机械设计基础-机械零件的联接与紧固（图文教程）

    机械零件的连接与紧固方法很多，主要有焊接、螺纹连接、铆钉连接、销钉连接、键连接等等，这里主要介绍焊接与螺纹连接

（一）焊接

1、焊接特点

    通过焊接，被连接的焊件不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了金属内部组织之间的内在联系，其连接表面接近到原子间的结合力的程度，因此，焊接时往往采用加热或加压或两者并用的措施，以实现连接表面间的原子结合。

2、焊接方法

（1）熔焊：焊件连接处局部加热到熔化状态，再冷却凝固成一体，不加压完成焊接。按加热热源形式分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。

（2）压焊：焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热），如电阻焊、摩擦焊等。

（3）钎焊：采用低熔点的填充金属（称为钎料），熔化后与固态母材相互扩散形成金属结合。

3、焊接分类

4、焊接应用

（1）制造各种金属构件：房屋房架、桥梁、船体、车辆、飞机、火箭、压力、容器、管道、起重机、锅炉……。

（2）生产机器零件（或毛坏）、大型机件可达几十吨、百吨。

（3）修补铸、锻件的缺陷和局部受损零件。

5、焊接结构的缺点

（1）焊接接头的组织和性能有较大的不均匀性；

（2）焊接结构有较大的焊接应力和变形，不仅影响形状和尺寸，且降低结构和承载能力；

（3）焊接接头容易产生缺陷，且应力集中现象严重，在一定条件下，焊接结构比铆接结构更易出现脆断事故。

6、电弧焊和电渣焊简介

    焊件局部被加热到熔化状态，形成金属熔池，填充金属以熔滴形式向熔池过渡。手弧焊最常用。焊条药皮在熔化过程中，产生一定量的保护气体和液态熔渣，起隔绝空气的作用。液态熔渣在熔池中浮起，起保护液态金属的作用。

    和一般冶炼过程相比较，焊接电弧和熔池温度比一般冶炼温度高，金属元素强烈蒸发和烧损，又由于熔池体积小，从熔化到凝固的时间又短，温度变化快，冶金反应的速度和方向变化迅速，如气体和熔渣不及时浮出就会在焊缝中产生气孔和夹渣的缺陷。

如果低碳钢，采用光焊丝，由于熔化金属缺乏保护，空气中的氮、氧大量侵入，焊缝质量显著变坏。此外空气中的水份、焊件、焊丝表面的油、锈、水，使焊缝含氢量增加，引起氢脆性，导致冷裂纹和形成气孔。

    为了保证焊缝质量，必须采取措施，去除有害物质，增加合金元素。

7、焊条及其编号

    焊条由焊芯和药皮组成。

    焊芯在焊接中作为电极，传导电流，产生电弧。焊芯的质量至为重要，一般采用经过特殊冶炼的焊接专用钢丝（称焊丝），其化学成份不同，用途也不同。焊丝牌号前面第一个字符“H”，表示焊条用钢，如H08，H08A，H08MnA，H08Mn2SiA，H10Mn2等，国标有规定。

    药皮是涂在焊丝外面的涂料层。焊条药皮按其作用分为稳弧剂，造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂和粘结剂等。药皮的原材料由矿物、铁合金、有机物和化工产品等四类。多种原材料粉末按一定比例配成涂料，压涂在焊芯上。

    焊皮按熔渣化学性质分为两大类：以酸性氧化物（如：SiO2、TiO2等）为主的焊条称为酸性焊条；以碱性氧化物（如CaO等）和荧石（CaF2）为主的焊条称为碱性焊条。

    焊条牌号分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。

焊条牌号及意义举例：

    酸性焊条和碱性焊条的性能差别很大，使用时不可随意代替。

    酸性焊条操作工艺性好（如稳弧性好，容易脱渣，飞溅少、成形美观），对油、锈和水的敏感性不大，抗气孔能力强，焊接电源可采用交流或直流。因此酸性焊条广泛用于一般结构的焊接。结构钢焊条中，除低氢钾型和低氢钠型药皮外均为酸性焊条。

    碱性焊条脱氧能力强，药皮中有能起去氢作用的荧石，所碱性焊条焊缝金属含氢量低，抗裂性好，常用于焊接重要的焊接结构，其缺点是对油、锈和水的敏感性大，使用不当易产生气孔，药皮中CaF2产生的氟阻碍气体电离，电弧稳定性差，一般要求采用直流电，焊接时有毒烟尘多，应注意通风和防护。

8、焊接变形和应力

    焊接变形和应力的形成原因，是由于焊接接头区域受不均匀加热和冷却的作用，其膨胀和收缩受四周冷金属的拘束不能自由进行，会产生焊接变形和残余应力。焊接变形和应力总是同时存在，相互联系的，一般情况下，若母材塑性较好和结构刚性较小，则变形较大而应力较小，反之应力大而变形小。常见

    焊接变形有：缩短变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪形变形。

（1）预防焊接变形的工艺措施

①反变形法

② 刚性固定法

    用压板固定可减少变形，但会产生较大应力。

③ 采用合理的焊接顺序

    对1米以上焊缝可采用逐步退焊法、跳焊法、分中逐步退焊法；对中长焊缝

 （0.5~1米长）可采用分中对称焊法。

（2）焊接变形的矫正

① 机械矫正法：适于塑性好的材料，如低碳钢和普通低合金钢。

② 火焰矫正法：局部加热工件，利用加热时发生的压缩塑性变形和冷却时的收缩变形、矫正原来的变形，仅适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。

（3）焊接应力：

    由图看出，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的σ纵为拉应力，其数值可达到材料的屈服强度σ5（焊缝尺寸过小时除外）。

（4）减少焊接应力的工艺措施

①选择合理的焊接顺序：拼板时先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。

②焊前预热：减少焊件各部分温差，降低焊后冷却速度，减少残余应力。

③锤击焊缝，焊完一道焊缝后，用一定形状的锤均匀迅速锤击焊缝金属，使之得到延伸，可降低残余应力，又可减少焊接变形。

④加热适当部位，使之伸长。焊后冷却时，加热区和焊缝一起收缩，以减少残余应力。

（5）消除焊接残余应力的方法：

重要焊接结构焊后均应进行消除应力处理。常用消除应力退火（也称高温回火）来消除残余应力。一般在炉中加热到600~650℃，保温一定时间后随炉冷却（或空冷），可消除80%以上残余应力。

9、焊接结构的工艺性

    焊接结构工艺性包括材料选择、焊缝布置和焊接接头设计。

① 焊接结构材料的选择

    材料不同，焊接的难易程度差别很大，应选择焊接性能良好的金属材料制造焊接结构。低碳钢和强度级别不高的普通低合金钢（如16Mn等）具良好的焊接性，易于保证焊接质量。

不同种类的两种金属焊接难度很大，一般应尽量避免使用。

② 焊缝布置原则

 焊缝位置应便于焊接操作，焊条要能伸到焊接部位。

 焊缝应避开应力较大部位，尤其应力集中部位（应力集中的转角位置）焊缝要避开受力点，如焊缝不宜在转角位置。

 焊缝应避免过分集中和交叉。

 焊缝设置应尽可能对称，以减少弯曲变形。

 尽量减少焊缝长度和数量。

 焊缝一般应避开加工部位（或加工表面）。

③ 接头设计

 接头形式选择

   多种形式接头，要从变形及应力状态方面进行比较和选择。常见桁架结构多采用搭接接头。薄板气焊多采用卷边接头。

 坡口型式选择

    手弧焊常用坡口有I形、V形、X形及U型四种坡口，可用气割、切削加工（刨、车削等）等方法加坡口，不同型式适用于不同厚度金属板焊接。通常，要求焊透的受力焊缝尽量采用双面焊，利于保证质量，不能双面焊的工件可采用单面焊双面成形技术，设计相应的坡口形式。

    接头断面设计原则

    焊接接头两侧板厚或断面应相同或接近，使接头两侧加热均匀。

对接不同厚度钢板的重要受力接头时，若两板厚度差不超过下表规定，坡口形式和尺寸按厚板选取，若板的厚度差超过表中规定，在厚板上做单面或双面削薄弱，其削薄长度L≥3-4（δ-δ1）。

不同厚度钢板对接的允许厚度差（mm）

（二）螺纹联接

    螺纹联接因其构造简单，拆装方便，都已标准化，批量生产，成本低廉，联接可靠，有足够的强度、刚度和自锁性，广泛用于各种金属结构和机构中。

1、螺纹及螺纹联接的主要参数

    螺纹的外表面是圆柱螺旋线。圆柱螺旋线是沿着圆柱表面运动的点的轨迹，该点的轴向位移a与相应的角位移a成正比，在圆柱表面上，沿着螺旋线所形成的连续凸起和沟槽称为螺纹。

螺纹由外螺纹和内螺纹组成，按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。根据牙型可分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角形螺纹用于联接，后三种螺纹用于传动。

螺纹的主要参数有：

    线数：如果有两个以上的动点，同时在同一个圆柱面上作同样的螺旋运动，且轴向为等距分布时，则形成多线螺旋线。螺旋线的条数称为螺纹的线数，用n表示。

①旋向：点沿圆柱表面运动的角位移方向和轴向位移方向不同，螺旋线有右旋和左旋之分，螺钉顺时针旋入的称为右旋螺纹，逆时针旋入的称左旋螺纹，常用大多数螺纹都是右旋的。

②牙型角α，牙型半角α/2：在螺纹牙型上，连接牙顶和牙底的侧表面称为牙侧，相邻牙侧间的夹角α叫牙型角。牙侧与螺纹轴线的垂线的夹角α/2叫牙型半角。

③外径（大径）d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹外径（或大径），亦称公称直径。

④内径（小径）d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹内径（或小径）。

⑤中径d2：指一个假想的中径圆柱的直径，该圆的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。

⑥螺距P：相邻两牙在中线上对应相点间的轴向距离。

⑦导程S：同一条螺旋线上相邻两牙在中线上对应两点间的轴向距离，S=nP， 对单线螺纹而言，因n=1，所以S=P。

⑧螺旋升角φ：在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，。

用于联接的螺纹主要有：普通螺纹与管螺纹。普通螺纹牙型角60°，以外径d为公称直径。同一公称直径可有多种螺距的螺纹。其中最大螺距的螺纹叫粗牙螺纹，其余的都叫细牙螺纹。一般联接常用粗牙螺纹，据公称直径查标准选用。细牙螺纹升角小，自锁性好。细牙螺纹比粗牙螺纹钉杆强度高，但不耐磨，易滑扣，多用于薄壁零件。

    管螺纹有牙型角55°的英制细牙螺纹，公称直径为管子内径，还有圆锥管螺纹，牙型角有55°和60°两种，不同填料即可保证联接紧密性。

2、螺纹联接的主要型式，标准联接零件

    螺纹联接的主要型式有：

① 螺栓联接：当被联接件不太厚时，用普通螺栓贯穿两个（或多个）被联接的孔，再拧紧螺母，此种应用最广。

② 螺钉联接，如被联接之一较厚，即可采用螺钉联接。螺钉拧入深度与螺钉及被联接件的材料有关，按等强度条件决定的最小拧入深度可查有关手册。此种联接不适于经常拆卸的联接，经常拆卸可使螺孔磨损导致修理困难及被联接件的报废。

③ 双头螺柱联接：用于被联接件之一较厚而又经常拆装的场合。拆装时只需卸下螺母，不必拧出螺柱。

    设计时注意双头螺柱必须紧固。在拧松螺母时，保证螺柱在螺孔中不得转动。

    双头螺柱联接常用的紧固方式如下页图所示：

其中：

（a） 利用过盈配合螺纹，拧入螺纹孔，构成旋合全长横向收紧；

（b） 利用螺纹收尾部分（不完全螺纹）挤入螺纹孔构成局部横向收紧；

    利用挡环端面抵紧螺纹孔，并使螺柱轴向定位；

（c）利用螺柱顶部结构，抵紧螺纹孔底面，构成轴向固紧。

④紧定螺钉联接：将钉拧入一个零件的螺纹孔，使钉的末端顶住另一零件表面或顶入相应的坑穴。它主要用于固定两零件的相互位置，不宜传递很大的力或力矩。

螺纹联接用标准联接件主要有以下六种：

①螺栓：按加工精度不同分为粗制螺柱和精制螺栓两种。螺栓头部常用的有标准六角头，小六角头、方头……。

②双头螺柱：两端均制有螺纹，共拧入机体端的螺纹长度为L1，L1的大小与被联接件的材料有关，当钢对钢连接时，L1=d，当钢对铸铁联接时L1=1.25d和L1=1.5d，当钢对铝合金时L1=2d。

③螺钉：结构形状与螺栓类似，但螺钉头部形式较多，其中内、外六角头可施加较大的拧紧力矩。圆头和十字头都不便施加较大力矩，所以选用的直径不要过大，一般不超过10mm。

④紧定螺钉：其头部和尾部的形式很多，常用尾部形状有锥端，平端和圆柱端，一般要求尾端要有足够的硬度。

⑤螺母：常用六角螺母，亦有粗制和精制之分。按其高度不同分为标准螺母，扁螺母及厚螺母。如要求减轻重量且不常拆卸可用扁螺母，常拆卸时用厚螺母。

⑥垫圈：常用的附件，放在螺母与被联接件之间，可以保护支撑面或防止螺母松脱（弹簧垫圈等）。

3、螺纹紧固件的强度级别

    国家标准规定：螺纹紧固件按其材料机械性能分级，强度级别由数字表示：螺栓用两个数字表示，小数点前的数字为材料的抗拉强度σBmin/100，小数点后的数字为10×，两个数字相乘的10倍即为材料的最低屈服极限σSmin（MPa）。螺母用一个数字表示，为。为防止螺纹副咬死和减少磨损，应使螺母的材料级别比螺栓材料的级别低。

4、螺纹联接的预紧与防松

    按螺纹联接装配时是否拧紧，分为松联接和紧联接。固定滑轮的联接螺栓就是松联接的典型例子，这种螺栓只有在承受外载荷时才受到力的作用。

    实际应用中，绝大多数联接在装配时就需要拧紧，此时螺栓所受的力叫预紧力。预紧可增加联接刚度，紧密性和提高防松能力。

    联接螺纹标准件都能满足自锁条件。螺母或钉头与被联接件支撑面间的磨擦力也有助于防止螺母松脱。但是，如果温度变化大或承受冲击荷载，或振动都会使螺母逐渐松脱，设计时必须按工作条件及可靠性要求，结构特点考虑设置防松装置。这种防松装置一般可分为三类：

① 利用磨擦力防松，弹簧垫圈是结构简单、使用方便的防松零件，但因弹力不均而不十分可靠。还可用双螺母防松。还可用锁紧螺母防松。锁紧螺母上端开口后径向收口，拧紧后张开，靠螺母弹性锁紧，简单可靠，可多次拆装，用于较重要场合。

② 利用联接件的形状防松

    利用附加联接件的形状，或改变螺纹副的形状使螺纹副不能相对转动。其作法有：

六角槽螺母设置开口销，安装时在螺杆末端钻孔（指开口销）可用于承受冲击线载荷变化较大的联接。

    单耳止动圈：将其一边弯起贴在螺母侧面上，另一边弯下贴在被联接件的侧壁上，防松可靠。

    三联止动垫圈：将三个螺母拧紧后把垫圈的两边分别扳起贴在三个螺母的侧面上，使三个螺母彼此制约。

    串联钢丝：用于螺钉数目不多且排列较密的联接，注意钢丝穿联方向，图中右图方向合理，防松效果，但安装费时。

     端面冲点：属于永久止动，用于不拟拆卸的螺纹联接。

③ 利用附加材料防松，如将螺母焊在钉杆上，侧面焊死，或用粘合剂涂在螺纹表面，不仅防松还可密封。

5、螺栓组结构设计应考虑的因素

① 从加工看，联接接合面的几何形状应尽量简单，常使螺栓组的形心与联接面的形心相重合。最好有两个对称轴，加工计算都方便。通常采用条状或环状接合面，减少加工量和接合面不平的影响，同时增加联接刚度。

② 受力矩作用的螺栓组，螺栓布置尽量远离对称轴，同一圆周上螺栓数目应采用4，6，8，12……便于划线和分度。

③ 螺栓受力要合理，对受横向载荷的普通螺栓可采用减荷装置。或改用铰制孔螺栓，尽量避免螺栓受附加弯曲载荷（如支承面不平，螺母孔不正，被联接件刚度小，联接机体孔偏斜等）。

④ 装配时使每个螺栓的预紧力一样，使接合面产生均布压力。因此相邻螺栓的中心距t一般应小于10d。对有紧密性要求的联接，要按有关规定设计t值。t值大小还要考虑扳手的活动空间，因此t值也不能太小。

6、螺栓组受力情况

① 受横向载荷的螺栓组联接：包括螺栓组连接、普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。

对普通螺栓联接，螺栓预紧后在结合面间产生压紧力，靠磨擦力抵抗横向外载荷。

对铰制孔用螺栓联接，在横向外载荷作用下，螺栓杆承受剪切和挤压。

② 对受旋转力矩的螺栓组联接，其受力情况与横向载荷基本相同。

③ 受轴向载荷的螺栓组联接：多螺栓受力均匀，其轴线相同，设想螺栓均布，每个螺栓受外载荷相同。

④ 受翻转力矩的螺栓组：翻转趋势与M转向相同。当M作用后0~0左侧的螺栓被拉紧，轴向拉力增大，右侧的螺栓被放松，螺栓的预紧力QP减小。

图（b）为在预紧力作用下，接合面间的挤压应力分布图。

图（c）为翻转力矩作用下，接合面间的挤压应力分布图。

图（d）为不考虑受载螺栓预紧力变化时，翻转力矩产生应力与预紧力合成后，挤压应力的分布图。由图看出，接合面左边缘挤压应力最小，右边缘挤压应力最大。

螺栓联接设计时，不论其受什么样外载荷，均先求出螺栓组受的总合力，然后再进行单个螺栓的强度计算。

7、提高螺栓联接强度的措施

① 改善螺纹牙间载荷分配不均现象

    从刚度变形来分析，在力的传递过程中，螺栓受拉，螺距增大，而螺母受压螺距减小，两者螺距的变化差要靠旋合螺纹的弯剪变形来协调补偿。研究情况表明，从螺母支承面算起第一圈纹牙变形最大，第二圈次之，以后递减，因此采用圈数过多的螺母并不能提高联接强度。为改善螺纹牙上载荷分布的不利情况，常采用的方法有：

    设悬置螺母，使母体和螺栓都受拉，减少螺距变化差，使螺纹牙上载荷分布均匀。

    用内斜螺母，螺母旋入端制成10°~15°的内斜角，原受力大的下面几圈螺纹牙受力点外移，刚性随之减小，载荷上移，使载荷分布趋于均匀。

    环槽螺母，螺母开割凹槽，造成螺母部分受拉，作用同设悬置螺母。

这些措施加工复杂，只适用于重要场合。

② 减少螺栓应力幅

    受交变载荷的螺栓联接来说，增加螺栓长度、减小螺杆横截面积或减小螺杆材料的弹性横量E都可降低螺杆刚度，如采用柔性螺栓。

    减少应力集中，在螺栓的螺纹牙上、螺纹收尾处、过渡圆角处、杆截面变化处都有应力集中。其中螺纹牙根的应力集中影响很大，可增大牙根的圆角半径，如将r=0.1443p增为r=0.21p，螺栓联接强度可提高24~40%。此外加大钉头钉杆过渡圆角，切制卸载槽及采用卸载过渡，螺纹收尾退力槽等均可减少集中应力。

    这些措施的缺点是增加了成本，只在重要联接时使用。

④ 避免附加应力

    如支撑面不平、螺母孔不正、被联接件打孔不在一条直线上，被联接件刚度过小，钩头联接，都使联接产生附加应力，设计中要加以避免。

⑤ 采用合理的制造工艺

    制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响，加工时螺纹表面层中产生的残余应力应想办法消除。

滚压螺纹比车制螺纹工艺好。车制螺纹把本来表面质量较好的棒料车去，金属纤维也被车去不合理，而滚压螺纹是利用材料的塑性成形，滚压后金属组织紧密，螺纹工作时力流方向与材料纤维方向一致，其强度比车制螺纹提高40—95%。

    对螺纹表面氮化，氰化等表面硬化处理也可提高螺栓的疲劳强度。