螺纹成形与拧紧工艺的试验研究外文翻译资料

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Experimental study of forming and tightening processes with thread forming screws

Received 27 January 2011, Revised 28 October 2011, Accepted 31 October 2011, Available online 6 November 2011

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doi:10.1016/j.jmatprotec.2011.10.029

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Abstract

Thread forming screws are being increasingly used, particularly in the automobile industry. They are designed to directly assemble two parts by displacing material to form their own thread. This specificity implies knowledge of the screwing torque needed for the thread to be formed in the lower plate of the assembly and of the tightening torque necessary so as to establish the preload in the assembly. The experimental study presented in this paper is divided into two parts.

The first concerns the thread forming process and shows the influence of the geometrical parameters of the thread forming screw and of the work-piece, and the influence of the process parameters on the maximum forming torque. A compromise can be proposed for the choice of the lead hole diameter, which is the most important parameter to be considered in order to keep a reasonable forming torque while obtaining threads deep enough to avoid stripping problems.

The second part concerns the tightening process. An original experimental device is used to enable an empirical formula to be proposed, based on the ISO standard screw formula giving the tightening torque according to the preload applied inside the assembly.

Keywords

  • Thread forming screws;
  • Thread forming torque;
  • Chipless assembly;
  • Tightening torque

Nomenclature

Cs

tightening torque (Nm)

Cu

useful torque (Nm)

CR

recovery elastic torque (Nm)

D

mean trilobed diameter of the forming screw (mm)

Di

outside diameter of the formed threads (mm)

Ep

thickness of the plate (mm)

F

axial load on the screw (N)

F0

axial preload (N)

N

rotation speed of the forming screw during the process (tr/min)

Re

yield strength (MPa)

Rm

rupture strength (MPa)

d0

lead hole diameter (mm)

d2

standard diameter of the threads flank (mm)

f1

thread friction coefficient

f2

under screw head friction coefficient

rho;1

mean radius of the theoretically contact area (mm)

1. Introduction

At present, thread forming screws with a trilobed core are one of the most popular assembly procedures in the mass production industries, particularly in the automotive industry. Thread forming screws are designed for the direct assembly of two parts by a thread forming process in the lower part of the assembly. The process avoids the finishing operations necessary with traditional screws and the chip evacuation problems encountered with self-tapping screws. However, few studies related to thread forming screws are to be found in the literature, partly because no dimensional specifications exist for these kinds of screws, except for ISO 7085 (1999). Most of the published works concerning form tapping are based on experimental studies and on mechanical models for load calculation during the finishing processes. Hayama (1972) analyzed auto forming screws and established a mechanical model using the minimal energy method together with a theory based on the study of a partially plastically deformed thick cylinder. At the same time, Henderer and Von Turkovich, 1974 and Henderer and Von Turkovich, 1975 developed an approximation model by considering the tapping process as an indentation problem whereas Chowdhary et al., 2002 and Chowdhary et al., 2003, in a later study, took the elastic reversal process into consideration when calculating the tapping forces. It should be noted that the applicability of the results from these studies is limited to their experimental conditions since several coefficients were obtained by reverse identification from the experiment. Seneviratne et al., 2000 and Seneviratne et al., 2001 investigated an assembly made up of plates of vulnerable materials using M4 and M6 thread forming screws to monitor the tightening torque in an automated assembly line. Fromentin et al. (2005) conducted experim

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螺纹成形与拧紧工艺的试验研究

摘要

螺纹成形螺钉正被越来越多的使用，特别是在汽车工业。它们被设计成直接组装的部件，通过取代材料形成自己的线程。这种特异性意味着螺栓拧紧力矩为线程在组件的下板形成所需的必要和拧紧力矩从而建立预压装配知识。本文提出的实验研究分为2个部分。

第一个问题是螺纹的形成过程和表现的螺纹成型螺丝的几何参数和工件的影响，以及工艺参数对最大成形力矩的影响。一个折衷的方法可以提出的引线孔直径的选择，这是最重要的参数，以保持一个合理的成形转矩，同时获得足够的线程，以避免剥离问题。

第二部分涉及紧缩的过程。一种原始的实验装置是用一个经验公式，根据在装配上施加的预紧力的拧紧力矩，提出了基于标准的螺杆式。

关键词

螺纹成型螺丝；自攻力矩；无芯片组装；拧紧力矩

命名

Cs tightening扭矩（Nm）

Cu useful扭矩（Nm）

Cr recovery弹性扭矩（Nm）

D 三叶螺旋直径（mm）的形成

Di 外直径形成的螺纹（毫米）

Ep 板的厚度（毫米）

F 螺钉轴向载荷（N）

F0 轴向预载(N)

N 在这个过程中形成的螺旋转速(tr/min)

Re 屈服强度 (MPa)

Rm 断裂强度(MPa)

do 铅孔直径(mm)

d2 螺纹侧面的标准直径(mm)

f1 螺纹摩擦系数

f2 下螺旋头摩擦系数

rho;1理论接触面积的平均半径(mm)

1。简介

目前，螺纹成型与三叶芯螺丝是在大规模生产的行业最受欢迎的汇编程序，特别是在汽车行业。在装配的下一部分中，通过一个线的形成过程，设计了螺纹成形的螺钉，也设计了螺纹的直接装配。该工艺避免了与传统螺钉所需的完成操作和使用自攻螺钉时所遇到的切屑问题。大多数已发表的作品，在整理过程中的载荷计算是关于形成窃听的基础上的实验研究和力学模型。Hayama (1972)分析自动成型螺丝和使用最小能量法和基于局部塑性变形的厚壁筒理论建立力学模型研究。同时， Henderer和Von Turkovich, 1974和Henderer和Von Turkovich，1975开发了一个近似模型通过考虑出钢过程作为一个压痕问题而Chowdhary等人，2002和CChowdhary等人，2003，在以后的研究中，把弹性反转过程考虑的切削力计算。应该注意的是，从这些研究的结果的适用性是有限的，因为几个系数从实验中得到的反向识别的实验条件。 塞纳维拉特纳等人，2000与 塞纳维拉特纳等人，2001调查的组件由使用M4和M6螺纹成型螺丝的自动装配线的拧紧扭矩监测脆弱的材料板。弗罗芒坦等（2005）根据不同材料的变形，特别是高强度钢进行了试验研究。在这项研究中，在变形过程中的材料流和线程的形状和机械特性进行了检查。最近，Warrington等人（2005）用一个压痕法，在实验研究的基础上，研究了螺纹孔的形状。Mathurin等人（2009）开发了一种三维有限元模型，分析了贯穿整个成形过程的物料流，并通过参数化研究确定最有影响的工艺参数。文献回顾发现，没有实验研究已经进行了优化的参数的选择，最大限度地减少最大的形成转矩，并提出了一个经验模型的拧紧力矩，以申请的预载与成形螺丝。在形成和拧紧过程中，特别是关于应用负载与标准异型材和一个标准的异型材的螺纹成形螺钉之间的比较传统的螺杆显示不同的影响（图1）。

图1

成形螺旋插入过程中的扭矩与转角曲线

螺杆的插入过程可分为三个主要阶段：螺杆的形成，螺杆的推进和拧紧。在第一阶段中，工件的工作件螺纹是由材料从直径大于直径的区域的直径的区域的位移而形成的。当所有的螺丝的裂片在与该部分的锥形部分断裂通过下部的孔时，最大限度的挖掘扭矩。因此，扭矩减小到第二阶段时，所有的线程已形成的弹性恢复转矩。第三阶段涉及螺钉拧紧，包括弹性恢复力矩和拧紧力矩。自动螺丝刀技术的使用允许最大限度的形成扭矩被知道，并控制最终的拧紧力矩。为了达到这些目标，三种不同的方法进行了研究。第一个用三维有限元的一个螺纹成型ABAQUS的螺钉装配过程建模（2009）研究表明，不同的参数，但所需的时间是令人望而却步的影响，这种技术不能用于正常的设计实践。第二种方法提出了一种分析模型的基础上，在一个完美的塑料材料（2011）在一个刚性的角度楔形的径向渗透的基础上的分析模型。有一种方法采用滑移线法，采用平面模型，在连续两个相互作用的考虑。它使螺纹的平均压力，得到作为一个函数的形成的螺纹高度。从这些结果中，所形成的螺杆和几何形状的知识允许的最大形成转矩的近似表达式，以显示在开发过程中所涉及的物理现象的位移和提供的重要参数，特别是引线孔直径和螺杆入口角。第三种方法是最有效的工业用途。它是基于实验研究，并导致发展的经验和分析模型，使自动化的监测和控制策略，制定并付诸实践。这项研究的目的是描述的分析模型，纯粹的实验设计的基础上。这项研究分为2个部分：第一部分是对成形过程的关注，二是对拧紧过程的关注，并引出了一个新的拧紧力矩的经验公式。

2。成形过程的实验研究

与标准异型材的尺寸规格相比，标准的核-国际标准化组织7085（1999）关于成形螺钉似乎不完美。螺纹和成形螺钉的装配过程中，其几何特性和材料的螺丝和所形成的线程是不足够资格的。因此，预测在螺纹成形产生力量的能力，它允许最大成形扭矩和拧紧力矩进行计算，将在更好的螺纹成型螺丝的设计，在拧紧导致最优结果的选择是有帮助的。实验研究发生在几个阶段。第一阶段调查的过程中，以确定的主要参数的过程中的线程的形成过程中的参数的敏感性。这些参数的影响上的扣扭矩和螺纹紧固件的几何形状进行测量，并导致更详细的实验调查的成形过程和厚钢板的拧紧过程。

2.1。实验装置

试验装置为二三叶成型螺钉M8times;1.25而无铬6，它制造一个M8的公制标准螺纹。他们被称为1号和2号螺丝钉。两者的主要区别是螺纹成形区的几何形状。第一个螺丝有一部分线程而第二螺杆与一个完整的线如图2所示有一个球形的–锥螺纹几何锥形铅。

图2

研究了成形螺钉的末端。

用于调查的形成过程的实验装置如图3所示。

图3

成形过程研究的实验装置

操作系统是由一个市售的斯坦利自动螺丝刀（1）完全连接到一个移动驱动程序（2）。螺丝刀有一个电–气动控制界面启动和收缩螺旋的形成。控制器单元通过一个可编程逻辑控制器实现，并允许将螺丝刀的顺序完全编程。可编程逻辑控制器由一台个人计算机（9）通过“主控制程序”来监督，从而使由上位机发出的简单启动和停止命令启动和终止螺杆驱动序列。该装置被安装在两根垂直柱上，用两只球轴承（4）。完整的组件是由一个配重平衡。一般来说，自动螺丝刀是受雇于人的运营商和技术设备能够模拟和控制由操作员在拧紧过程中施加轴向压力，通过面积加权（5）。支撑板在实验室制造和安装上的奇石压电测力仪（多通道电荷放大器–4通道）测量螺栓拧紧力矩和轴向预紧力在整个实验。试件在S235钢或铝，安装在一个特定的组件，使试件和螺丝刀的中心轴对齐的引线孔轴线。多通道电荷放大器连接到另一台电脑，由压电测功仪获得的测量输入。所有的工作件都是由一个60毫米宽的轧制金属型材，因为它的良好的几何规格，允许没有任何加工的试样的位置。每个工件只是锯和钻孔获得精确的孔。最初，该孔是在立式铣床上使用生产条件密切行业的铰刀加工。这个过程是适用于敏感性的研究不仅是因为对产生的孔的直径的过度分散，可能是由于缺陷对机床拉刀。因此，所有其他的工件上的孔是由一台数控机床，这导致了良好的精度和良好的重复性的工作件制造。为了减少螺丝刀中心轴线与工件轴线之间的对准引线孔缺陷，每个试件的标记，它总是在同一位置的实验中。拧紧扭矩测量的精度plusmn;5%。每一个测试工件的引线孔的直径测量四倍，与一个微米和引线孔直径为四测量的平均。测量精度为0.01毫米。对于每一个测试，得到一个图代表瞬时拧紧力矩与时间。图4显示了一个拧紧力矩图一拧360转的转速与100 N有7.45plusmn;引线孔直径0.05毫米8-mm-thick S235板的轴向力。曲线是类似的数值模拟，在转矩达到最大所对应的攻丝扭矩的增加，然后下降到相应的弹性恢复力矩的第二阶段，它几乎保持不变，取决于摩擦系数（塞纳维拉特纳et al.，2000，STeacute;藩等人，2011）。它可指出最大拧紧力矩或攻丝扭矩对应的扭矩加上弹性恢复力矩的形成。一系列有规律间隔的峰出现在实验的剩余时间。这些峰是不存在的，在模拟过程中发生，因为螺杆是稍微偏离中心相对于引线孔轴。螺纹形成区的几何形状使线通过连续工作叶的作用逐步形成。当第一三个裂片在接触时，在其接触区域的差异导致螺杆上的位置偏离中心平衡作用于它，从而产生转矩波动。知道每个测试的螺丝刀的速度，它可以被验证的时间间隔2个峰之间的图形对应的时间，一个螺丝旋转（图4）。

图4

瞬时拧紧力矩随时间变化的曲线

2.2。接触区的几何建模

首先，进行了敏感性研究，以确定参数的影响最大的以下测试。三参数取决于工件：铅孔直径（D0），工件的材料（M）和板的厚度（EP）。双操作系统参数是旋转速度（N）和螺丝刀（F）的轴向力。这些参数的影响是衡量一个单一的输出参数，最大的窃听转矩（图5）。该研究采用了一个完整的实验设计，其中每个参数有2个水平。所有的水平被选为接近工业工艺条件如图5所示。

图5

研究参数对最大攻牙扭矩的影响。

一个实验设计分析估计各个参数对输出测量的影响（baleo et al.，2003）。128个试验测得的最大扭矩的平均值为6.44纳米。从实验中获得的主要影响如图5所示。随着 2.01，minus;2.35和-1.52影响，分别可以观察到，过孔直径、板的厚度和材料的最大攻丝扭矩的影响最大。

图5显示的是自动螺丝刀的转动速度和施加在其上的轴向力都没有显著的影响，因为它们的影响是接近于零的时间间隔研究。一个轴向力是必要的，开始形成的过程，但一旦开始的过程，螺丝刀的轴向力不再是必要的。因此，三个参数被定义为下面的测试的输入变量：钻孔的直径，板的厚度和板的材料。四分之一个参数被认为是实验研究，因为2个不同的成形螺钉进行了测试，螺钉1和螺钉2（图2）。板测试了S235钢（Re = 560 MPa，RM = 600 MPa）和ags6060铝（Re = 210 MPa，RM = 240 MPa）从5毫米和8毫米挤塑板加工。这些参数的影响，指出在攻螺纹的螺纹形状和机械阻力的线程。使用几个部分的实验，重复四次，每个输入参数的测试。四个板的测试是显微分析和其他三人将时间用于研究螺纹的机械阻力。通过扫描电子显微镜观察脊形。机械阻力试验为螺纹剥离试验。

2.3。实验结果分析

图6显示了测试结果。图给出了2个螺钉的螺纹孔直径的最大值，两个板的厚度和双板材料。曲线可以分为2个区域。第一个对应于大的引线孔直径，其中最大的攻转矩增加缓慢的孔直径减小。在二区，随着孔的直径继续减少，最大的攻转矩迅速增加，与波动取决于输入参数。

图6

最大攻螺纹形状。

结果表明：铅孔直径、材料类型和板厚是影响螺杆成形的最有影响的参数。所研究的2个螺钉的结果并没有表现出相同的行为过程中的过程。这是由于不同的几何规格的螺纹形成区。螺杆2号被证明是最有趣的，如果目的是为了减少最大的攻牙扭矩。形成的螺纹的形状表明，该螺杆具有最佳的成型工艺。在最大攻螺纹扭矩的增加，在铅孔直径的减少，出现了1个螺丝2比第三个螺丝钉。所完成的线形式的图像之间的比较，可以看到这种差异。由螺旋2号形成的脊显示了一种情况，在那里的尖端芯片的尖端和干扰的交配部分。螺丝的螺纹形成区域之间

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