[发明专利]改进的高强度紧固件及紧固方法

说明书

本发明涉及到两段式紧固件，尤其涉及到这样一类挤压型的紧固件，它们的疲劳强度与抗拉强度有了改进，同时保留有夹紧力或预加负荷的特征。

就总体而论，本发明是关于两段式挤压型之紧固件的，或者是关于美国专利3915053，2531048以及4472096中已阐明的那类锁紧螺栓。

在许多方面的工业应用中，采用了两段式套扣紧固件，并标明其具有特殊强度等级。例如，一种¹/₂-13UNC（统一标准粗牙螺纹）的8级螺栓乃是指这样的螺栓，用于标称值1/2英寸直径的孔口上，并具有每英寸13扣的粗螺纹。此种有标号的带螺纹的紧固件具有一种标准的螺丝形式，设计用来在紧固接合点处施加一最小的预选之拉伸负荷下，使其在通过此类螺栓横断面的拉伸方式中断裂。类似的，一种1/2-20的UNF（统一标准细牙螺纹）的8级螺栓，将具有每英寸20扣的细牙螺纹之标准构型，并将具有稍微不同的负荷与强度特征。按照同一方式，5级螺栓将具有比8级者较低的强度特征，而9级螺栓则具备较之为高的强度特征。一般说来，为了给紧固接合的工件提供尽可能高的夹紧负荷，应使带螺纹的紧固件扭转到此种螺栓得以屈服于拉力下的点。然而在许多种应用中，当不能接受此种屈服时，夹紧负荷的大小就必须显著地减降。不论是以上哪一种情形，由于螺栓受到施加之转矩引起的扭应力以及作用于其上的有效拉力，这二者综合之应力的影响，所能实现的夹紧负荷就会小于挤压型一类系统中，在无扭转条件下固定此紧固件时所能实现的夹紧负荷。除此，上述扭转型的紧固件自然还具有固有的摩擦问题，而这种摩擦同样有损于施加扭转时所能实现的夹紧负荷量。

不过，在本发明中，作出了一种两段式挤压型紧固件的设想，这种紧固件当构制成能提供一定的符合设计之拉力负荷时，相对于与之相当的加有扭转的螺纹件来说，就能显著地改进疲劳强度并保持预加负荷的特征。

本发明的此种紧固件包括有一销钉和一卡环，后者适合用来在此销钉上挤压出闭纹。销钉上的这类闭纹不同于以往的那种闭纹，很浅并构制成模拟流线型的螺纹根。这种浅纹和模拟的流线型有助于提高最终的疲劳寿命，大大地优于可比的螺纹式紧固件。同时，此卡环具有预定的壁厚，因而具有预定的体积，这就不仅能在挤压时为闭纹提供一过充填条件，同时还可保持夹紧力，此夹紧力的大小是在上述闭纹受拉力作用时，相当于该销钉的装设负荷与屈服强度的一个很高百分数。这样，应选择卡环的壁厚来提高所保持的夹紧力，同时提供足够的周向刚度，以抑止此卡环件反跳出销钉的浅闭纹。本发明的这种紧固件也将提供大大高于螺纹式的对应件所能达到的夹紧负荷，这是因为它不存在那种螺纹式系统所需施加的扭转（以及有效的摩擦）。

在本发明中，所设计的断裂负荷能够在有剪切力通过销钉闭纹的肩部或通过由挤压成的卡环所确定的肩部时，使之发生断裂。换言之，采用了相当高强度的销钉，此种销钉将不会在较低数量级的拉力负荷作用下，通过相啮合的纹槽而断裂。这样，对于一定的销钉，可利用的设计拉力负荷只需通过改变卡环的长度，因而改变了支撑着此拉力负荷的销钉肩与卡环肩二者的数目，而得以增加或降低其大小。这种有选择性的改变一直可进行到直到有了合适个数的啮合肩部，使得在拉力负荷下的破坏将作为通过销钉径向的受拉破坏。

在本发明的一种形式中，施加到销钉上的有效预加负荷略低于销钉闭纹中可能发生屈服时的负荷。此种卡环要比用来使适当个数的销肩与环肩得以啮合而需的长度还要长一些，而这种销肩与环肩是用来保持那种预加负荷的;此时，在设计拉力负荷下的断裂将是有通过此卡环肩和（或）销肩的切变存在。只须加大于此卡环的长度就能增加所啮合的肩数，结果是破坏将发生在有较高的拉力负荷沿径向伸展过此销钉闭纹上时。在以上任何一种情况下，最终将在紧固的接合处保持有高数量级的预加负荷。事实上，对于铁类材料的系统，此种保持的预负荷约将是上述销钉处于有张力作用在其闭纹上时，它的屈服强度的85%～95%。而对于前述的螺纹系统，就是在其不存在那种令人厌恶的高的安装应力与残余应力时，也不会直接地取得与上述大小之保留夹紧负荷相类似的百分率，这是由于在扭转此紧固件时所施加的扭曲应力以及其他因素的影响。

注意到，在考虑到高的预负荷水平同时，再结合那种沟深较相应之螺纹系统的沟槽为浅的闭纹优点时，本发明的紧固件在改进疲劳和残留应力所取得的成效就更其显著了。后面还将看到，当使此种闭纹取螺旋形而不取环形时，还能取得其他某些优点。这时，销钉的抗拉强度和疲劳寿命将能有所提高，这是因为螺旋形的结构可使闭纹有较大的径向尺寸;其结果获得了比采用环形结构时通过最小螺纹根直径所能获得的更大有效横截面积。