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自攻螺钉

自攻螺钉,或称快牙螺丝,为钢制经表面镀锌钝化的快装紧固件。自攻螺钉多用于薄的金属板(钢板、锯板等)之间的连接。连接时,先对被连接件制出螺纹底孔,再将自攻螺钉拧入被连接件的螺纹底孔中。

一、自攻螺钉发展

自攻螺钉是于1914年大批引入工业的。最早的设计(基本上是模仿木螺钉)是一种用淬硬钢制成的,末端为A型的螺纹成形螺钉,主要应用于连接供热和通风系统的薄板金属通道。因此也被称为:“薄板金属螺钉”。

到了20世纪20年代末,随着市场的拓宽和新的应用,强调新的设计,广泛提高了其应用性能。下面介绍自攻螺钉在40年发展中的四个不同阶段:螺纹成形自攻螺钉,螺纹切削自攻螺钉,螺纹辗制自攻螺钉和自钻自攻螺钉。
1.普通自攻螺钉(螺纹成形自攻螺钉)
普通自攻螺钉是早期薄板金属螺钉的直接产物。原理是:当把它拧入预制孔里时,通过紧靠着孔周围材料的移位,以及把材料推入螺纹之间的空隙,进而形成与螺钉相连接的内螺纹。
2.自切自攻螺钉(螺纹切削自攻螺钉)
由于普通自攻螺钉螺纹成形只有在相当薄.而且韧性好的材料上才能方便实现。研制把自攻螺钉的用途扩大到较厚截面和较硬、较脆及其他变形能力差的材料。这样就研制出了自切自攻螺钉:在螺钉杆部末端加工出切削凹槽或刃口。当把这种螺钉拧入预制孔里时,螺钉就起到丝锥的作用,实际切削出与自身连接的螺纹。
3.自挤自攻螺钉(螺纹辗制自攻螺钉)
20世纪50年代初,紧固件工程师们开始认识到自攻螺钉具有“结构性”的潜在优势,而不只是承担轻载荷的附件。这就导致人们研制出一种全新的自攻螺钉螺纹辗制自攻螺钉(自挤自攻螺钉)。根据冷锻成形丝锥设计原理,人们为这种螺钉专门设计了螺纹和末端,使得螺钉能通过在其螺纹的牙顶上,而不是在整个螺纹的侧面,施加间断的、周期性压力,从而形成连接的内螺纹。通过集中和限制成形压力,使紧靠着孔的受压材料更容易流动和更好地填入(挤入)自攻螺钉螺纹的牙侧和牙底。由于拧入的摩擦阻力远低于普通自攻螺钉,因此,螺纹辗制自攻螺钉(自挤自攻螺钉)能够拧入较厚的截面。同时具有较好的拧人控制和紧固扭矩,而且极大地改善了连接强度和整体牢固性。这种自攻螺钉的工程标准规定了材料的选择、热处理机械性能和工作性能要严格控制。

4.自钻自攻螺钉(自钻螺钉)

人们做过统计:在构成总装配成本的若十项费用中,最高的就包括孔的加工。自攻螺钉在实际应用中,需要加工预制孔。而且为了使预制孔在实际应用中起到良好的效果,必须要把这些孔的尺寸控制在相当严格的范围内。20世纪60年代初,出现了自钻自攻螺钉。由于不需要加工预制孔,为降低装配成本向前迈进了一大步。概括来讲,自钻自攻螺钉实现了钻削、攻丝和紧固的一次作业。
以上这些就是自攻螺钉设计和发展的四个主要阶段。另外有两项新研制的产品也值得介绍。两种均属于特殊螺纹型式的螺钉。一种设计的是用于塑料和其他低强度材料;另一种用于建筑工业,用来连接水泥墙板,故亦称之为墙板自攻螺钉。
二、自攻螺钉的结构
每一个自攻螺钉都是由头部、杆部和杆部末端三部分组成的。每一个自攻螺钉的构成都有四大要素:头部形状、扳拧方式、螺纹种类、末端形式。
1.头部形状
头部形状各式各样。有圆头(半圆头)、扁圆头、圆头凸缘(带垫)、扁圆头凸缘(带垫)、盘头、盘头凸缘(带垫)、沉头、半沉头、圆柱头、球面圆柱头、喇叭头、六角头、六角法兰头、六角凸缘(带垫)头等。
2.扳拧方式
扳拧方式是指安装和紧固螺钉时扭转螺钉头部的方式,基本方式有外扳拧和内扳拧两种。一般来讲,外扳拧比任何形式的内扳拧(内凹槽)允许的扭矩要更大一些。外扳拧:六角、六角法兰面、六角凸缘、六角花形等;内扳拧:一字槽、十字槽H型、十字槽Z型、十字槽F型、四方槽、复合槽、内花键、内六角花形、内三角、内六角、内12角、离合器槽、六叶片型槽、高扭矩十字槽等。
3.螺纹种类
螺纹种类繁多,有自攻螺纹(宽牙螺纹)、机螺纹(普通螺纹)、干壁钉螺纹、纤维板钉螺纹,以及其他一些特殊螺纹。另外,螺纹可以分为单导程(单头)、双导程(双头)、多导程(多头)以及高低牙双头螺纹等。
4.末端形式
末端形式主要有锥端和平端两种。但根据使用需要,在末端的旋入部分,可以加工具有切削功能的沟、槽、切口或类似钻头形状的部分等。在有的标准中,同样是锥端或平端,也有不同的形式如圆头端。
三、自攻螺钉的类型
根据自攻螺钉发展和演变过程,我们认为自攻螺钉的类型主要有以下几种:
1、普通自攻螺钉
螺纹为“自攻螺纹”,亦称“宽牙螺纹”。表面多为电镀。
2、自切自攻螺钉
我国标准称为“自攻螺钉刮削端”,螺纹为自攻螺纹或机螺纹,十字槽也是“H”型。自切自攻螺钉有以下几种型式:十字槽盘头自切自攻螺钉,十字槽沉头自切自攻螺钉。十字槽半沉头自切自攻螺钉,六角头自切自攻螺钉。
3、自挤自攻螺钉(自攻锁紧螺钉)
自挤自攻螺钉的螺纹一般为机螺纹,很少采用自攻螺纹。在扳拧方式中,为确保高速自动装配扳手的使用,一般不推荐采用开槽。自挤自攻螺钉的螺杆横截面为三棱形。所以也称为三角螺纹螺钉。
4、自钻自攻螺钉(自钻螺钉)
自钻自攻螺钉的螺纹,中国、德国和国际标准为自攻螺纹。美国ASME和SAE标准中BSD型自钻自攻螺钉为自攻螺纹,CSD型自钻自攻螺钉为机螺纹。自钻自攻螺钉不推荐采用“开槽”和“普通六角头”。
5、金属驱动螺钉(金属强攻螺钉)
金属驱动螺钉的螺纹为多头,并带有一定螺旋角的特殊螺纹。只有美国标准中有金属驱动螺钉,我国和德国标准中没有。
6、墙板自攻螺钉(干壁钉)
墙板白攻螺钉为喇叭头,十字槽(H型),60°牙型角的特殊螺纹,表面多为磷酸盐处理(磷化)。

7、纤维板钉

十字槽为Z型,表面处理多为电镀。纤维板钉有以下几种几种型式:沉头、双沉头纤维板钉,盘头、盘头凸缘(带垫)纤维板钉,半沉头、半沉头凸缘(带垫)纤维板钉。
8、组合自攻螺钉
普通白攻螺钉、自切白攻螺钉、自钻自攻螺钉等与平垫圈、弹性垫圈(包括弹簧垫圈、弹性锁紧垫圈形t成的组合自攻螺钉。
9.其他自攻螺钉类型
高、低牙双导程自攻螺钉,粗、细牙(不同螺距)螺纹自攻螺钉,螺纹涂有密封材料(耐落)的自攻螺钉,各种复合槽自攻螺钉,其他特殊设汁的自攻螺钉等。
总之,自攻螺钉种类很多,随着生产的发展,技术的进步,新材料、新结构、新的螺纹形式的,新型自攻螺钉类产品会不断出现。
四、自攻螺钉的特点
自攻螺钉种类虽然很多,但它们都具有以下几个共同点:
(1)一般都是采用渗碳钢制造(占总产量的99%)。也可以采用不锈钢或有色金属制造。
(2)产品必须经过热处理。碳钢自攻螺钉必须经过渗碳处理,不锈钢自攻螺钉必须经过固溶硬化处理。以使自攻螺钉达到标准所要求的机械性能和使用性能。
(3)产品表面硬度高,芯部韧性好。即“内柔外刚”。这是自攻螺钉性能要求的一大特点。如果表面硬度低,则拧不进基体中;如果芯部韧性差,一拧就断,也不能使用。所以“内柔外钢”是自攻螺钉满足使用性能的,非常重要的要求。
(4)产品表面均需要表面防护处理,一般是电镀处理。有的产品表面须经磷酸盐处理(磷化),如墙板自攻螺钉多为磷化。
(5)采用冷镦工艺生产。推荐采用高速冷镦机和高速搓丝机或高速行星式滚丝机生产。这里强调高速,是为了确保产品质量。只有高速机器生产的自攻螺钉头部成形好,螺纹品质高。
五、自攻螺钉的标准
总的来说,自攻螺钉的尺寸、机械性能和工作性能要求共有以下几个标准:
1.自攻螺钉尺寸标准
ASME B18.6.3 2010标准不仅介绍了开槽和十字槽自攻螺钉及金属驱动螺钉的尺寸,还包括碳钢自攻螺钉的机械性能和工作性能要求。附录给出了测量各种尺寸的说明及有关夹紧长度和试验孔径的应用指导。
2.自攻螺钉性能标准(包括机械性能和工作性能):
(1)SAE J933:介绍了碳钢普通自攻螺钉和白切自攻螺钉的机械性能和工作性能要求。进一步规定了原材料的选择、热处理、渗碳层深度及表面硬度、芯部硬度等方面的要求。
(2)SAE J81:介绍了自挤自攻螺钉(自攻锁紧螺钉)的机械性能和工作性能。
(3)SAE J78:介绍了自钻自攻螺钉的机械性能和工作性能。
(4)IFl-113:介绍了自钻自攻螺钉的机械性能和工作性能。
(5)ASTM C1513:介绍了碳钢自攻螺钉的机械性能和丁作性能要求。

对于其他特殊类型自攻螺钉,没有相应的国家标准或工业标准,也没有除碳钢以外的,其他金属材料制造的自攻螺钉的数据得到公认。有关这些自攻螺钉的技术数据,可以向制造者查询。