螺纹孔深度你攻够了吗

1. 螺栓连接设计原则

螺栓连接以其连接可靠、装拆方便、低成本等众多优点在各行各业得到广泛应用。螺栓连接的目的在于将两个不同的零部件联成一个整体，在强度方面，通常遵循螺栓连接为最薄弱环节的原则，即发生超常规载荷时，最先发生破坏的应是螺栓连接组件，而不是被连接的零部件。

螺栓连接组件（这里主要包括螺栓和螺母或内螺纹）的破坏，按破坏部位可分为：螺栓头部破坏、光杆区破坏、可加载螺纹区破坏以及螺纹旋合区破坏。其中可加载螺纹区和螺纹旋合区为破坏高风险区，螺栓头部和光杆区为破坏低风险区，如图1所示。若螺栓为细腰螺栓，其光杆区的破坏风险将增加。

图1 螺栓组件的主要破坏形式

为使破坏造成的损失最小，螺栓连接组件的强度设计原则为可加载螺纹区是最薄弱环节，即可加载螺纹区的承载能力小于旋合螺纹的承载能力、光杆区的承载能力以及螺栓头部的承载能力，数学表达式为：

       

这里F_mS为螺栓可加载螺纹区的承载能力；F_mGM和F_mGS分别为螺栓（外）螺纹和螺母（内）螺纹的承载能力；F_N为螺栓光杆区的承载能力，不含细腰螺栓；F_Kopt为螺栓头部的承载能力。

ISO标准的螺栓和螺母是基于上述设计原则的，螺母保证载荷高于对应性能等级螺栓的保证载荷，图2给出了8.8级螺栓和8级螺母保证载荷的比较，螺母的保证载荷约为螺栓保证载荷的1.5倍。

注：数据取自GB/T3098.1-2010和GB/T3098.2-2015

图2 螺栓（8.8级）和螺母（8级）的保证载荷

螺栓可以选择与之性能等级相对应的或更高性能等级的螺母配合使用，如表1所示。此时螺栓连接的设计原则可自行满足，除此之外，需要考核该设计原则是否满足。

表1 螺母和螺栓配合原则

螺母性能等级	配合使用的螺栓最高性能等级
5	5.8
6	6.8
8	8.8
10	10.9
12	12.9/12.9

    注：数据来自GB/T3098.2-2015

2. 螺杆断裂

螺栓连接破坏的主要形式分为螺杆断裂和螺纹破坏。螺杆断裂包括可加载螺纹区断裂和光杆（针对细腰螺栓）断裂。断裂准则表述为：

                 

这里为螺栓受到的最大轴向载荷，为螺栓的应力面积，对于细腰螺栓取螺栓的最小横截面面积，为螺栓的最小抗拉强度。

3.螺纹破坏

对于连接件较厚或者连接空间受限的情况，通常使用螺栓/内螺纹组合，即在连接件上直接攻内螺纹。连接件上的内螺纹或者非标螺母或者自制螺纹块等等，受材质、加工公差等影响，需对螺纹旋合长度进行校核，以确保螺栓连接符合强度设计原则。

在旋合过程中，螺纹结合处受到垂直于结合面的压力F_N以及摩擦力F_Q，且为F_Q = uF_N = F_N，其合力为F = F_N/cos。螺栓受到的轴向载荷F_S = F_Ncos，螺纹受到的剪力Q = Fcos()，如图3所示。

图3 螺纹受力分析

则旋合螺纹受到的剪力和螺栓受到的轴力有下列定量关系：

                  Q

其中为螺纹牙形半角，这里；为当量摩擦角，有，为螺纹副摩擦系数。

螺纹破坏通常为旋合区螺纹的螺牙被剪断。螺牙剪切破坏又分为内螺纹剪切破坏和外螺纹剪切破坏两种，分别对应内螺纹承载能力低和外螺纹承载能力低两种情况。

3.1. 内螺纹承载能力低的情况

螺栓受到拉伸载荷时，内外螺纹相互剪切，若内螺纹的承载能力较低，譬如内螺纹的材料性能较低，内螺纹为薄弱环节。根据螺栓设计原则，内螺纹剪切强度的安全系数应大于螺栓轴向拉伸强度的安全系数，即有：

                 

其中为内螺纹的剪切面面积，如图4所示，可表示为：

       

图4 内螺纹螺牙剪切破坏示意图

考虑螺纹公差及材料强度的离散性，内螺纹所需的最小旋合长度表示为：

式中和分别为螺栓最小的大径和内螺纹最大的中径；为内螺纹材料的最小剪切强度；为螺栓的最大抗拉强度，通常取最小抗拉强度的1.2倍；P为螺距，为螺栓的应力面积，对于细腰螺栓取螺栓的最小横截面面积。

3.2. 外螺纹承载能力低的情况

同理，若外螺纹的承载能力较低，譬如内螺纹的材质性能较高，外螺纹为薄弱环节。根据螺栓连接设计原则，外螺纹剪切强度的安全系数应大于螺栓轴向拉伸强度的安全系数，即有：

                 

其中为外螺纹的剪切面面积，如图5所示，可表示为：

   

图5 外螺纹螺牙剪切破坏示意图

    同理，外螺纹所需要的最小旋合长度表示为：

    

    这里和分别为螺栓最小的中径和内螺纹最大的小径；为螺栓的最小剪切强度。

4. 最小螺纹旋合长度

综合考虑内外螺纹所需的旋合长度，并考虑两扣丝的安全冗余，最小的螺纹旋合长度可表示为

         

可以看出，螺纹最小旋合长度不仅与螺栓的直径、性能等级和公差有关、与内螺纹的剪切强度和公差有关还与螺纹副的摩擦系数有关。

为保证内螺纹的强度，螺纹孔的孔边距应大于2倍的公称直径。

通过编制的螺纹旋合长度计算程序对螺栓和内螺纹所需的最小旋合长度进行计算，程序界面如图6所示。

图7-图9给出了螺栓与常用材质的内螺纹配合使用时所需的最小旋合长度，配合公差等级为6g/6H。

图6 最小螺纹旋合长度计算程序界面

图7与A2-70螺栓对应的最小旋合长度

图8与8.8级螺栓对应的最小旋合长度

图9与10.9级螺栓对应的最小旋合长度

对于直径大于等于6mm的螺栓，设计时，最小旋合长度可按表2进行快速选取。为满足工程实际需要，旋合长度一般要求不小于5扣丝。此外，有限元分析结果表明螺栓轴向载荷主要集中在1-3扣丝内的螺牙上，超过10扣丝的螺牙基本不承载，因此，螺纹旋合长度一般应满足：

对于旋合长度超过10扣丝的螺纹，建议增加钢丝螺套（GBT 24425），以降低所需的最小螺纹旋合长度。

表2不同材质内螺纹对应的最小旋合长度

内螺纹材质	最小旋合长度/公称直径
	螺栓性能等级
	A2-70	8.8	10.9
I型螺母	0.8	0.8	0.8
钛合金	0.8	0.8	1.0
S304	1.0	1.1	1.3
Q345	1.0	1.1	1.3
Q235	1.2	1.3	1.5
AW 5083	1.8	2.0	2.5

5. 特殊情况

针对特殊场合（材质受限，空间受限，无法选择强度更高的内螺纹材料，也无法增加钢丝螺套），上述设计原则可以适当放宽，即螺纹旋合区的承载能力允许小于可加载螺纹区的承载能力，但必须大于螺栓实际可能出现的最大轴向载荷，即有：

其中：

这里为螺栓实际可能出现的最大轴向载荷。

保证在实际工作环境中螺栓连接不发生破坏的情况下，最小螺纹旋合长度通常可降低20-30%。