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任赤兵:美制紧固件标准问与答(上)

  核心提示:美制紧固件标准作为常用标准之一,在使用中您一定会遇到很多问题,看了这篇文章估计您很多问题都会得到解答。

  1. 国际紧固件标准体系各有哪些特点?

  答:国际上紧固件有米制标准和英制标准两套独立的标准体系;米制标准体系是米制计量单位,以国际ISO 标准、欧共体EN 标准、德国DIN 标准和中国GB标准为主;英制标准体系是英寸制计量单位,又可分为两类即美国UNC/UNF 的英制标准(俗称美制)和英国的BSW/BSF 英制标准,见图1。

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  二大标准体系间不能互换,产品型式尺寸和基础条件不能统一,不能兼容;又由于美制紧固件产品标准与基础标准错综复杂的关系、标准套标准、各协会发布的基础标准相互交错,相互包含又相互独立;美制标准和国际ISO 米制标准是二套独立的标准体系,不能兼容,见表1、表2。

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  2. 美制紧固件标准体系有何特点?

  答:美国现行紧固件标准分别由美国各协(学)会发布,如ASME、SAE、ASTM、IFI,这些标准视等同于国家标准。美国紧固件产品尺寸、螺纹和质量标准是由美国工程师协会ASME 或少量的IFI 标准发布,而涉及紧固件的材料、机械性能、表面处理、表面缺陷和试验方法等基础标准又全部分别由ASTM 美国材料试验协会、SAE 美国机动工程师协会和IFI 美国工业紧固件协会的名义发布,见表3。

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  美国紧固件标准以英制标准为主流,但也有M 系列的米制标准,各种米制紧固件产品标准有独立的标准编号,一般在标准号后缀“M”;

  而机械性能和表面处理等基础标准在原标准编号不变,并后缀“M”。其米制产品型式尺寸和机械性能的内容和ISO 标准基本一致。

  美制紧固件产品和基础标准与ISO、DIN 标准不一样、不能互换。而且各协会间标准的内容相对独立、自成体系。这是美国紧固件标准的主要特点,见图2。

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  3. 美国IFI 标准汇编手册包含哪些内容?

  答:由北美地区的螺栓、螺母、螺丝、铆钉及工业紧固件制造商和贸易商联合组织,于1931 年成立美国工业紧固件协会(IFI),与美国内各协会合作并收集 ASTM、ASME、SAE 和IFI 紧固件产品和基础标准,出版(IFI) 紧固件英制和米制标准二套汇编手册;英制汇编手册至今已出版了9 版。第五版78 年出版,第六版88 年出版,第七版2003 年出版,第八版2011 年出版,仅隔三年于2014 年又出版《IFI-9版英制紧固件标准手册(2014)》。美国米制产品标准在IFI 第3 版米制系列紧固件标准汇编中。

  IFI 紧固件标准汇编手册是美制紧固件生产、技术和质量检验的依据,手册涵盖螺栓、螺母、螺钉、木螺钉、钢结构用螺栓连接副、垫圈、铆钉等紧固件产品标准及螺纹、机械性能和材料、表面处理、试验方法和质量保证等基础标准。

  4. 统一螺纹(UN 和UNR 螺纹)有什么特点?

  答:

  a. 美制UN 系列螺纹特点;

  统一螺纹(UN/UNR)和之前的美国国家螺纹是同种螺纹,二者螺纹是有同样规格直径、牙数,螺纹基本牙型是等边三角形,牙型角60°,牙顶牙底截短的轮廓,(与米制螺纹牙型相同),螺纹规格用公称直径和每英寸内的牙数标记,计量单位为英寸。螺纹标记代号为“UN”。统一螺纹基本牙型与尺寸, 见图16-3。

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  a. 螺纹大径d 为公称直径;
  b. 螺纹小径d1=d-2(5H/8);
  c. 螺纹中径d2=d-2(3H/8);
  d. H=0.866P;
  其中:P—螺距(P=1/n in ;
  n—牙 数/in)

  美制商品紧固件常用UN 和UNR 二大系列螺纹。UN 螺纹规定了牙型根部平底轮廓,要求牙底宽度不少于0.125P,UN 螺纹小径没有公差。

  UNR 螺纹牙型与UN 基本相似,但牙底必须是园弧状。二个系列螺纹齿顶可以是平的或园弧过渡轮廓。

  UN 螺纹适用于内螺纹和外螺纹,而UNR 螺纹仅仅适用于外螺纹。在没有其它规定情形下,UNR 螺纹可代替UN 螺纹。美制高强度紧固件规定≤ 1″必须是UNR 螺纹。统一螺纹的外螺纹中径和内螺纹中径公差是不同的,由于这个原因,规定了字母“A”表示外螺纹符号,字母“B”表示内螺纹符号。

  b. 粗牙螺纹UNC/UNRC

  粗牙螺纹UNC/UNRC 是适用于大批量生产的螺栓、螺母和螺钉,一般适用于低强度材料,该螺纹便于装配。因为粗牙螺纹有更高的抗剥牙性能,磨损小,应力小。

  c. 细牙螺纹UNF/UNRF

  细牙螺纹UNF/UNRF 一般用于高强度螺栓、螺母,细牙螺纹比粗牙螺纹牙型高度低些,小径大些,故拉力应力面积也大些。就外螺纹而言,在同样规格细牙螺纹比粗牙螺纹有更高的强度,在相同条件下,剥牙趋势要小些。细牙螺纹导程角小,因此也适用微调节装置。

  d. 固定螺距系列螺纹

  固定螺距系列螺纹(UN/UNR)具有每寸有螺纹牙数4、6、8、10、12、16、20、28 和32 个,是为了有特殊的要求,普通UNC 和UNF 系列螺纹不能使用的场合要求,提供了范围较广的直径和螺距组合的系列螺纹。其中8UN、12UN 和16UN 系列螺纹是常用的。

  8UN 系列螺纹适用于大直径或介于粗牙和细牙螺纹之间的固定螺距螺纹的组合。现广泛用来代替规格直径大于1 寸的螺纹组合,适用于钢结构建筑和石油化工程。ASTM A194 和A193 配套的大于1 寸规格优先采用8UN 系列螺纹。

  12UN 系列螺纹适用于中等细牙螺距的大直径的固定螺距螺纹配合。现广泛用来代替规格直径大于1 1/2 寸的细牙螺纹组合。
 
  16UN 系列螺纹适用大直径的固定螺距螺纹。它适用于调节衬套和制动螺母,同样也适用于规格直径大于1 11/16 寸的细牙螺纹组合。

  e.UNR 螺纹

  UNR 螺纹齿顶是平的或园弧连接,但齿型根部必须是园弧状,其园弧半径不小于0.108P, 见图16-4。

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  UNR 比UN 螺纹具有更高的抗疲劳强度, 能较好地适用于凹口灵敏材料,ASME B18.3:2012《内凹槽螺钉、轴肩螺钉和紧定螺钉》标准中A574 高强度内六角螺钉直径≤ 1″的螺纹应采用UNRC 螺纹。UNR螺纹公差、等级与UN 螺纹完全一致。

  5. 美制螺纹代号有何含义?

  答:美国英制螺纹代号有:

  UNC/UNRC——统一粗牙螺纹/ 外螺纹牙底为圆弧的粗牙螺纹;

  UNF/UNRF——统一细牙螺纹/ 外螺纹牙底为圆弧的细牙螺纹;

  UNEF/UNREF——统一超细牙螺纹/ 外螺纹牙底为圆弧的超细牙螺纹;

  UN/UNR——固定螺距系列螺纹/ 外螺纹牙底为圆弧的固定螺距螺纹,如4UN、6UN、8UN、12UN/4UNR、6UNR、8UNR、12UNR 等;

  UNS——特殊系列的统一螺纹。

  其中, 商品紧固件常用粗牙和细牙(UNC/UNF、UNRC/ UNRF)螺纹系列和固定螺距系列螺纹8UN、12UN。

  6. 美制紧固件螺纹检验有何要求与方法?

  答:为统一螺纹的检验测试方法,美国发布了ASME B1.3-2007 (2012R)《可接受尺寸的螺纹测量系统. 英制和米制螺纹(UN、UNC、UNJ、M 和MJ)》规定了螺纹三种测量方法,即“21”方法、“22”方法和“23”方法, 具体内容是:

  ——方法“21”:为确保螺纹在规定的旋合长度范围内的互换性,通规检验螺纹的最大实体尺寸,止规LO 或HI 检查螺纹单一中径和螺纹大小径。

  ——方法“22”:为确保螺纹在规定的旋合长度范围内的互换性,通规检验螺纹的最大实体尺寸时,也要控制螺纹全长的最小实体尺寸,同时检验螺纹齿型,其它要素不检验。

——方法“23”:为确保螺纹在规定的旋合长度范围内的互换性,除用通规检验螺纹的最大实体尺寸,还要控制螺纹全长的最小实体尺寸和其它所有螺纹要素:如导程角、半角、椭圆度、锥度等。

  从 “21”至“23”,螺纹的质量保证水平和检测项目在逐渐地提高,检验的成本也随着增加。美制螺纹检验体系的选择,见表4。

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  外螺纹检验标记:

  1/4—20—UNC—2A——(21)

  M6×1-6g ——(21)

  即用2A 螺纹环规GO 通规综合检验1/4—20—UNC 螺纹各个要素的最大实体尺寸;用2A LO 止规检查螺纹单一中径,还检查螺纹大径,作出合格与否的判断。

  内螺纹检验标记:

  1/4—20—UNC—2B——(21)

  M6×1-6H ——(21)

  即用螺纹塞规的2B 级GO 通规综合检验1/4—20—UNC 内螺纹各个要素的最大实体尺寸;2B 级HI 止规检查螺纹单一中径,还检查螺纹小径,作出合格与否的判断。

  7. 美制螺纹工作量规和验收量规如何分类?

  答:在螺纹的日常检验中, 经常出现对使用螺纹量规的争议。也就是说检验螺纹时,在用新量规和旧量规检验同一工件螺纹时,所出现不同的检验结论。这在出厂检验和日常出口贸易中是经常发生的,是争议最多的一项检验事件。

  美制标准规定采用螺纹量规检验商品紧固件螺纹是唯一可最终判定验收与否的测量方法。检查中使用螺纹量规和测量仪器时,如果紧固件的螺纹尺寸均在规定的极限范围内则不应拒收。

  螺纹通规GO(环规)检查螺纹的最大实体尺寸(作用中径),止规(HI 塞规)或(LO 环规)检查螺纹的最小实体尺寸(单一中径)。

  用光滑环规或光滑塞规检查,也允许用指示量规(千分尺)检查内螺纹的小径和外螺纹的大径尺寸。

  因为,螺纹量规的设计公差方向都在产品螺纹的极限尺寸之内。为解决在实际使用中因采用的新旧不同程度的量规, 而产生的争议,在美国标准ASME B1.2-1983(R2007)《统一英制螺纹的量规和测量》中分为工作量规和验收量规推荐采用表5 的方法。

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  8. 美制紧固件表面处理后对螺纹有何要求?

  答:a. 电镀锌螺纹验收量规,见表6。

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  b. 非电解锌片涂层(达克罗)螺纹验收量规,见表7。

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  c. 热浸镀锌螺纹检验

  a) 热浸镀锌后螺栓的螺纹检验

  ——检验螺栓或螺柱热浸镀锌后螺纹的合格性,用加大螺纹尺寸的螺母(尺寸尽量取加大上极限值)来检验,简称用螺母适配检验。如有争议时,用加大(X 公差,加大尺寸)的量规来验证(见ASTM A307-2014《抗拉强60,000PSI 的碳钢螺栓、螺柱和螺杆技术条件》第7.3 节。

  b) 热浸镀锌后螺母的螺纹检验

  ——热浸镀锌后内螺纹用加大尺寸的螺纹塞规检验。

  9. 美制外螺纹紧固件机械性能标准如何分类?

  答: 美制外螺纹紧固件机械性能根据强度、材料和工艺可分四类,见表8。

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  ASTM 和SAE 制订的螺纹紧固件性能标准,按内、外螺纹紧固件性能标准搭配关系可以分成五组,见表9。

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  10. 美制内螺纹紧固件机械性能标准如何分类?

  答:美制内螺纹紧固件机械性能根据保证载荷、材料和工艺可分四类,见表10。

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  11. SAE J429-2014 规定了哪些内容?

  答:SAE J429-2014《外螺纹紧固件机械和材料要求》适用于螺栓、螺钉、螺柱、组合件和≤ 1 1/2"U 型螺栓。产品按ASME B18.2.1、ASME B18.6.3 等标准规定。本标准规定了低、中、高强9 个等级的机械性能。螺栓、螺钉性能等级为:1、2、5、5.2、8 和8.2 级共计6 个,螺柱为:1、2、4、5、8 和8.1 级共计6 个。其中5.1 级仅用于组合件,5.2 级是低碳硼钢螺栓的等级,见表11。

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  12. ASTM A193 / A193M-2017 对B7 化学成分有何调整?

  答: ASTM A193 / A193M《用于高温或高压工况条件和其它特殊用途的合金钢和不锈钢螺栓技术条件》2017 年版对B7 的碳C、锰Mn、铬Cr 化学元素作了调整,见表12。

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  13. ASTM A354 规定了哪些内容?

  答:1) ASTM A354-2017《淬火并回火合金钢螺栓、螺柱和其他外螺纹紧固件技术条件》规定螺栓、螺柱等外螺纹紧固件必须选用合金钢材料,适用于一般常温条件下使用,也可与ASTM A193/A193M 的高温、高压条件下螺栓、螺柱等外螺纹紧固件配套使用;其中BD 级的大规格(≤ 11/2 英寸≤ d 规格≤ 4 英寸)螺栓可与ASTM A490 的钢结构用螺栓结合使用。

  2) 性能等级

  BC 级——最小抗拉强度为826 Mpa,与SAE J429 标准中5 级基本相同,但材料必须是合金钢。

BD 级——最小抗拉强度为1033 Mpa,与 SAE J429 标准中8 级基本相同,但材料必须是合金钢。

  3) 化学成份,见表13。

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  4) 硬度,见表14。

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  5) 机加工试件的机械性能,见表15。

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  未完待续,敬请关注第53期金蜘蛛《紧固件》季刊,精彩问答预告:

  14.美国外螺纹紧固件如何标志?
  15. SAE J995-2017规定了哪些内容?
  16. ASTM A194/194M-2017规定了哪些内容?
  17.美国内螺纹紧固件如何标志?
  18.选择美制外螺纹紧固件机械性能标准有哪些准则?
  19.美制外螺纹紧固件规定了哪些硬度试验方法?
  20.美制内螺纹紧固件规定了哪些硬度试验方法?
  21. 美国有哪些钢结构用紧固件标准?
  22.美制外螺纹紧固件机械性能标准更新
  23.美制内螺纹紧固件机械性能标准更新(2017年)

  作者:金蜘蛛紧固件网顾问专家 任赤兵
  本文原刊登于第52期金蜘蛛《紧固件》季刊,转载请注明来源于“金蜘蛛紧固件网”。
  金蜘蛛《紧固件》季刊电子版下载:http://www.chinafastener.biz/gb/ebook.aspx

2018/7/6 10:23:00

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本文涉及话题: 技术 紧固件

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