自攻螺丝的应用及检测方法.docx

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自攻螺丝的应用及检测方法

自攻螺丝的应用及检测方法

   自攻螺丝

   自攻螺丝虽然已使用很久,一般也知道怎么制作,但对于各规范所规定之标准及要求,也许并不是很清楚,在此仅藉由收集来之规范,整理出一份适合大家阅读,使能对自攻螺丝有多一层之认识.自攻螺丝是在金属或非金属材料之预钻孔中自行攻钻出所配合阴螺纹之一种有螺纹扣件.具有高拉力,单件,单边组合特色.由于其自行成型或攻出其配合螺纹,因此在组合上具有高防松能力,且可以装卸.在小形螺丝上其尺寸、螺纹型式、头型、攻钻性能在工程用途上几乎无可限量.

   1发展（Evolution）:

自1914年自攻螺丝开始商品化.第一次之设计─主要源自木螺丝─系属可渗碳钢锥尾A型螺纹成型螺丝.当时主要之用途是用在空调系统导管上铁皮之接合,因此又叫做铁皮螺丝.经过80余年之发展,共可分为四个时期─螺纹成型、螺纹切削、螺纹滚成及自钻。

   螺纹成型自攻螺丝（ThreadFormingTappingScrews）─系直接由铁皮螺丝发展而来,螺纹成型自攻螺丝使用时须预先钻孔,再将螺丝旋入孔中,强力挤出配合阴螺纹,而原来在阴螺纹位置上之材料将被挤到阳螺纹之间,此谓之螺纹成型自攻螺丝.仅可适用于薄且具有可塑性之材料,因此又发展出;螺纹切削自攻螺丝（ThreadCuttingTappingScrews）─在螺纹之尾端切割出一或多道之切削口,使能在旋入预钻孔时,利用螺丝尾部及牙部以类似螺丝攻的方式切削出配合阴螺纹.它可以用在厚板,比较坚硬或易碎等不易塑造之材料,.

   螺纹滚成自攻螺丝（ThreadRollingTappingScrews）─三角牙自攻螺丝,又称为TypeTT（TypeTai目前仍有专利）系基于成型螺丝攻之原理发展而成,螺纹滚成自攻螺丝具有特殊设计之螺纹及尾端使螺丝可以在断续之压力下自行滚成配合之阴螺纹.同时在孔周围之材料可以更轻易的填补自攻螺丝螺纹及牙底之空间,由于其磨擦力较螺纹成型自攻螺丝为小,因此可以使用在更厚之材料上,旋转所需之扭矩更好控制,且组合后强度更高.螺纹滚成自攻螺丝其工程标准定义比成型或切削自攻螺丝在材料,热处理,强度上之定义更高且更为明确,使得螺纹滚成自攻螺丝成为真正的”构造用”扣件.

   钻尾自攻螺丝（SelfDrillingTappingScrews）─又称为Tec,在组装自攻螺丝之所有过程中,最耗费成本的是预钻孔的准备.自攻螺丝的使用,必需先钻孔.而且孔径也必需限制.无需预钻孔而在某些方面可以节省成本.这就是集钻,攻,旋紧于一次作业的钻尾自攻螺丝.钻尾螺丝的表面硬度及心部硬度比一般自攻螺丝高一点,这是因为钻尾螺丝多了一个钻孔之作业,另外钻尾螺丝尚需作贯穿试验,用以测试螺丝可以在规定时间内钻孔并攻出螺纹.上述为四种主要自攻螺丝之设计及发展过程,另有两种为特殊螺纹设计之螺丝,第一种为;高低牙自攻螺丝（High–LowTappingScrews）─使用在塑料或其它低密度材料。

双螺纹设计,高螺纹（牙部外径较大）具有更平更尖锐螺纹角为30度之螺纹型式.低螺纹（牙部外径较小）具有一60度之螺纹角,牙高只有高螺纹的一半.高低螺纹之组合设计降低了旋转扭矩,改善了拉出强度,大幅降低了组合工件破裂的危险性另一种用在建筑工业上乾墙（Drywall）之组装用途上.,具有此类螺纹设计之自攻螺丝特别适合于塑料,零件板及木头.

   另一种为;双螺纹自钻尾喇叭头自攻螺丝（TwinLeadSelfDrillingPointTappingScrews）─组装时可以轻易旋入乾墙,在钢铁牙条上自钻一洞并攻出配合之阴螺纹.其喇叭头具凹入之承受面可以在旋入时不至于破坏到壁纸或石膏表面.大多数之自攻螺丝均属于商业用途,例如当自攻螺丝以组合螺丝（SEMS）提供时,可以提供更紧密之服务.而螺丝如具有粗细螺纹特殊设计者则系著眼于组装后之防松.

2工程标准:

自攻螺丝之尺寸，机械性，功能性能有下列标准:

ANSI/ASMEB18.6.4─ThreadFormingAndThreadCuttingTappingScrewsAndMetallicDriveScrews（InchSeries）

SAEJ933─MechanicalandQualityRequirementsForTappingScrews

SAEJ81─ThreadRollingScrews

SAEJ1237─MetricThreadRollingScrews

SAEJ78─SteelSelf-DrillingTappingScrews

FIP1000─TappingScrewsPerformanceSpecifications

DIN7500─ThreadRollingScrewsForISOMetricScrewsThread

DIN7504─Self-DrillingTappingScrewsDimensions,RequirementsAndTesting

ISO2702─Heat-TreatedSteelTappingMechanicalProperties

JISB1055─MechanicalPropertiesForHeat-TreatedSteelandStainlessTappingScrews

   3.1螺纹型式:

标准自攻螺丝辨识字符，包括代表螺纹及尾部型状之符号.自攻螺丝有一个或两个代表螺纹的字符用以代表机械螺纹或宽螺纹（SPACED）.如带有辨识字符”Ｂ”代表为宽螺纹螺丝.无”Ｂ”者代表为机械螺纹.尾端代表字符用以区分自攻螺丝为螺纹成型,切削,滚成或自钻.

   机械螺纹与英美统一螺纹一样具有60度之螺纹角及粗,细螺纹相同之螺距,如果在拆卸后螺丝遗失或有需要的话,可以用标准螺纹扣件代替之.

   宽螺纹具有一60度之螺纹角但其螺距则较宽,而因其宽螺距之故,其螺纹较陡因此其螺纹导程比机械螺纹为大.另有一种专使用于塑料上的螺纹,其螺纹角度为48度,俗称PT牙螺丝.

   螺纹成型自攻螺丝A,AB,B,BP,C等型式目前已逐渐为螺纹滚成自攻螺丝所取代,故在新设计中不建议使用.AB,B,BP不同处仅在尾部形状,AB有一个螺纹锥尾,B有一个钝尾,BP有一个无螺纹之锥尾,尖尾中心进入预钻孔并开始使螺纹成型.螺纹切削自攻螺丝有BF,BP,D,F,G及T等形式,BF,BP为宽螺纹,其余为机械螺纹.

   辨识字符不同点在于其切削尾.每一种切削尾都有一个可以收集切削下废料之形状.如果自攻螺丝旋入盲孔（不贯通之孔）,则其碎片将残留且密封于孔底.但如攻入贯通孔时,则废料将掉在工件的另一边.所以在选择本型式自攻螺丝时必需考虑及此,废料可能会造成污染,掉进运转中之零件或使电子基板无法运作.

   所有螺纹滚成自攻螺丝均为机械螺纹,与英美统一螺纹粗牙一样,请参阅SAEJ81规定.公制螺纹请参阅SAEJ1237及DIN7500规定.

   钻尾自攻螺丝有切削宽螺纹BSD及机械螺纹CSD两种型式.另尚有特殊螺纹型式,包含高低双螺纹,同时各种攻钻尾亦适用.因为攻钻尾及螺纹性质,钻尾螺丝不适用于盲孔作业.在组装自钻螺丝时,钻尾需完全穿透工件后方可进行螺纹之切削或成型,所以通常会有一些碎屑,如果又使用螺纹切削型螺纹,更免不了有碎屑.因此实用上必需考虑此一问题.有关于BSD及CSD钻尾螺丝请参阅SAEJ78及DIN7504（宽螺纹）之规定.

   自攻螺丝螺纹最重要的是牙部外径,如果过大,会导致组装扭矩加大,如果过小,螺纹剪断强度会降低,而此一特性可以很轻易地由分厘卡或卡规测定而出,除了此一特性外,自攻螺丝不需任何螺纹量测,其理甚明,配合阴螺纹乃自攻螺丝攻钻而成,可以自行配合,因此无需任何配合上之量测,虽然如此,但制造上仍须注意ANAI/ASMEB18.6.4的规定:

Ｃ.Ｄ.Ｆ.Ｇ和Ｔ型：

其本身尺寸不得低于2A螺纹之最小有效径,也不可大于最大牙外径.所以有时客户会依此规定要求.当要求时,由于有割沟的限制,环规无法顺利检验,在螺纹的量测上须使用螺纹指示规.另有两项自攻螺丝螺纹特性值得一提的是:

   螺纹成型之自攻螺丝由于其配合螺纹是挤压成型,因此螺丝之牙底径必需略小于预钻孔,以便有空间容纳工件上被挤压而出之材料.而且螺纹之剪断强度也会较大.螺纹切削之自攻螺丝由于其配合螺纹是切削成型,因此螺丝之牙底径必需略等于预钻孔,而其预置扭矩较小,破断强度及拉出强度也比较低.

自攻螺丝螺纹外径与测试铁板孔径比值

TypeHoleSizeHoleSize/d

AABF,TTdAABFTTAABFTT

#2-32#2-32#2-560.0860.0760.0760.0730.0750.8840.8840.8490.872

#3-28#3-28#3-480.0990.0810.0810.0810.0870.8180.8180.8180.879

#4-24#4-24#4-400.1120.0860.0860.0960.0980.7680.7680.8570.875

#5-20#5-20#5-400.1250.1070.1070.1010.1100.8520.8520.8080.880

#6-18#6-20#6-320.1380.1160.1160.1200.1200.8410.8410.8700.870

#7-16#7-19…0.1510.1290.129……0.8510.851……

#8-15#8-18#8-320.1640.1360.1360.1470.1470.8290.8290.8960.896

#9-14……0.1770.149………0.842………

#10-12#10-16#10-240.1900.1590.1590.1730.1660.8370.8370.9110.874

……#10-320.190……0.1770.172……0.9320.905

#12-11#12-14#12-240.2160.1880.1880.199…0.8680.8680.921…

#14-10……0.2420.217………0.895………

…1/4-141/4-200.250…0.2170.2280.219…0.8660.9120.876

……1/4-280.250……0.234………0.936…

#16-10……0.2680.238………0.888………

#18-9……0.2940.261………0.888………

#20-9……0.3200.290………0.906………

…5/16-125/16-180.313…0.2720.2900.277…0.8700.9280.886

……5/16-240.313……0.295………0.944…

#24-9……0.3720.344………0.924………

…3/8-123/8-160.375…0.328…0.339…0.875…0.904

   每寸牙数越多,组装时所需挤压或切削之材料就越多.因此机械螺纹一般比宽螺纹需更大之扭矩.但牙数越多,组装后之剪断强度越大,抗螺纹破断及螺丝拉出越佳.

   3.2头型:

   紧固件一端制成增大形状之部分形成的承面.ANSI/ASMEB18.6.4对自攻螺丝规定了13种标准之头型.请参照B18.6.4第1.2段之规定.对螺纹成型及螺纹切削自攻螺丝而言,13种中之5种-平顶埋头（FlatCountersunk）,扁圆埋头（OvalCountersunk）,盘头（Pan）,六角及六角华丝头（HexandHexwasherHead）最为重要,这五种头型占了所有自攻螺丝几乎90%以上,使用自攻螺丝应先考虑此五种头型.

   另五种其它型式为平顶凹承面（FlatUndercut）,平顶整缘（FlatTrim）,扁圆凹承面（OvalUndercut）,扁圆整缘（OvalTrim）及圆柱头（岗山头Fillister）为比较次要头型,而香菇头（Truss）,圆头（Round）及100度平顶埋头为新设计所不取,盖其功用可为其它头型所取代,盘头可取代香菇头及圆头,82度平顶埋头可取代100度平顶埋头.

   螺纹滚成自攻螺丝头型之选择与上同,使用主要考虑为平顶,扁圆顶,盘头,六角头及六角华司头五种.

   钻尾螺丝以平顶,扁圆顶,盘头及六角华司头最为普遍,六角头之所以不使用,实因在钻孔过程中,需施压力于旋紧工具上以支撑工具进行钻孔作业.因此都使用十字平顶,扁圆顶,盘头或六角华司头.

   虽然美国国家标准只规定13种标准头型,但其它头型在商业用途上依然可使用,如乾墙螺丝所使用之喇叭头,薄饼头及其它依设计使用之特殊头型,制造商可依其它资料制造.

   承面-支撑或定位结件的部分,通常通过承面来装卸螺丝.承面有两种基本类型,平型承面（与结件杆部垂直）和锥型承面（与结件杆部形成角度）前者在多数情况下为承受作用于结件的负荷力而服务,后者除延续平型承面相同的功用外,还可用于定位.有锥形承面的结件通常所指的是埋头头型.头型的不同应用,初步取决于承面的功能及头部传送转力矩的能力.

   常用平型承面的螺栓和螺栓类型

   平头:

可替代圆头和蘑菇头的新设计,头部低直径大,头部外围圆周沿接表示特性的高型边缘,使其对于高强度的扭矩发挥驱动作用,与穴头在头型方面有微小差别.

   圆头:

是过去最常用的头型.

   顶柱头:

标准的扁圆顶柱头的直径较圆头小,但由于槽深的关系因而比较高,较小的直径使作用于小面积的压力增大,可紧密组合于凸缘及增高的表层.由于在为保证集中性而设置的钻孔模具中打头,它们可以被成功的应用于内钻孔的穴中.

   圆顶宽边头:

因头下内切束缚和减弱了对于电线组成部分的磨损,因而最普遍的应用于电器及收录机中,为中低头型以其较充分的承面提供了较有吸引力的设计类型.

   大圆头:

也称椭圆顶宽边头,是一种低型,巧妙设计的大直径头型.当附加作用的组合公差允许时,可用于覆盖具有较大直径的金属板洞.也可建议用平头替代.

   一字槽头型:

这是一种创造性的防松头型,一旦组合不易解除,但却可用一般标准的螺丝起子起动.这项简单的设计通常可以解决组合中的成本问题,增加生产数量,为制造过程创造惊人的经济利益.

   六角承穴头:

一种具扳手头高兼有六角头型尺寸的结件.六角形完全由反孔的模具冷间成型,头部顶端有一处明显的凹陷.

   六角承穴华司头:

如标准的六角承穴头型,但同时在头部基底有一华司面起到保护装配的完成,以免扳手损坏.有时候事物的作用远比外观重要.

   六角头:

这是一种扭矩作用于六角头部的标准类型,有将锐利的尖角修整到接近公差范围的特点.可被推荐于一般商业用,也可适用于各种标准的模式和各种螺纹直径.因其必需的第二道工序使其比一般六角承穴贵.

   承窝头:

圆柱体头部内有较深的六角承穴,常见的有高强度承窝头的CapScrew.较深的承穴使高转力矩作用于结件上.

   十二点:

高圆柱体头型上布十二个外点,有华司面承受施予结件的负荷.由于设计上为提供高度的扭矩带来便利,因此常用于高强度的结件.

   梅花头:

一中等高度的六角小叶型头型兼带华司承面.它的设计包括直面与华司面垂直,扭矩承面在圆形突出的部分（小叶中）传输力矩.这样的设计最高程度的利用了外驱动系统,使力矩能够发挥到极至.高转力矩的传输没有改变头部自身.

   常用锥形承面的螺栓和螺栓类型

   平顶埋头-标准角度为80~82度,用于表面需紧密接合的紧固件.承面部位可提供良好的中心性.

   扁圆埋头-全称为”OvalCountersunk”,这种头形类似于标准的平顶埋头,但应用更广泛.另外,一个圆形,整齐的上表面,设计上也更吸引人.

   小平顶埋头-和标准的平顶埋头,扁圆埋头一样,头角为的80~82度,只是承头部位要小1/3,用于简易产品或者特别短的长度.说得详细点,它用于标准的埋头孔,而且非常适用于紧密配合件.

   平顶埋头（埋头100度）–这种特殊的平顶埋头螺丝正逐渐应用于要求紧密配合的表面,建议用在软的材质上以分解压力于更大和更少角度的表面,特别适用于铝,软塑料等.

   3.3驱动系统（DriveSystem）:

   驱动系统,它的功能在于驱动及传送力矩将紧固件结合及松开.在整个系统中,扭矩的充分传送是使得紧固件变得实用最重要的一点.对有螺纹的紧固件来说,有两种基本的驱动系统,一个是外部驱动系统,一个是内部驱动系统.外部驱动系统其驱动要素是在整个头部,扳手在外面工作.而内部驱动系统其驱动要素是在紧固件的头部,扳手在里面操作.一般而言,内部驱动型对螺丝而言允许较高之扭矩.

   外部驱动系统的头形:

六角头,六角驱动系统,十二棱头驱动系统等.

   一字槽是最古老的一种槽型,对所有的驱动系统来说这也是最普遍的,割沟制造方式有两种:

一种是在完整头型之螺丝上以割沟机械修出割沟,另一种则是在成型锻造时一次成型.一次成型割沟比较经济,因为它无需二次加工,但在某些方面仍有问题,例如六角头或六角华司头使用直接成型,则由于凹陷（Indented）处之故将使割沟深难以测量,更严重的是会减少螺丝与起子的接合面,直接成型用在圆头时,接合面不变,但是成型压力将迫使头径加大,特别是在割沟处两侧,在某些头型使用直接成型时,头部尺寸相当难以控制.

   割沟为凹陷的一种型式,对所有头型除了平顶整缘及扁圆顶整圆外都是标准型式,对每种头型之割沟尺寸规定在B18.6.4.割沟特别适合于手工组合,但不适合半自动或全自动装配.这种驱动系统的效果取决于头部的高度和平整度,像平头和岗山头,这是因为头高越大,割槽越深,而头部越平整,驱动力就会更靠近头部的外缘,扭矩更有效.若在实际应用时,要求更高的扭矩,剪切是一个问题.即使是较深的结合,在驱动起子和一字槽之间也很难找到很好的配合.而目前存在于驱动器和紧固件之间的空隙,会引起不垂直性.当驱动器在外力作用下没有垂直时,起子会损坏一字槽的边缘而引起剪切.头部越小或者越圆,这种现象越容易发生.

   一字槽不太适用于快速安装,例如装配在线,驱动起子会从槽的一端滑到另一端,如果驱动起子的中心基本和紧固件的中心对齐,则驱动起子有效.如果没有对齐,那肯定会导致头部损坏,同样,驱动起子也可能旋落到表面,直接作用在紧固件上,引起损坏.随著扭矩加大的需要,也要求加载以防止剪切.

   一字槽不存在制作问题,但在大多数情况下,也确实需要第二次割槽成形,驱动起子的有效性目前并没有问题.一字槽最适用于那些不要求高扭矩的地方,尤其是那些需要在许多不同的环境下装卸和调整的,最好的例子就是化油器上的调整螺丝.同样这种槽型也常用在易消耗的,需修理和拆卸的紧固件上,例如:

割草机,旋转设备等等.

   为了因应自动化装配的大量采用而发展出一些凹陷头型,其保留了高扭矩,作业容易且高速装配,同时有相当多之头型使用相当普遍,B18.6.4承认了其中三种型式为标准.均为十字穴,分别为型I十字（Philips）,型IA米字（Pozidriv）,型II（Frearson）.尺寸请参照18.6.4规定.型II最早发展出来,接下来是型I,型IA则为型I之改良型,其中型I及型IA最为普遍,型II则需求越来越少.

   十字槽源自十字形槽穴范畴,像十字路口.十字槽的边倾斜交于槽底部的中间,通常位于紧固件头部的中心.它相对比较深,能够帮助驱动起子校正.有时槽深已经到达紧固件的颈部,在这种情况下,紧固件的强度极限被潜在的削弱.它仅适用于从低到中的扭矩需要,因为它的无法避免的易滑出性,这也是由槽形的斜边造成的.总的来说,每英寸1.7磅-1磅的扭矩,不会引起滑出,但超过这个数值的扭矩作用在十字槽上时,就会导致滑出,恶性循环.许多时侯,这种恶性循环会使得紧固件的槽形彻底失去工作能力.这种恶性循环同样会引起驱动起子的损耗,在很多情况下工具的寿命都会缩短,增加成本.十字槽具备良好的校正性,适用于自动装配线.制作上没有任何问题,在头部成形时一次成形,不需要再做第二次加工.工具应用广泛.适用于手动和自动装配在线低扭矩要求的埸合,例如:

超薄钢板到薄钢板,薄钢板到软木,软塑料.

   FREARSONRECESS是另一种十字槽,俗称“reed&price”槽.（参照18.6.4型II规定）它的设计非常类似于十字槽,但是槽的边是垂直的,而且底部是尖的.因为这些细微的差别,FREARSON具有比十字槽更优越的驱动性能,但也同样会有一些缺点,会有滑出现象.这种驱动系统能够用于低到中扭矩要求的埸所,扭矩越大,槽形和工具损坏程度越大,目前制作没有问题.

   由于这种驱动系统应用不是很广泛,相应的驱动器供应有限,在评估时需考虑到这一点.凡是十字槽能够使用的地方,FREARSON也能够使用,有些埸合不适宜用十字槽的,也可以用.

   米字槽是一种十字形槽穴,它是在克服上述两种槽形的缺点上发展起来的.基本设计类似于十字槽,但有额外的凹槽,俗称”肋骨”.适用于低到中扭矩要求的埸所,相对于前两种槽形有很大的改善,能够大大减少滑出的机率.米字槽也要求end-loading以防止滑出,但可以承受更高的扭矩而不会伤害槽和驱动起子.由于其基本设计类似于十字槽,也具有良好的中心度,适用于自动装配线.米字槽的成型工艺类似于十字槽,也是在头部成形时一次成形,不需要第二次加工.工具容易获得,但要获得最佳效果,应使用米字槽专用工具,有些人尝试著用十字槽驱动工具,但效果并不好.由于米字槽的优越性,凡是上述两种槽形能够应用的埸合,它都能用.也能用在较大的扭矩,例如重型薄板和薄板,螺纹切割机和螺纹成型机,可塑性材料做的紧固件,和自动机器上的要求低扭矩的螺丝.

   六角穴承窝驱动系统正如他的名字所表示的,在紧固件的头部有一个六角形穴,常用Socketheadcapscrews”,一种高强度紧固件.六角穴适用于高扭矩的埸合.对这种驱动系统来说,滑出不是问题,但由于驱动扳手和紧固件之间的结合特性,只用过几次,穴和扳手就会变形.为了保证结合,穴和工具的尺寸都有一个通用的公差,但这也只能减少实际表面接触,和设施损耗.这种类型的紧固件价格较高,如果用在那些需要经常拆卸的埸合,将大大增加成本.制作工艺上没有大问题,为一次成形.在这之前,六角穴需要经过两道制程成形-钻孔和冲孔.适用的工具称为”六角扳手”,分为两大类