今天，螺絲君跟大家分享“德國標準自攻釘連接擰緊設(shè)計要求"。
01
適用范圍
自20世紀70年代末以來，用螺紋成型/開槽金屬螺釘?shù)乃芰现苯勇菁y連接已被用于組件和建筑元素的可拆卸連接。
本技術(shù)規(guī)范適用于與螺紋成型金屬螺釘?shù)倪B接，在組裝過程中，金屬螺釘在塑料本身中形成螺紋。
技術(shù)規(guī)范提出了影響這種連接技術(shù)的基本變量，并為設(shè)計人員提供了設(shè)計這種連接的標準。由于影響變量的多樣性，純計算設(shè)計目前是不可能的。因此，對原材料和螺絲的生產(chǎn)廠家進行試驗和詢問是必要的。
02
程序描述
用金屬螺紋成型螺釘連接模具和建筑構(gòu)件，金屬螺紋成型螺釘具有特殊的螺紋幾何形狀，并被擰成預(yù)先成型的圓形支架孔(圓頂、螺紋凸臺或螺紋眼)，這是一種經(jīng)濟可行、適合回收和拆卸的組裝類型。
此外，在成型過程后進行裝配。因此，沒有必要在模具閉模時引入任何金屬鑲件或套筒，以免有傾斜的危險。螺紋成形操作與材料的位移和圓頂?shù)膹较蚺蛎浻嘘P(guān)。
因此，應(yīng)優(yōu)先考慮對應(yīng)力開裂不敏感的塑料。與焊接相比，不同的材料可以通過直接旋緊以可拆卸的形式連接在一起。
這種連接的質(zhì)量和組成功能，本質(zhì)上是由圖1所示的影響變量決定的。
2.1
裝配/旋入操作
關(guān)于螺釘?shù)难b配，必須區(qū)分螺紋成形力矩M Form，在每種情況下由于新成形的螺紋截面而始終保持不變，和螺紋摩擦力矩MR, 隨著螺桿深度的增加。兩者一起導(dǎo)致當螺釘頭與附加部分接觸時的扭入力矩ME。
在螺桿頭接觸后，根據(jù)螺桿頭的類型和幾何形狀增加螺桿頭的摩擦力矩。為了施加一個必要的預(yù)緊力Fv，繼續(xù)扭轉(zhuǎn)螺絲，直到達到裝配緊固力矩Ma。此外，如果繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺絲，直到系統(tǒng)失效，這將導(dǎo)致過扭力矩Mμ，圖2。
扭入和過扭力矩之間的最大可能間隔對總成安全是有意義的。為了有足夠的安全考慮到可能的波動擰入裝置，建議將最大裝配緊固力矩MA限制在1/3到max1/2之間的過扭和入扭之間差值。
拉緊力矩由克服螺紋摩擦的力矩M GR和下摩擦力M KR組成M A。由于連接的預(yù)緊力是通過擰緊力矩作為規(guī)則間接設(shè)置的，摩擦力的主要影響，特別是總摩擦力的變化，例如，通過附加的下部聯(lián)鎖來說明，如圖3所示。
初步試驗的旋緊力傳感器，也有助于建立的結(jié)果，接頭的預(yù)緊力，當螺釘頭部接觸時刻已開始建立。在極端情況下，由于螺釘頭幾何形狀的改變，在沒有任何實驗確認測試的情況下，關(guān)閉力矩可能已經(jīng)在大幅降低的預(yù)緊力下達到。
在計算扭入力矩和過扭力矩以及預(yù)緊力方面，已有比較全面的建議。這些假設(shè)恒定的制造條件，參見章節(jié)3。
然而，有必要考慮到習(xí)慣的螺絲刀在不同程度的轉(zhuǎn)速下降和顯示關(guān)閉公差下工作，以及在裝配操作中可能導(dǎo)致熱塑性塑料完全熔化的不同溫度，這取決于所使用的塑料、裝配條件和幾何設(shè)計，參見第2.2和2.4節(jié)。
▲ 圖3
2.2
影響連接性能的基本變量
本章將解釋一般的聯(lián)系。必須注意按照第3節(jié)進行詳細的接頭設(shè)計。基本連接參數(shù)和由此產(chǎn)生的連接屬性的示意圖概述如圖4所示。
a. 孔直徑dK
芯孔直徑的選擇決定了螺紋側(cè)面與周圍塑料的重疊，因此不僅對軸向承載能力至關(guān)重要，而且對確保接頭的組裝也至關(guān)重要。
對于每一種螺桿幾何形狀和塑性的組合，在螺桿試驗中必須通過實驗手段明確確定芯孔直徑。第3節(jié)中的尺寸建議可用于近似設(shè)計。
圖4顯示了入扭力矩和過扭力矩隨孔直徑的變化規(guī)律。一般來說，最佳孔直徑dk的定義為旋入力矩和過扭力矩之間的最大間隔。
b. 螺釘深度/長度lE
與彈性模量相同的金屬螺栓/螺母接頭的承載行為不同，金屬螺釘與周圍塑料之間的力傳遞在螺釘長度上是均勻的。因此，拉拔強度與螺釘長度成正比。圖4顯示了螺釘試驗的特性如何依賴于螺釘長度lE。
c. 裝配轉(zhuǎn)速
根據(jù)所使用的裝配設(shè)備，裝配轉(zhuǎn)速在100rpm到1000rpm之間。此外，轉(zhuǎn)速隨著螺釘深度的增加而降低，這取決于所選的裝配設(shè)備，參見第2.4節(jié)。
螺桿轉(zhuǎn)速越高，側(cè)嚙合區(qū)域內(nèi)的塑料部件受熱越大，取決于摩擦效應(yīng)。由于在高轉(zhuǎn)速下關(guān)閉精度可能較低，因此有必要相應(yīng)地考慮到塑料力學(xué)行為的溫度依賴性。
▲ 圖4
d. 張拉力松弛
塑料具有粘彈性材料行為，即力學(xué)性能取決于時間、溫度和載荷。對于使用螺紋成型金屬螺釘?shù)闹苯勇葆斀宇^，這意味著由于松弛過程，在裝配過程中施加的預(yù)緊/鎖緊力會隨著時間的推移而減小。
無論如何，由于在整個使用階段對安全組件功能的需求，在設(shè)計過程中必須考慮到預(yù)緊/夾緊力的減小，特別是在遇到更困難的操作應(yīng)力時，例如溫度影響或動態(tài)應(yīng)力。
環(huán)境溫度不僅對塑料直接螺紋接頭的純靜態(tài)短時承載能力有重要影響，而且對其長期性能也有重要影響，特別是對構(gòu)件功能起決定性作用的(殘余)預(yù)緊力。
根據(jù)不同熱塑性塑料的溫度依賴性剛度，松弛效應(yīng)在高溫下更為明顯。這方面的決定性因素是利用時的峰值溫度。
根據(jù)在螺桿凸臺正面(正面表面壓力)或在螺桿凸臺基礎(chǔ)水平(螺桿凸臺橫截面上的拉應(yīng)力)上附著部分的支撐類型，塑料和金屬螺桿之間的熱膨脹差異(可逆)以及體積變化效應(yīng)，如干燥/收縮(部分可逆)，影響預(yù)緊力隨時間的松弛過程。
為了減少張緊力的松弛，表面壓力應(yīng)保持較低，例如使用帶有壓緊墊圈和大螺紋嚙合的螺釘。圖5說明了PA6-GF30中直接螺釘連接的基本影響變量。根據(jù)被測試塑料的類型，結(jié)果可能相差很大。
▲ 圖5
2.3
重復(fù)組裝
重復(fù)組裝是可能的，如根據(jù)VDE 0720。
2.4
故障類型
對于塑料中直接擰接的接頭，根據(jù)載荷的發(fā)生情況，可以對裝配操作或使用過程中可能出現(xiàn)的四種失效類型進行本質(zhì)的區(qū)分。
＞螺釘拉出/螺釘包裹材料剪切失效
(基本連接參數(shù)：螺釘長度/芯孔直徑/螺釘公稱直徑)。
＞螺桿斷裂
(螺桿強度：裝配時的抗扭強度和使用時的耐久極限)。
＞桿凸臺爆裂
(徑向應(yīng)力成分：壁厚/芯孔/螺桿側(cè)面：應(yīng)力裂紋或注塑缺陷，如焊縫)。
＞螺桿凸臺的脫離/撕扯
(組件的橫截面積或螺桿凸臺粘結(jié)不足以傳遞力)。正確的尺寸標注可以抵消與強度相關(guān)的失效類型，參見第3節(jié)。當所有的失效類型在相同的荷載下出現(xiàn)時，就得到了最佳的節(jié)點。
螺釘拔出為后續(xù)修復(fù)提供了更有利的條件，因為可以使用公稱直徑更大的螺釘或插入物來矯正損傷。當然，在螺旋凸臺壁厚的結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到這一點。
2.5
裝配設(shè)備
原則上，直接螺紋連接可以用電動或氣動驅(qū)動的螺紋系統(tǒng)執(zhí)行。螺絲刀的特性曲線和所使用的關(guān)閉類型對于擰緊力矩的可達到精度是決定性的。
氣動螺絲刀可能具有以下具有相應(yīng)關(guān)閉精度的擰緊機構(gòu)：
a. 直驅(qū)(無離合器)
精度:±30%
b. 滑動離合器
精度:±15%
c. 關(guān)閉離合器(帶渦輪關(guān)閉)
精度:±3 - 5%
氣動螺絲刀是不可控的，并在設(shè)計誘導(dǎo)的特性曲線上移動。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速直接相互依存。
電動螺旋驅(qū)動器工作時不需要離合器。關(guān)閉是通過螺旋主軸的高精度電氣減速來實現(xiàn)的。這應(yīng)該最好發(fā)生在低轉(zhuǎn)速。可達到±3%的精度。按規(guī)定的順序進行簡單的擰緊。
如果有必要，存儲程序控制系統(tǒng)允許單獨調(diào)整螺絲順序，并可能有文檔記錄。不僅可以利用轉(zhuǎn)矩，還可以利用旋轉(zhuǎn)角度和時間作為控制或監(jiān)測變量。在這方面，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以相互獨立控制。
03
設(shè)計相關(guān)指令關(guān)鍵影響變量
3.1
需求概要的定義
在定義需求概要時，應(yīng)考慮以下幾點：
負載利用率，靜態(tài)/動態(tài)
溫度應(yīng)力
媒介影響
損失保護/釋放力矩/必要的剩余預(yù)緊力
重復(fù)裝配的可能性
密封功能
在這方面，提出了下列基本問題：
加入成員的材料(最弱的加入成員決定)
可傳遞的夾緊力/預(yù)緊力
足夠的接觸面積和補救措施(壓緊墊圈等)避免過大過厚尺寸
制造工藝造成的影響(方向、焊縫或玻璃纖維分布)
加入件的熱膨脹
吸濕性(如聚酰胺)
對應(yīng)力開裂的敏感性，例如由于周圍介質(zhì)或螺釘涂層(油脂，油或脫模)
3.2
與螺釘選擇有關(guān)的因素
或多或少收斂到尖銳點的螺釘?shù)淖钪匾奶卣魇莻?cè)翼幾何形狀。側(cè)角越尖，螺紋成形過程中被驅(qū)散的材料體積越小，即徑向應(yīng)力減小。
側(cè)面角度30°已被證明是有利的與普通塑料。更鈍角的側(cè)面60°徑向壓緊效果更強。
盡管這增加了螺桿的自鎖，特別是在軟塑料中，螺桿凸臺可能會由于較高的徑向應(yīng)力而爆裂。
螺紋螺距角應(yīng)該是近似的。8°，實現(xiàn)自鎖。通常情況下，帶切削刃的螺釘不會產(chǎn)生預(yù)期的螺紋切割干凈的優(yōu)勢，因為切削刃在絞合過程中很容易堵塞。
此外，拉出力稍低，這使得根據(jù)VDE 0720更難以滿足重復(fù)裝配能力。對于易碎或?qū)?yīng)力開裂敏感的塑料，螺紋切割可能是一種優(yōu)勢。
原則上，熱固性塑料和填料比例高的塑料都需要切削刃。當重點放在特殊強度條件時，不對稱的螺紋形狀可能是有利的。
在拉出方向上螺紋嚙合角平坦時，施加永久拉應(yīng)力時可能導(dǎo)致開裂的徑向力分量較低。
相反，在具有高周向強度的螺旋凸臺的情況下(例如，由于纖維增強或更鈍的上翼角)，應(yīng)力可能在螺旋凸臺的周向被消除，從而可能導(dǎo)致更高的總拉出強度。
外徑/孔直徑比
帶壓緊墊圈的機頭成型，特別適用于塑料和TORX驅(qū)動
表面/涂層
螺釘?shù)墓顟?yīng)盡可能緊
側(cè)翼角：30°
螺紋螺距：約8°
頭部形成
3.3
螺桿凸臺的配置
參考3.4節(jié)，可以可靠地計算出螺旋凸臺的最重要尺寸。螺旋凸臺的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。特征因子為外徑 dA、芯孔直徑 dK和螺桿長度 lE。
由于螺釘使上接觸面受到應(yīng)力的影響，這種應(yīng)力不僅來自徑向膨脹，而且來自組裝部件的壓上，為了減輕壓力，應(yīng)在上端加入一個與螺釘公稱直徑相同的圓柱形孔。
此外，這種錐形孔提供了由于更好的螺絲定心和向上運動驅(qū)散塑料的優(yōu)勢。
一般情況下，螺旋凸臺的外部形狀為圓柱形，如有必要，還需有連接肋。在芯孔中以圓孔為主。
方形和三角形孔的缺點是在角處存在永久的拉伸/缺口應(yīng)力，以及較低的拉拔強度。
3.4
螺旋凸臺的近似設(shè)計
綜合研究得出以下尺寸的建議，然而，這些建議必須得到實驗的驗證：
旋緊長度 lE：lE ≥ 2d1
▲ 圖6
孔直徑 dk：dk = (0.8…0.9)·d1
較低的值適用于小螺釘(d1<4mm)和韌性塑料，較高的值適用于脆性塑料。
孔深 ts：ts ≈ 0.4·d1
螺桿凸臺外徑 dA：dA≥2·d1
除了有限元法(FEM)可以在早期對整個子組件的機械性能和加工過程進行分析和優(yōu)化外，原材料和螺釘制造商的特殊計算程序也適用于個別設(shè)計元素的近似計算。
通常，尺寸的確定是基于上述理論方法，并與實驗結(jié)果進行校準。通過使用這些程序，設(shè)計者可以在很短的時間內(nèi)獲得關(guān)于正確尺寸的聲明。
應(yīng)用這些程序的一個重要前提是設(shè)計人員要批判性地看待結(jié)果。在這種情況下，設(shè)計建議只能與輸入數(shù)據(jù)一樣好這一原則是有效的。因此，用戶必須對這種連接技術(shù)有基本的了解。
這些程序既不能取代與原材料和螺釘制造商的協(xié)商，也不能取代實驗確認測試。借助于聯(lián)機輔助工具和導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，便于用戶應(yīng)用分析聯(lián)系，即根據(jù)文獻中規(guī)定的公式計算特征。
04
薄壁附加元件直接旋緊
在某些應(yīng)用領(lǐng)域，塑料的直接旋入達到極限，例如薄壁組件，不允許任何旋入圓頂?shù)慕M件，夾芯組件或極薄的薄片。
在這些應(yīng)用的情況下，可以利用特殊的附加元素，由塑料制成，并與薄壁組件機械鎖在一起，然后由不同壁厚的不同材料制成的部件可以用這些連接元件連接，如圖7所示。
它們是通過從組件的邊緣或通過表面的切口垂直于擰入方向安裝的。該元件可以補償主規(guī)中孔的任何公差。各種元件可用于不同的材料壁厚和孔間距。
圖8顯示了另一個由塑料制成的多功能緊固元件的例子，該元件具有多種執(zhí)行方式，并可選擇集成密封功能。厚度范圍達2.5毫米的子結(jié)構(gòu)可以加工，厚度范圍也可以更高。一個特別的優(yōu)點是可變裝配的可能性。
例如，裝配可以通過插接或連接和扭轉(zhuǎn)進行，并且可以自動化。
▲ 圖7
▲ 圖8
05
電測定特性的試驗程序
軸向拉伸試驗、測定扭矩和由此產(chǎn)生的預(yù)緊力以及持續(xù)扭矩的擰動試驗，主要用于確定塑料直接擰動接頭的連接性能，如圖9所示。
必須考慮到溫度的依賴性和松弛效應(yīng)。特別是在橫向力和彎曲的情況下，最好對構(gòu)件的承載能力進行測試。
06
應(yīng)用示例
通過汽車引擎蓋下進氣系統(tǒng)的實例，突出了塑料直接螺紋接頭的性能潛力。這些組件在使用中受到廣泛的熱動力應(yīng)力。
當然，自攻螺紋接頭也廣泛應(yīng)用于電氣、電子、白金屬電器、體育甚至玩具等行業(yè)。
