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1、1 自锁螺纹技术简介自锁螺纹技术简介 摘 要: 提出了机械自锁一般原理和螺纹自锁一般原理、自锁螺纹的理论力学模型和理想螺纹的概念， 介绍了自锁螺纹技术的特点，对自锁螺纹结构特点进行分析，提出自锁螺纹设计的参数选择方法，以及 自锁螺纹的标准化及推广体系建设的设想。 介绍了自锁螺纹技术的特点和推广应用前景 关键词：密封螺纹 自锁螺纹 普通螺纹 螺纹 高精度 公差 标准 自锁螺纹技术早在 1993 年提出，并于 1996 年基本形成体系，2001 年获国家专利局授予发明专利。 它属于一套名为 “理想极限螺纹及其制造工具” 的专利技术， 是为了解决传统螺纹在防松、 自锁、 密封、 匀应力等方面存在的问
2、题，全面提高螺纹的性能而提出来的。自锁是螺纹只是该发明专利技术方案中的 一个实施例。 一、 机械自锁一般原理与机械全自锁的概念 11 6 个自由度的概念 一个机械零件有 6 个自由度，它们是 X、Y、Z 座标三个轴方向各有一个平动和一个转动的 2 个自由度 之和。6 个自由度都消除，这个零件的位置就确定了，也就是说，这时零件是静止不动的。机床夹具设 计的定位就是依据这个原理进行的。只要这个消除自由度的装置有足够的强度对抗外来的动力，那么这 个零件的状态都能继续保持不变。 机械副的机械效率为零与机械的自锁 这个例子还有更深一层的意义，这就是一个零件位置的确定，相对于其消除自由度的装置来说，它是
3、静止不动的。它们之间实质上也是一个机械副。 发生在两个零件之间组成的机械副，它们之间相对静止不动，存在两种可能性，一是相对静止，即没有 任何力的作用下的静止不动；二是虽然有外力的作用下，但该机构的机械效率为零。组成机械副的两只 零件仍然是相对静止不动。 机械自锁概念的定义 自锁，理论上说，应是指机构的绝对静止关系与是否胡或没有外力作用无关。但实际上我们也认可， 在有力作用下的静止不动，机械效率为零而静止不动的状态，我们也认为处于自锁状态。机械自锁的定 义是：一对机械机构，在力的作用下，仍然保持静止不动，可称之为自锁。自锁的物理概念应为该机械 机构此时的机械效率为零。 4 机械全自锁的概念 要使
4、一个零件副（机械副）机械效率为零，它必须在 6 个自由度的方向都要为零，这个零件副才能确定 为自锁。所以， 机械自锁一般原理应定义为：零件副应在 6 个自由度方向全自锁。我们习惯上说零 件的自锁，一定是指全自锁，准确的说法应是零件在 6 个自由度的方向的自锁或静止不动，而绝不能是 一个自由度的自锁或静止不动，这是我们需要建立的新的观念。消除 6 个自由度，实现机械全自锁，我 们将此定义为机械自锁一般原理。 二、 一个典型的机械力学模型“球漏斗”结构模型 “点定位”原理 将一个六面体零件确定其位置，我们是非常熟悉的了，只需在定位体水平的 XY 平面有三点，在 X Z 和 YZ 平面分别选二点和一
5、点，就可以确定该 6 面体的位置了。这也是我们常说的“点定位原 理” 。 “球漏斗”模型 如果是一个球形的零件，要确定其位置，我们可以将球放在一个漏斗形的定位体中。与六面体放在上 面这个 6 点定位体进行定位的模型比较， “球漏斗”的定位装置模型更易使人看到这是一个机械副， 这是一个能消除 6 个自由度的机械副，这个被消除了 6 个自由度的机械副，是以一个圆锥面与一个圆的 切线实现的。 2 “球漏斗”模型可承受的载荷 这个机械副有一个很显著的特点，就是在定位后，对“球形零件”施加了一个合适的外力后，这个机 械副可以承受来自轴向和任意角度方向的径向（横向）载荷。 三、 螺纹自锁一般原理和自锁螺纹
6、副的力学模型 31 螺纹自锁一般原理 32 自锁螺纹副的力学模型 自锁螺纹副的力学模型是什么呢？从上面的“球漏斗”结构我们不难想到自锁螺纹副的力学模型了。 自锁螺纹副其实就是一对具有螺旋状的“球漏斗”或“球内锥体”结构的零件配合体，这个配合体 同样能消除个自由度，能承受来自轴向和任意角度方向的径向（横向）载荷。 33 自锁螺纹副与普通螺纹副的异同 普通螺纹副与自锁螺纹副有什么相同与不同之处呢？普通螺纹副之间的配合关系， 一对带状螺旋配合体， 它与自锁螺纹的配合，是一条螺旋线有很大的区别或不同。在宏观上，一条螺旋带与一条螺旋线之间， 好象没什么区别，但从原理的定义上，它就有重大的区别了，这就是定
7、位与超定位的关系。 理论力学告诉我们，一个超定位的物件，反而是一个不确定可靠的，会产生变化。一个“球内锥体” 的定位模型与一个“外锥体内锥体”的定位模型，在微观的角度下，以表面粗糙度的概念看，是两个 表面很不规整的平面贴合着，是一个“点阵”支承着。在施加有限的力（载荷）下，它们之间是被难以 被“压平”的，而在交变载荷的作用下，零件接触面之间则产生塑性变形，会破坏了零件之间原有的紧 密配合关系。 34 理想螺纹副的概念 在这里要引入理想螺纹副的概念。理想螺纹副是指一对表面绝对光滑，内外螺纹外形处于理想状态， 没有任何的形位误差的螺纹副。我们将此简化为“两个绝对”的概念，即“表面绝对光滑，形状绝对
8、相 同” 。理想螺纹副的力学性能与自锁螺纹副的力学性能才是一样的。 35 通螺纹副为什么不具有自锁性能 普通螺纹副为什么不具有自锁性能， 这是没有人回答过的问题。 普通螺纹副在理论上是具有自锁性能的， 但它要达到理想螺纹副的状态。但理想螺纹在现实中是不存在的，在工厂里我们是不能生产出理想螺纹 来的。因此，现实中的普通螺纹副是不具有自锁性能的。 四、普通螺纹副设计依据的“斜面滑块”模型包含的内涵 “斜面滑块”模型 普通螺纹副设计依据的“斜面滑块”模型包含的内涵 ，其实只是一个垂直方向机械效率为零的力学 模型，它并不是自锁螺纹副的力学模型。 “斜面滑块”模型的自锁能力 以机械自锁一般原理分析，满足
9、“斜面滑块”模型机械效率为零的状态，也只是满足消除轴向的那 一个自由度，一个“斜面滑块”机械机构，最多也只是消除了一个平面共同个自由度，如果“斜面 滑块”模型中的斜角大于其磨擦角，则这个状态的机构，只消除了两个自由度。 普通螺纹副的自锁能力 普通螺纹副只是消除了个自由度，最多是消除个自由度，还有径向的个自由度没有消除。这就是 为什么普通螺纹不能抵抗来自横向的载荷，碰到横向截荷，它就会松动失效的原因。 五、 实现普通螺纹副就是自锁螺纹副的结构 .1 生产自锁螺纹副条件或办法 理想螺纹和理想螺纹副在现实中我们是生产不出来的，但根据自锁螺纹副的力学模型，我们却是可以生 产出自锁螺纹副的。但这个螺纹副
10、却不是普通螺纹的牙型，起码有一方不是标准的普通螺纹牙型。能不 能想个办法实现普通螺纹副具有自锁性能性能呢？普通螺纹副的牙型结构能不能趋同于自锁螺纹副的 力学模型就是关键。 .实现普通螺纹就是自锁螺纹的最简单结构 3 理论上说，要使普通螺纹副就是自锁螺纹副，只要符合内外螺纹牙型角不相等就是了。说得容易明白一 点，就是外螺纹的牙尖角做得比内螺纹内角小一点就可以了。为什么会这样？正因为这样才使外螺纹与 内螺纹的接触，从面接触变为线接触了，这正好符合自锁螺纹副力学模型的要求。这也是实现普通螺纹 副就是自锁螺纹副的最简单结构。 .自锁螺纹副的受力分析 这种螺纹副看起来受力好象不均匀，但螺纹副拧紧受力会产
11、生变形，内外螺纹都会被拉长，其牙型也会 产生变形。所以普通螺纹的受力总是在前几牙的，第牙以后基本不受力。理论上，只要选择的牙型角 参数变量适当， 以这种生产自锁螺纹副的方法生产装配的自锁螺纹副， 其牙型受力面积比普通螺纹副大， 螺纹副承力牙数比传统螺纹的要多， 受力的均匀性比传统螺纹的要好。 这种牙型， 与 “预应力结构牙型” 设计的意义基本相同。 六、 自锁螺纹的精度、配合公差带、性能和使用 .自锁螺纹的精度与配合公差带 自锁螺纹副原理的发现和自锁螺纹副的发明，倒过来触使了高精度螺纹的原理的发现。这就是生产自锁 螺纹的精度可以直接执行GB1800 公差与配合标准。这使自锁螺纹的精度比传统螺纹
12、高出 6-7 个 IT 级，公差值可减少 90%以上，生产 IT6 级 H6/g6 配合，以及径向干涉（过盈）配合的螺纹副是件非常轻 松的事。这种自锁螺纹和径向干涉螺纹，以及同时具有自锁和径向干涉配合的螺纹副，都是可以重复装 拆重复使用的。 .生产自锁螺纹的工艺流程 生产这种自锁螺纹副的生产设备、生产工艺流程等与、生产传统螺纹是完全一样的。这种自锁螺纹，其 机械性能与保证载荷与传统螺纹一样（其中保证载荷因外螺纹径向尺寸可以加大到接近公称尺寸，增大 约 10%20%） ，使用操作与传统普通螺纹没有什么区别，可对传统普通螺纹进行完全的互换和替代。 .自锁螺纹的自锁性能 其自锁性能，可设计到承受按GJB715.3 紧固件试验方法 振动经受 1 万次/分钟的横向振动，达到 自锁螺纹的自锁性能的最高水平。 .自锁螺纹技术的适用范围 这种自锁螺纹的技术，适用于所有制式所有牙型（如梯形、公制、英制、径节、模数）的螺纹，既可大 批量生产，也可单件生产。
