10511） | 用螺栓/螺柱形成可拆卸接头；防止松动（锁紧螺母） | 插入机同步安装螺母和螺栓，以便对准 |
| 特殊类型 | 螺柱（ISO 888，双头螺纹） | 一端旋入工件；另一端与螺母配对；非常适合厚零件/频繁拆卸 | 压入机确保重型机械中螺柱的精确定位 |
2.0关键术语解释
了解紧固件术语对于准确的设计和选择至关重要。以下是国际公认的定义（基于ISO标准）：
| 学期 | 定义 | 示例/注释 |
| 大直径 | 螺纹的最大直径；作为公称尺寸参考。 | M10 螺栓的大直径为 10 毫米（ISO 898-1）。 |
| 小直径 | 螺纹的最小直径；决定剪切强度和拉伸强度。 | 选择粗螺纹还是细螺纹至关重要。 |
| 沥青 | 相邻螺纹上对应点之间的轴向距离。 | M10 粗距 = 1.5 毫米；细距 = 1.0 毫米（ISO 724）。 |
| 带领 | 螺纹旋转一圈后前进的轴向距离。 | 单头螺纹：导程=螺距；多头螺纹：导程=螺距×头数。 |
| 螺纹顶部/底部 | 顶部 = 顶面（距离参考圆柱体最远）；底部 = 底面（应力集中区）。 | 滚压螺纹优化了根部曲率，以提高抗疲劳性。 |
| 小腿 | 头部和螺纹起点之间的圆柱形部分；设计用于承受剪切载荷。 | 螺纹绝不能承受剪切；压入机将螺纹柄保持在剪切平面中。 |
| 预载 | 拧紧时施加的拉力；确保接头稳定性。 | 带有扭矩控制的插入机可施加精确的预紧力（不单独依赖锁紧垫圈）。 |
| 握把长度 | 头部轴承表面和螺纹起点之间的无螺纹部分。 | 必须与接合部件的总厚度相匹配；压入机测试验证其适合性。 |
3.0螺纹类型选择：粗螺纹和细螺纹的应用逻辑
紧固件螺纹遵循 ISO 标准（公制：ISO 724；英制：ANSI/ASME B1.1），并根据材料强度匹配进行选择：
| 螺纹类型 | 适用场景（材质搭配） | 主要优势 | 自动化兼容性 |
| 细线 | 内螺纹材料>外螺纹材料（例如，钢螺钉拧入高强度合金） | 更高的静态/疲劳强度；精确的预紧力控制；非常适合高精度应用（航空航天、精密仪器） | 插入机微调旋转速度以避免交叉穿线。 |
| 粗螺纹 | 内螺纹材料<外螺纹材料（例如，钢螺栓拧入铝/铸铁） | 更大的小直径（降低拉伸断裂风险）；装配更快；适用于通用机械 | 压入机可快速安装自压螺母（无需攻丝）。 |
3.1常见误解
- 神话：粗线总是更坚固。
- 事实：强度取决于材料搭配：
- 弱材料（例如铝）中的细螺纹会导致螺纹剥落。
- 坚固材料（例如钢）中的粗螺纹会浪费强度并降低预紧精度。
- 例子：汽车发动机组件（铸铁缸体+铝制缸盖）使用粗螺纹螺栓，通过自动插入系统拧紧，以平衡强度和效率。
4.0螺纹制造工艺：滚压螺纹与切削螺纹（关键设备：滚压机）
螺纹加工直接影响紧固件的性能。全球高品质紧固件使用 滚压螺纹 （ISO 898-6）优于传统的切割螺纹， 滚丝机 作为核心设备：
| 流程方面 | 剪断线 | 滚压螺纹（通过滚压机） |
| 形成原理 | 材料去除（车床、丝锥、模具） | 塑性变形（来自滚模的径向压力；没有材料被去除） |
| 谷物流动 | 中断（削弱结构） | 连续（遵循螺纹轮廓；增加密度） |
| 表面粗糙度 | Ra ≥ 6.3 μm（粗糙；易磨损） | Ra ≤ 1.6 μm（光滑；减少摩擦） |
| 疲劳强度 | 较低（根部应力集中） | 50–75% 更高；HRC 36–40 紧固件的寿命延长 5–10 倍（ISO 898-1 测试） |
| 生产效率 | 慢速（20-50件/分钟；车床） | 快速（100-500件/分钟；高速滚压机） |
| 成本 | 更高（切削液使用；刀具寿命短） | 20–40% 下部（干式加工；模具寿命长：数万个零件） |
| 装配兼容性 | 尺寸一致性低（导致插件机卡住；芯片划伤） | ISO 4H/5g 公差；同心度≤0.1 毫米（确保螺母紧密啮合和预紧力一致）。 |
5.0紧固件的核心功能和应用限制
5.1鞋底核心功能：夹紧连接
紧固件通过预紧力来夹紧部件（不用于定位、承重或传动）：
| 函数类型 | 正确实施 | 误用风险（使用紧固件） |
| 定位 | 使用定位销（ISO 2338）、定位肩或参考面。 | 螺纹间隙会导致零件错位、振动和磨损。 |
| 承重/传动 | 使用专用销（ISO 8734）或轴承作为轴/枢轴/轮轴。 | 紧固件弯曲/冲击故障（例如，传送带滚筒轴的螺栓快速断裂）。 |
| 例子 | 汽车变速器：定位销定位外壳；插入机拧紧螺栓。 | 输送滚筒：专用轴+螺栓（通过压入机安装）夹紧端盖。 |
5.2关键应用限制：螺纹上无剪切载荷
螺纹是紧固件中最薄弱的部分——切勿使其受到剪切。主要原因：
- 螺纹小径<柄部直径（柄部剪切强度仅为60–80%）。
- 螺纹孔接触面积有限（降低稳定性；导致松动）。
- 松动的螺纹会磨损孔壁（扩大间隙；加速故障）。
正确做法:
- 使用定位销承受剪切载荷。
- 将柄部（无螺纹部分）定位在剪切平面中（例如，双剪切接头）。
- 金属板应用：压入螺栓使螺纹保持在剪切区之外；插入机控制紧固深度以实现最佳的杆部位置。
6.0预紧控制：过度拧紧和拧紧不足的风险
预负荷对于关节稳定性至关重要。 过度拧紧（在屈服极限内）比拧紧不足更安全 （基于 ISO 6892-1 应力-应变行为）：
6.1应力-应变曲线的关键见解
紧固件材料（例如合金钢，ISO 898-1）分为三个阶段：
- 弹性阶段：材料恢复到原始形状；预紧力不足会导致在循环载荷（例如发动机振动）下疲劳失效。
- 产量阶段：永久变形开始；避免超过屈服强度。
- 应变硬化阶段：接近（但不高于）屈服的预紧力可提高稳定性并抵抗外部载荷。
6.2常见误解
- 神话：用锁紧垫圈、厌氧胶或安全线代替预紧力。
- 事实：这些只能延缓松动（不能防止松动）。适当的预紧力才是稳定性的唯一保证。
- 自动化解决方案: 插入机 带有扭矩传感器的实时监控预紧力；手动组装使用 ISO 6789 扭矩扳手（无“基于感觉”的拧紧）。
7.0紧固件预紧力和扭矩计算（附实际验证）
预紧力通过扭矩控制。以下是全球通用的简化方法（精度±20%，ISO 衍生）：
7.1核心公式
- 预紧力拉伸应力：避免永久变形；使用屈服强度为 90%:\(\sigma_t \approx 0.9 \times \sigma_y\)（例如：ISO 898-1 8.8 级螺栓 → \(\sigma_y = 640\) MPa）
- 预紧力计算:\(F_i = \sigma_t \times A_t\)(\(A_t\) = 螺纹拉伸应力面积；例如，M10 螺纹 → \(A_t = 58.0\) mm²，ISO 6560)
- 扭矩计算:\(T \approx 0.2 \times F_i \times d\)(d = 公称直径；0.2 = \(\mu = 0.15\) 的系数；根据 ISO 16047 调整润滑/涂层。)
7.2计算示例（M10 × 1.5，8.8级螺栓）
- 来自 ISO 898-1:\(\sigma_y = 640\) MPa
- 拉伸应力:\(\sigma_t = 0.9 \times 640 = 576\) MPa
- 拉伸应力面积:\(A_t = 58.0\) mm²
- 预紧力:\(F_i = 576 \times 58.0 = 33,408\) N ≈ 33.4 kN
- 扭矩:\(T = 0.2 \times 33,408 \times 10 = 66,816\) N·mm ≈ 66.8 N·m
7.3实验验证（ISO 16047疲劳试验）
对于 3/8 英寸螺栓（抗拉强度 180,000 psi，ANSI/ASME B18.2.1）：
| 预紧力等级（抗拉强度%） | 扭矩 | 12,000 lbf 交变载荷下的载荷循环 |
| 40% | ≈25 磅力·英尺 | ~4,900 |
| 60% | ≈37 磅力·英尺 | ~6,000,000（增加 1,000 倍） |
- 行业应用：波音公司的紧固件手册要求 70–80% 屈服预紧力，通过扭矩反馈实现 插入机.
7.4扭矩验证方法
- 手动组装：使用符合 ISO 6789 标准的扭矩扳手。
- 自动化装配:
- 插入机 集成激光伸长传感器（预紧精度±5%）。
- 压入机使用压力反馈来压紧自锁紧固件（间接验证预紧力）。
8.0紧固件选择和识别标准
8.1选择原则：仅使用标准、现成的（OTS）紧固件
全球标准：OTS 紧固件符合 ISO、ANSI 或 DIN 标准（避免使用定制紧固件：交货时间为 12-24 周，成本高）。
极端条件：定制紧固件（例如，Inconel合金）仅适用于高温/腐蚀环境。
自动化兼容性检查:
- 自压紧固件与压入机头类型相匹配（例如，ISO 14587 螺母）。
- 螺栓头适合插入机夹持机构。
- 线程参数属于 滚丝机 能力。
8.2识别规则（全局格式）
| 线程系统 | 直径范围 | 格式 | 例子 |
| 英制（ANSI/ASME B18.2.1） | ≥ 1/4 英寸 | 公称尺寸 – 每英寸螺纹数 – 等级 | 3/8-16-5级（3/8英寸直径，16 TPI） |
| < 1/4 英寸 | 螺纹数 – 每英寸螺纹数 – 等级 | 10-32-8级（10号螺钉，32 TPI） | |
| 公制（ISO 898-1） | 所有尺寸 | 强度等级 – 直径 × 螺距 | 8.8-M10×1.5（8.8级，10毫米，1.5毫米间距） |
| （粗螺纹默认） | 强度等级-直径 | 10.9-M12（1.75 毫米间距，ISO 724） |
9.0紧固件孔设计：攻丝孔和间隙孔
孔的精度直接影响连接强度。设计遵循ISO标准，并与自动化设备（插入/压入机）配合使用：
9.1攻丝钻孔（用于内螺纹）
目的：预钻孔，用于攻丝（ISO 239）。
关键尺寸:
| 问题 | 结果 |
| 孔太小 | 丝锥负荷过大→丝锥断裂 |
| 孔太大 | 螺纹牙型不完整 → 每减少 10% 螺纹高度，强度损失 15% |
设计笔记:
- 根据材料硬度调整尺寸（例如，铝比钢的硬度为+0.1-0.2 毫米）。
- 参考 ISO 239 丝锥钻孔表。
- CNC 加工孔直接与插入机配合使用（无需二次对准）。
9.2通孔（用于贯穿螺栓）
目的：允许螺栓杆通过（ISO 273-1）。
| 适合类型 | 公差示例（M10 螺栓） | 适用场景 | 自动化兼容性 |
| 紧密贴合 | 直径10.5毫米（H12） | 高精度孔定位（CNC加工） | 插入机确保同轴对准。 |
| 自由适配 | 直径11毫米（H13） | 快速/手动组装（钻床；允许轻微偏差） | 压入机减少了装配时间。 |
设计规则:
- 严格遵守 ISO 273-1（例如，9.5 毫米的 M10 孔会阻挡螺栓通道）。
- 孔垂直度≤0.1 mm/m（防止预紧力传递问题）。
10.0紧固件接头设计：增强稳定性和强度
接头设计最大程度地提高了负载能力（ISO 16047、ISO 26262）并适应自动化设备：
10.1优先选择双剪接头
| 剪切类型 | 描述 | 负载能力 | 应用示例 |
| 单剪 | 一个剪切面（例如，穿过2个板的螺栓） | 降低 | 轻型支架 |
| 双剪 | 两个剪切平面（例如，穿过 3 个板的螺栓） | 2倍以上 | 高剪切应用（电机支架、变速箱组件） |
自动化工作流程:
10.2边缘距离要求
规则：螺栓孔中心到工件边缘的距离≥1×螺纹大径（ISO 14587）。
例如：M10 螺栓 → 边缘距离≥10 毫米。
尺寸不合适的后果:
| 边距离 | 问题 |
| 太小 | 材料不足→边缘撕裂（铝更严重）。 |
| 太大 | 不必要的零件重量/尺寸（与轻量化设计相冲突，例如汽车车身）。 |
钣金设计说明：为压入机头预留≥3毫米的间隙（避免安装过程中边缘干扰）。边缘距离应与滚丝机生产的紧固件长度保持一致（防止过度突出或啮合不足）。
11.0结论
在全球制造业中，紧固件是连接零部件和系统可靠性的关键环节。其设计和应用必须符合 ISO 标准，并优先考虑自动化兼容性——从滚丝机工艺到插入/压入机集成。从螺纹选择到接头设计，每个步骤都依赖于工程原理和成熟的工业实践，以最大限度地降低故障风险并增强全球市场竞争力。
