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自攻螺絲篇
自攻螺絲雖然已使用很久,一般也知道怎麼製作,但對於各規範所規定之標準及要求,也許並不是很清楚,在此僅藉由收集來之規範,整理出一份適合大家閱讀,使能對自攻螺絲有多一層之認識.自攻螺絲是在金屬或非金屬材料之預鑽孔中自行攻鑽出所配合陰螺紋之一種有螺紋扣件.具有高拉力,單件,單邊組合特色.由於其自行成型或攻出其配合螺紋,因此在組合上具有高防松能力,且可以裝卸.在小形螺絲上其尺寸、螺紋型式、頭型、攻鑽性能在工程用途上幾乎無可限量.
1發展(Evolution) : 自1914年自攻螺絲開始商品化.第一次之設計─主要源自木螺絲─係屬可滲碳鋼錐尾A型螺紋成型螺絲.當時主要之用途是用在空調系統導管上鐵皮之接合,因此又叫做鐵皮螺絲.經過80餘年之發展,共可分為四個時期─螺紋成型、螺紋切削、螺紋滾成及自鑽。
螺紋成型自攻螺絲(Thread Forming Tapping Screws)─係直接由鐵皮螺絲發展而來, 螺紋成型自攻螺絲使用時須預先鑽孔,再將螺絲旋入孔中,強力擠出配合陰螺紋,而原來在陰螺紋位置上之材料將被擠到陽螺紋之間,此謂之螺紋成型自攻螺絲.僅可適用於薄且具有可塑性之材料,因此又發展出;螺紋切削自攻螺絲(Thread Cutting Tapping Screws)─在螺紋之尾端切割出一或多道之切削口,使能在旋入預鑽孔時,利用螺絲尾部及牙部以類似螺絲攻的方式切削出配合陰螺紋.它可以用在厚板,比較堅硬或易碎等不易塑造之材料,.
螺紋滾成自攻螺絲(Thread Rolling Tapping Screws)─三角牙自攻螺絲,又稱為Type TT(Type Tai 目前仍有專利)係基於成型螺絲攻之原理髮展而成,螺紋滾成自攻螺絲具有特殊設計之螺紋及尾端使螺絲可以在斷續之壓力下自行滾成配合之陰螺紋.同時在孔周圍之材料可以更輕易的填補自攻螺絲螺紋及牙底之空間,由於其磨擦力較螺紋成型自攻螺絲為小,因此可以使用在更厚之材料上,旋轉所需之扭矩更好控制,且組合後強度更高.螺紋滾成自攻螺絲其工程標準定義比成型或切削自攻螺絲在材料,熱處理,強度上之定義更高且更為明確,使得螺紋滾成自攻螺絲成為真正的”構造用”扣件.
鑽尾自攻螺絲(Self Drilling Tapping Screws)─又稱為Tec,在組裝自攻螺絲之所有過程中,最耗費成本的是預鑽孔的準備.自攻螺絲的使用,必需先鑽孔.而且孔徑也必需限制.無需預鑽孔而在某些方面可以節省成本.這就是集鑽, 攻, 旋緊於一次作業的鑽尾自攻螺絲.鑽尾螺絲的表面硬度及心部硬度比一般自攻螺絲高一點,這是因為鑽尾螺絲多了一個鑽孔之作業,另外鑽尾螺絲尚需作貫穿試驗,用以測試螺絲可以在規定時間內鑽孔並攻出螺紋.上述為四種主要自攻螺絲之設計及發展過程,另有兩種為特殊螺紋設計之螺絲,第一種為;高低牙自攻螺絲(High – Low Tapping Screws)─使用在塑膠或其他低密度材料。雙螺紋設計,高螺紋( 牙部外徑較大)具有更平更尖銳螺紋角為30度之螺紋型式.低螺紋(牙部外徑較小)具有一60度之螺紋角,牙高只有高螺紋的一半.高低螺紋之組合設計降低了旋轉扭矩,改善了拉出強度,大幅降低了組合工件破裂的危險性另一種用在建築工業上乾墻(Drywall)之組裝用途上.,具有此類螺紋設計之自攻螺絲特別適合於塑膠,零件板及木頭.
另一種為;雙螺紋自鑽尾喇叭頭自攻螺絲(Twin Lead Self Drilling Point Tapping Screws) ─組裝時可以輕易旋入乾墻,在鋼鐵牙條上自鑽一洞並攻出配合之陰螺紋.其喇叭頭具凹入之承受面可以在旋入時不至於破壞到壁紙或石膏表面.大多數之自攻螺絲均屬於商業用途, 例如當自攻螺絲以組合螺絲( SEMS )提供時,可以提供更緊密之服務.而螺絲如具有粗細螺紋特殊設計者則係著眼於組裝後之防松.
2 工程標準 : 自攻螺絲之尺寸，機械性，功能性能有下列標準:
ANSI/ASME B18.6.4─Thread Forming And Thread Cutting Tapping Screws And Metallic Drive Screws (Inch Series)
SAE J933─Mechanical and Quality Requirements For Tapping Screws
SAE J81─Thread Rolling Screws
SAE J1237─Metric Thread Rolling Screws
SAE J78─Steel Self-Drilling Tapping Screws
FIP 1000─Tapping Screws Performance Specifications
DIN 7500─Thread Rolling Screws For ISO Metric Screws Thread
DIN 7504─Self-Drilling Tapping Screws Dimensions, Requirements And Testing
ISO 2702─Heat-Treated Steel Tapping Mechanical Properties
JIS B1055─Mechanical Properties For Heat-Treated Steel and Stainless Tapping Screws
3.1 螺紋型式 : 標準自攻螺絲辨識字符，包括代表螺紋及尾部型狀之符號.自攻螺絲有一個或兩個代表螺紋的字符用以代表機械螺紋或寬螺紋( SPACED ).如帶有辨識字符”Ｂ”代表為寬螺紋螺絲. 無”Ｂ”者代表為機械螺紋.尾端代表字符用以區分自攻螺絲為螺紋成型,切削,滾成或自鑽.
機械螺紋與英美統一螺紋一樣具有60度之螺紋角及粗,細螺紋相同之螺距,如果在拆卸後螺絲遺失或有需要的話,可以用標準螺紋扣件代替之.
寬螺紋具有一60度之螺紋角但其螺距則較寬,而因其寬螺距之故,其螺紋較陡因此其螺紋導程比機械螺紋為大.另有一種專使用於塑膠上的螺紋,其螺紋角度為48度,俗稱PT牙螺絲.
螺紋成型自攻螺絲A,AB, B, BP, C等型式目前已逐漸為螺紋滾成自攻螺絲所取代,故在新設計中不建議使用. AB, B, BP不同處僅在尾部形狀, AB有一個螺紋錐尾, B有一個鈍尾, BP有一個無螺紋之錐尾,尖尾中心進入預鑽孔並開始使螺紋成型.螺紋切削自攻螺絲有BF, BP, D, F, G及T等形式, BF, BP為寬螺紋, 其餘為機械螺紋.
辨識字符不同點在於其切削尾.每一種切削尾都有一個可以收集切削下廢料之形狀. 如果自攻螺絲旋入盲孔( 不貫通之孔 ),則其碎片將殘留且密封於孔底. 但如攻入貫通孔時, 則廢料將掉在工件的另一邊. 所以在選擇本型式自攻螺絲時必需考慮及此, 廢料可能會造成污染, 掉進運轉中之零件或使電子基板無法運作.
所有螺紋滾成自攻螺絲均為機械螺紋, 與英美統一螺紋粗牙一樣,請參閱SAE J81規定.公制螺紋請參閱SAE J1237及DIN7500規定.
鑽尾自攻螺絲有切削寬螺紋BSD及機械螺紋CSD兩種型式.另尚有特殊螺紋型式,包含高低雙螺紋,同時各種攻鑽尾亦適用.因為攻鑽尾及螺紋性質,鑽尾螺絲不適用於盲孔作業.在組裝自鑽螺絲時,鑽尾需完全穿透工件後方可進行螺紋之切削或成型,所以通常會有一些碎屑,如果又使用螺紋切削型螺紋,更免不了有碎屑.因此實用上必需考慮此一問題.有關於BSD及CSD鑽尾螺絲請參閱SAE J78及DIN7504(寬螺紋)之規定.
自攻螺絲螺紋最重要的是牙部外徑,如果過大,會導致組裝扭矩加大,如果過小,螺紋剪斷強度會降低,而此一特性可以很輕易地由分厘卡或卡規測定而出,除了此一特性外,自攻螺絲不需任何螺紋量測,其理甚明,配合陰螺紋乃自攻螺絲攻鑽而成,可以自行配合,因此無需任何配合上之量測,雖然如此,但製造上仍須注意ANAI/ASME B18.6.4的規定:Ｃ.Ｄ.Ｆ.Ｇ和Ｔ型：其本身尺寸不得低於2A螺紋之最小有效徑,也不可大於最大牙外徑.所以有時客戶會依此規定要求.當要求時,由於有割溝的限制,環規無法順利檢驗,在螺紋的量測上須使用螺紋指示規.另有兩項自攻螺絲螺紋特性值得一提的是 :
螺紋成型之自攻螺絲由於其配合螺紋是擠壓成型,因此螺絲之牙底徑必需略小於預鑽孔, 以便有空間容納工件上被擠壓而出之材料.而且螺紋之剪斷強度也會較大.螺紋切削之自攻螺絲由於其配合螺紋是切削成型,因此螺絲之牙底徑必需略等於預鑽孔,而其預置扭矩較小,破斷強度及拉出強度也比較低.
自攻螺絲螺紋外徑與測試鐵板孔徑比值
Type Hole Size Hole Size/d
A AB F,TT d A AB F TT A AB F TT
#2-32 #2-32 #2-56 0.086 0.076 0.076 0.073 0.075 0.884 0.884 0.849 0.872
#3-28 #3-28 #3-48 0.099 0.081 0.081 0.081 0.087 0.818 0.818 0.818 0.879
#4-24 #4-24 #4-40 0.112 0.086 0.086 0.096 0.098 0.768 0.768 0.857 0.875
#5-20 #5-20 #5-40 0.125 0.107 0.107 0.101 0.110 0.852 0.852 0.808 0.880
#6-18 #6-20 #6-32 0.138 0.116 0.116 0.120 0.120 0.841 0.841 0.870 0.870
#7-16 #7-19 … 0.151 0.129 0.129 … … 0.851 0.851 … …
#8-15 #8-18 #8-32 0.164 0.136 0.136 0.147 0.147 0.829 0.829 0.896 0.896
#9-14 … … 0.177 0.149 … … … 0.842 … … …
#10-12 #10-16 #10-24 0.190 0.159 0.159 0.173 0.166 0.837 0.837 0.911 0.874
… … #10-32 0.190 … … 0.177 0.172 … … 0.932 0.905
#12-11 #12-14 #12-24 0.216 0.188 0.188 0.199 … 0.868 0.868 0.921 …
#14-10 … … 0.242 0.217 … … … 0.895 … … …
… 1/4-14 1/4-20 0.250 … 0.217 0.228 0.219 … 0.866 0.912 0.876
… … 1/4-28 0.250 … … 0.234 … … … 0.936 …
#16-10 … … 0.268 0.238 … … … 0.888 … … …
#18-9 … … 0.294 0.261 … … … 0.888 … … …
#20-9 … … 0.320 0.290 … … … 0.906 … … …
… 5/16-12 5/16-18 0.313 … 0.272 0.290 0.277 … 0.870 0.928 0.886
… … 5/16-24 0.313 … … 0.295 … … … 0.944 …
#24-9 … … 0.372 0.344 … … … 0.924 … … …
… 3/8-12 3/8-16 0.375 … 0.328 … 0.339 … 0.875 … 0.904
每寸牙數越多,組裝時所需擠壓或切削之材料就越多.因此機械螺紋一般比寬螺紋需更大之扭矩.但牙數越多,組裝後之剪斷強度越大,抗螺紋破斷及螺絲拉出越佳.
3.2頭型 :
緊固件一端製成增大形狀之部分形成的承面. ANSI/ASME B18.6.4對自攻螺絲規定了13種標準之頭型. 請參照B18.6.4第1.2段之規定.對螺紋成型及螺紋切削自攻螺絲而言,13種中之5種 - 平頂埋頭( Flat Countersunk ), 扁圓埋頭( Oval Countersunk ), 盤頭( Pan ), 六角及六角華絲頭( Hex and Hex washer Head )最為重要,這五種頭型佔了所有自攻螺絲幾乎90%以上, 使用自攻螺絲應先考慮此五種頭型.
另五種其他型式為平頂凹承面( Flat Undercut ), 平頂整緣( Flat Trim), 扁圓凹承面( Oval Undercut ), 扁圓整緣( Oval Trim )及圓柱頭( 崗山頭Fillister )為比較次要頭型, 而香菇頭( Truss ), 圓頭( Round )及100度平頂埋頭為新設計所不取,蓋其功用可為其他頭型所取代,盤頭可取代香菇頭及圓頭, 82度平頂埋頭可取代100度平頂埋頭.
螺紋滾成自攻螺絲頭型之選擇與上同, 使用主要考慮為平頂,扁圓頂,盤頭,六角頭及六角華司頭五種.
鑽尾螺絲以平頂,扁圓頂,盤頭及六角華司頭最為普遍,六角頭之所以不使用,實因在鑽孔過程中,需施壓力於旋緊工具上以支撐工具進行鑽孔作業.因此都使用十字平頂,扁圓頂,盤頭或六角華司頭.
雖然美國國家標準只規定13種標準頭型, 但其他頭型在商業用途上依然可使用, 如乾墻螺絲所使用之喇叭頭,薄餅頭及其他依設計使用之特殊頭型,製造商可依其他資料製造.
承面 - 支撐或定位結件的部分,通常通過承面來裝卸螺絲.承面有兩種基本類型,平型承面(與結件桿部垂直)和錐型承面(與結件桿部形成角度)前者在多數情況下為承受作用於結件的負荷力而服務, 後者除延續平型承面相同的功用外,還可用於定位.有錐形承面的結件通常所指的是埋頭頭型.頭型的不同應用,初步取決於承面的功能及頭部傳送轉力矩的能力.
常用平型承面的螺栓和螺栓類型
平頭 : 可替代圓頭和蘑菇頭的新設計,頭部低直徑大,頭部週邊圓周沿接表示特性的高型邊緣,使其對於高強度的扭矩發揮驅動作用,與穴頭在頭型方面有微小差別.
圓頭 : 是過去最常用的頭型.
頂柱頭 : 標準的扁圓頂柱頭的直徑較圓頭小,但由於槽深的關係因而比較高,較小的直徑使作用於小面積的壓力增大,可緊密組合於凸緣及增高的表層.由於在為保證集中性而設置的鑽孔模具中打頭,它們可以被成功的應用於內鑽孔的穴中.
圓頂寬邊頭 : 因頭下內切束縛和減弱了對於電線組成部分的磨損,因而最普遍的應用於電器及收錄機中,為中低頭型以其較充分的承面提供了較有吸引力的設計類型.
大圓頭 : 也稱橢圓頂寬邊頭,是一種低型,巧妙設計的大直徑頭型.當附加作用的組合公差允許時,可用於覆蓋具有較大直徑的金屬板洞.也可建議用平頭替代.
一字槽頭型 : 這是一種創造性的防松頭型,一旦組合不易解除,但卻可用一般標準的螺絲起子起動.這項簡單的設計通常可以解決組合中的成本問題,增加生產數量,為製造過程創造驚人的經濟利益.
六角承穴頭 : 一種具扳手頭高兼有六角頭型尺寸的結件. 六角形完全由反孔的模具冷間成型,頭部頂端有一處明顯的凹陷.
六角承穴華司頭 : 如標準的六角承穴頭型, 但同時在頭部基底有一華司面起到保護裝配的完成, 以免扳手損壞. 有時候事物的作用遠比外觀重要.
六角頭 : 這是一種扭矩作用於六角頭部的標準類型,有將銳利的尖角修整到接近公差範圍的特點.可被推薦於一般商業用,也可適用於各種標準的模式和各種螺紋直徑.因其必需的第二道工序使其比一般六角承穴貴.
承窩頭 : 圓柱體頭部內有較深的六角承穴, 常見的有高強度承窩頭的Cap Screw. 較深的承穴使高轉力矩作用於結件上.
十二點 : 高圓柱體頭型上布十二個外點,有華司面承受施予結件的負荷.由於設計上為提供高度的扭矩帶來便利, 因此常用於高強度的結件.
梅花頭 : 一中等高度的六角小葉型頭型兼帶華司承面.它的設計包括直面與華司面垂直,扭矩承面在圓形突出的部分(小葉中)傳輸力矩.這樣的設計最高程度的利用了外驅動系統,使力矩能夠發揮到極至.高轉力矩的傳輸沒有改變頭部自身.
常用錐形承面的螺栓和螺栓類型
平頂埋頭 - 標準角度為80~82度,用於表面需緊密接合的緊固件.承面部位可提供良好的中心性.
扁圓埋頭 - 全稱為”Oval Countersunk”,這種頭形類似於標準的平頂埋頭,但應用更廣泛.另外,一個圓形, 整齊的上表面, 設計上也更吸引人.
小平頂埋頭 - 和標準的平頂埋頭, 扁圓埋頭一樣, 頭角為的80~82度, 只是承頭部位要小1/3, 用於簡易產品或者特別短的長度.說得詳細點,它用於標準的埋頭孔,而且非常適用於緊密配合件.
平頂埋頭(埋頭100度) – 這種特殊的平頂埋頭螺絲正逐漸應用於要求緊密配合的表面, 建議用在軟的材質上以分解壓力於更大和更少角度的表面,特別適用於鋁,軟塑膠等.
3.3 驅動系統(Drive System) :
驅動系統,它的功能在於驅動及傳送力矩將緊固件結合及鬆開.在整個系統中,扭矩的充分傳送是使得緊固件變得實用最重要的一點.對有螺紋的緊固件來說,有兩種基本的驅動系統, 一個是外部驅動系統,一個是內部驅動系統.外部驅動系統其驅動要素是在整個頭部,扳手在外面工作.而內部驅動系統其驅動要素是在緊固件的頭部,扳手在裏面操作.一般而言, 內部驅動型對螺絲而言允許較高之扭矩.
外部驅動系統的頭形 : 六角頭, 六角驅動系統, 十二棱頭驅動系統等.
一字槽是最古老的一種槽型,對所有的驅動系統來說這也是最普遍的,割溝製造方式有兩種 : 一種是在完整頭型之螺絲上以割溝機械修出割溝,另一種則是在成型鍛造時一次成型.一次成型割溝比較經濟,因為它無需二次加工,但在某些方面仍有問題,例如六角頭或六角華司頭使用直接成型, 則由於凹陷( Indented )處之故將使割溝深難以測量,更嚴重 的是會減少螺絲與起子的接合面,直接成型用在圓頭時,接合面不變,但是成型壓力將迫使頭徑加大,特別是在割溝處兩側,在某些頭型使用直接成型時,頭部尺寸相當難以控制.
割溝為凹陷的一種型式,對所有頭型除了平頂整緣及扁圓頂整圓外都是標準型式,對每種頭型之割溝尺寸規定在B18.6.4. 割溝特別適合於手工組合,但不適合半自動或全自動裝配.這種驅動系統的效果取決於頭部的高度和平整度,像平頭和崗山頭,這是因為頭高越大,割槽越深,而頭部越平整,驅動力就會更靠近頭部的外緣,扭矩更有效.若在實際應用時,要求更高的扭矩,剪切是一個問題.即使是較深的結合,在驅動起子和一字槽之間也很難找到很好的配合.而目前存在於驅動器和緊固件之間的空隙,會引起不垂直性.當驅動器在外力作用下沒有垂直時,起子會損壞一字槽的邊緣而引起剪切. 頭部越小或者越圓,這種現象越容易發生.
一字槽不太適用於快速安裝,例如裝配線上,驅動起子會從槽的一端滑到另一端, 如果驅動起子的中心基本和緊固件的中心對齊,則驅動起子有效.如果沒有對齊,那肯定會導致頭部損壞,同樣,驅動起子也可能旋落到表面,直接作用在緊固件上,引起損壞.隨著扭矩加大的需要,也要求載入以防止剪切.
一字槽不存在製作問題,但在大多數情況下,也確實需要第二次割槽成形,驅動起子的有效性目前並沒有問題.一字槽最適用於那些不要求高扭矩的地方,尤其是那些需要在許多不同的環境下裝卸和調整的,最好的例子就是化油器上的調整螺絲.同樣這種槽型也常用在易消耗的,需修理和拆卸的緊固件上,例如 : 割草機, 旋轉設備等等.
為了因應自動化裝配的大量採用而發展出一些凹陷頭型,其保留了高扭矩,作業容易且高速裝配,同時有相當多之頭型使用相當普遍, B18.6.4承認了其中三種型式為標準.均為十字穴, 分別為型I 十字( Philips ), 型IA米字( Pozidriv ), 型II ( Frearson ). 尺寸請參照18.6.4規定.型II最早發展出來,接下來是型I, 型IA則為型I之改良型, 其中型I及型IA最為普遍,型II則需求越來越少.
十字槽源自十字形槽穴範疇, 像十字路口.十字槽的邊傾斜交於槽底部的中間, 通常位於緊固件頭部的中心.它相對比較深,能夠幫助驅動起子校正.有時槽深已經到達緊固件的頸部,在這種情況下,緊固件的強度極限被潛在的削弱.它僅適用於從低到中的扭矩需要,因為它的無法避免的易滑出性,這也是由槽形的斜邊造成的.總的來說,每英寸1.7磅 - 1磅的扭矩,不會引起滑出,但超過這個數值的扭矩作用在十字槽上時, 就會導致滑出,惡性迴圈.許多時侯, 這種惡性迴圈會使得緊固件的槽形徹底失去工作能力.這種惡性迴圈同樣會引起驅動起子的損耗,在很多情況下工具的壽命都會縮短, 增加成本.十字槽具備良好的校正性,適用於自動裝配線.製作上沒有任何問題, 在頭部成形時一次成形,不需要再做第二次加工.工具應用廣泛.適用於手動和自動裝配線上低扭矩要求的埸合, 例如 : 超薄鋼板到薄鋼板, 薄鋼板到軟木, 軟塑膠.
FREARSON RECESS是另一種十字槽, 俗稱“reed & price”槽. (參照18.6.4型II規定)它的設計非常類似於十字槽,但是槽的邊是垂直的,而且底部是尖的.因為這些細微的差別, FREARSON具有比十字槽更優越的驅動性能,但也同樣會有一些缺點,會有滑出現象.這種驅動系統能夠用於低到中扭矩要求的埸所,扭矩越大,槽形和工具損壞程度越大,目前製作沒有問題.
由於這種驅動系統應用不是很廣泛,相應的驅動器供應有限,在評估時需考慮到這一點.凡是十字槽能夠使用的地方, FREARSON也能夠使用, 有些埸合不適宜用十字槽的,也可以用.
米字槽是一種十字形槽穴, 它是在克服上述兩種槽形的缺點上發展起來的.基本設計類似於十字槽, 但有額外的凹槽, 俗稱”肋骨”.適用於低到中扭矩要求的埸所, 相對於前兩種槽形有很大的改善, 能夠大大減少滑出的機率.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會傷害槽和驅動起子.由於其基本設計類似於十字槽,也具有良好的中心度, 適用於自動裝配線.米字槽的成型工藝類似於十字槽, 也是在頭部成形時一次成形,不需要第二次加工.工具容易獲得,但要獲得最佳效果,應使用米字槽專用工具,有些人嘗試著用十字槽驅動工具,但效果並不好.由於米字槽的優越性, 凡是上述兩種槽形能夠應用的埸合,它都能用.也能用在較大的扭矩, 例如重型薄板和薄板,螺紋切割機和螺紋成型機,可塑性材料做的緊固件,和自動機器上的要求低扭矩的螺絲.
六角穴承窩驅動系統正如他的名字所表示的,在緊固件的頭部有一個六角形穴, 常用Socket head cap screws”, 一種高強度緊固件.六角穴適用於高扭矩的埸合.對這種驅動系統來說,滑出不是問題, 但由於驅動扳手和緊固件之間的結合特性,只用過幾次,穴和扳手就會變形.為了保證結合,穴和工具的尺寸都有一個通用的公差, 但這也只能減少實際表面接觸,和設施損耗. 這種類型的緊固件價格較高,如果用在那些需要經常拆卸的埸合,將大大增加成本.製作工藝上沒有大問題,為一次成形. 在這之前,六角穴需要經過兩道製程成形 - 鑽孔和衝孔.適用的工具稱為”六角扳手”, 分為兩大類, 短臂和長臂. 六角扳手是六角形棒鋼彎曲成L形,對於固定的尺寸,長臂扳手長度比例比短臂扳手要大,其有效性沒有問題.在自動裝配線上,也會用六角起子來驅動.六角穴通常用於高扭矩的埸合,使用狀況是否理想很大程度上取決於反覆使用的次數,對於需頻繁拆卸的緊固件,它並不經濟,因為槽和工具易變形,增加成本.六角穴多用於中型設備和重型設備上裝配用的高強度緊固件.
齒狀六角穴頭(SPLINE RECESS)基本上是圓形的, 在承窩內與緊固件軸平行的方向內有六個直角肋.齒狀六角穴頭的應用與六角穴頭的應用是一樣的, 是用於高扭矩場合. 它的設計確是使六角穴頭及工具的磨損降低到最小.齒狀六角穴頭的主要缺點是在製造穴頭及工具上. 穴頭由於其設計複雜, 必須在緊固件打頭時成形. 由於其有許多尖銳角度,所以生產時極難控制在要求的公差內.生產中用於製造穴頭的工具壽命極短,因此一般會增加緊固件成本.對於生產驅動工具來說,也有同樣的問題.由於供應商有限,齒狀六角穴驅動工具比前述任何驅動工具難以買到.齒狀六角穴頭應用於高扭矩
場合, 但由於製造困難經常產生供應問題 - 尤其需求量大時. 當選用驅動系統時應把供應短缺考慮進去.
TORX RECESS (梅花穴頭) : 梅花穴頭是Camcar公司設計專利.它的設計解決了所有上述穴頭驅動系統存在的問題.梅花穴頭是一種六角葉片設計,具有直的內邊及較淺的穴頭. 這種設計的扭矩傳遞是面支撐而不是像大部分穴頭的點支撐. 因此可使扭矩傳遞的效率提高.直邊可消除扭轉時的滑動趨勢及端部負荷.這些均使梅花穴頭在實踐中有最好的驅動結合以傳遞扭矩.事實上由於梅花穴頭一般比其他穴頭淺,這意味著扭緊力不會因為穴頭深度而產生損失.這種設計有著極其優良的特性使它成為自動裝配線上理想的工具.在製造中亦無問題.穴頭是在打頭進程中成形的.由於梅花穴頭有著許多圓弧,而不是直角,製造工具磨損也不明顯.嚴格的公差保證了最大的結合.
另外梅花穴頭有多個專利商可為用戶提供多種貨源.工具可從許多來源獲得.梅花穴頭對任何扭矩應用要求, 無論對手動或自動裝配均是極適用的. 它的設計可消除滑動, 因此可傳遞更大的扭矩,更長的穴頭壽命及製造工具壽命.這些優點均可降低緊固件的成本.梅花穴頭可以應用於大扭矩場合,尤其是重復使用,如重型機器及設備. 梅花穴頭可用於自動裝配.這是因為穴頭不會因變形而需返工, 工具有很長的使用壽命,工人疲勞導致的操作錯誤也因此而減少.在應用中及自動工業上, 梅花穴頭正越來越受歡迎. 梅花穴頭適用於幾乎任何高速裝配的場合.
外六角 : 外六角驅動系統是通用頭型並被廣泛應用.它被用於多種扭矩要求的自動裝配.其適用於中, 低扭矩場合.在高扭矩場合,同六角穴頭的問題是一樣的.這樣緊固件頭部將變形且驅動工具會磨損.因為壓力而導致的裂紋,用於驅動六角頭的套筒壽命經常很短. 這將大大增加緊固件的成本.
有兩種類型的六角頭驅動系統. 它們的製造不同. 六角凹頭(INDENT HEX)是一种經濟的頭型.它是打頭時一併成型的, 無需兩次工序. 整緣六角頭(TRIMMED HEX)是較貴的一種.打頭後,再第二道工序加工六角面. 這會使角度更尖銳, 有利使用性能並且外觀好看. 另外, 兩種類型的六角頭有時頭部會開槽, 這樣有必要時亦可用起子驅動.
驅動工具相當普及.外六角適用於手動, 自動裝配的中, 低扭矩使用場合.額定扭矩一定要記住. 當緊固件及其驅動工具變形時, 其餘系統應當重新檢查. 外六角頭緊固件在各種鋼板的裝配非常有用.
十二棱頭 : 十二棱驅動系統是高強度外扳手系統主要用於飛機工業.十二棱設計是基於圓柱加上適度的頂點 - 正如名稱所指 - 十二棱. 當用於飛機工業時,會沿頭部中心鑽孔至頭部高度的2/3高處以減少重量.十二棱主要用於高強度緊固件.這種緊固件應用於大扭矩場合.這種頭部的驅動是使用相同結構的套筒.十二棱系統一般優於外六角系統,但缺點是一樣的. 緊固件驅動結合主要是在棱上而不是在面上. 當重復使用時, 棱易於磨損變成圓形而使緊固件扭轉不動. 驅動套筒還有一個缺點. 因為這種結構緊固件所承受的扭矩反作用在套筒內壁而導致開裂.這種緊固件本身很貴, 該缺點亦增加其成本.十二棱結構的製造比許多其他類型的結構難, 但它亦是打頭中成型的.一般可取得驅動工具.十二棱驅動系統商業上用於高強度場合. 尤其用於COUNTERBORE場合, 重型機器及設備以及飛機上.
外梅花頭 : 梅花驅動系統適用於所有外扳手驅動場合.梅花型驅動設計是六角葉狀, 有平行於緊固件軸線直邊, 高度適中. 葉狀在驅動時是面接觸而不像其他大多數驅動系統為點接觸. 這使驅動力矩傳遞更有效率.梅花外驅動系統可用於任何扭矩要求, 但它最適用與高, 中扭矩場合.它的快速, 方便與驅動工具自動及結合使它極適合於自動裝配外梅花頭型像其他外頭型一樣用套筒驅動. 由於它是用支撐面有效傳遞扭矩, 套筒基本上不會損壞, 因此節約了驅動工具之成本, 從而大大降低高速, 大量應用時的緊固件成本.緊固件頭部即使重復使用也絕不會變形. 這節約了在裝配時的緊固件成本, 服務及返工.梅花設計頭部易在嚴格公差內成型, 所有製造也沒有問題.工具也可從幾個大的知名度很高的供應商買到.這種頭型是解決自動裝配問題包括工具損壞及緊固件變形的方法. 梅花驅動適用於在手動或自動裝配要求高扭矩的大多場合.梅花頭可適用於裝配,汽車,重型機器及設備等. 梅花頭極適用於螺紋切削和螺紋成型自攻螺絲. 這時多餘扭矩是必須的場合. 梅花頭用途是多種多樣的.
3.4 螺絲長度 : 對在組裝時保證螺絲完全螺紋與結合件厚度之配合而言, 螺絲長度選擇非常重要. 平均螺絲長度應等於結合長( 組件總厚度 )加上螺絲尾端. 螺絲尾端為非完全螺紋部份再加上螺紋成型螺絲AB或BP型錐尾長度或鑽尾螺絲鑽尾長度. 這些不同錐尾或鑽尾長度各規範均有規定, 且B18.6.4附錄中有其計算公式.
例如我們要使用1/4”-20盤頭螺紋成型自攻螺紋來組裝一0.25”厚及一0.21”厚之平板, 螺絲尾端最大長度為0.175”, 螺絲長度公差為+0 -0.03”.則螺絲長度應為0.25+0.21+0.175+0.03 = 0.665”. 因此應使用3/4”長之螺絲. 此時結合後暴露於另一端之長度為0.75-0.21-0.25 = 0.290”, 自攻螺絲一般適合於1/8”長度之增加.
4材料, 熱處理,最終處理及機械性能要求 : 自攻螺絲可由碳鋼,不銹鋼,銅或鋁製造.而碳鋼自攻螺絲佔了絕大部份,甚至超過 95%,鋼鐵材料以外材質之自攻螺絲緊在JIS B1055附屬書2中有機械性能(硬度及扭力強度)的規定,其餘並無國家規範或其他公認規範,對於機械性能一般由採購者和製造廠商協議而定.因此本文所討論之問題,幾乎集中在碳鋼材料.
4.1材料 : 碳鋼自攻螺絲由低碳鋼所製成,當客戶有要求時,亦有使用中碳鋼製造者.但大部份使用C1018 – C1022材料(這是因為含碳量要在0.15%以上在熱處理上起作用).原材料線材大都經伸線→退火或球化→精伸線等過程以符合其成型條件.規定材料成份如下:
英制1自攻螺絲材料化學成份
自攻螺絲規格 分析2 成份限制,依重量百分比 %
碳 錳
# 4 或更小 爐內分析 0.13 – 0.25 0.60 – 1.65
製品檢查 0.11 – 0.27 0.57 – 1.71
# 5 到1/2英寸 爐內分析 0.15 – 0.25 0.70 – 1.65
製品檢查 0.13 – 0.27 0.64 – 1.71
1.公制螺絲並無特別要求及限制其化學成份.
2.爐內分析只提供訂單資訊用.製品檢查為考慮螺絲心部的碳化物之偏析.
4.2 熱處理 : 自攻螺絲需經滲碳熱處理以獲得非常硬之表面以便進行螺紋攻入成型或切削.經滲碳及調質熱處理後,規範上所要求之機械特性有:
表面硬度 : 一般自攻螺絲滲碳後表面應有45 HRC以上之硬度,以便能攻入鐵板中.鑽尾螺絲的表面硬度及心部硬度要比一般自攻螺絲高一點(J78要求表面硬度須有50~56HRC),這是因為鑽尾螺絲多了一個鑽孔之作業.為達日常測試或快速檢查之目的,表面硬度可以使用 HR 15N ,Knoop或微克氏微小硬度檢查.這些方法的選擇取決於製品可測試面積的尺寸.製品表面應予輕微的處理後,再測試硬度值.如果硬度值低於規定時,可參考下列敘述之方法:使用500g荷重之Knoop或300g之微克氏微小硬度機在製品表面下0.002英寸之位置讀取硬度值,如果全滲碳深度為0.004英寸和以下時,可以使用100g荷重在表面下0.001英寸之位置測試.當檢測表面硬度和滲碳深度時,為確保鑲埋材料能適當支撐,讀值將取自從中心到超過中心線的範圍內之縱剖面測量.樣品應能在鑲埋材料中得到適當的支撐.測試時在顯微鏡上量測樣品截斷面之外徑時,最少應有原樣品外徑95 %以上.
滲碳深度 : 滲碳深度相當重要,滲碳太淺,螺絲無法正確進行組裝作業,滲碳太深,中心之扭矩及延展性會受到影響.一般自攻螺絲滲碳深度的測試須在螺絲截斷面的中點(最少應有原樣品外徑95 %以上)的牙山上的中點上量測,ISO 2702規定小於ST 3.9的螺絲可以在牙谷處往中心部量測.
回火後心部硬度 : 心部硬度應在螺絲截斷面上靠近尾端之完全的牙底徑(平行處)處由牙底徑至半徑的中間點處測量.
顯微組織 : 以金相法檢視時,表面與心部間應無帶狀肥粒鐵產生.肥粒鐵顯現表示熱處理不完全(加熱溫度不足;或淬火速度過慢導致肥粒鐵先析出於晶界).對於有強度要求者可能降低其特性.
公制三角牙自攻螺絲熱處理後之硬度要求 單位: mm
要求項目 尺寸 SAE J1237 DIN 7500
表面硬度 所有尺寸 45 HRC Min. 450 HV Min(1)
心部硬度 所有尺寸 28 ~ 38 HRC 240 ~ 370 HV(2)
滲碳深度 M2 ~ M2.5 0.05 ~ 0.18 0.04 ~ 0.12
M3 ~ M3.5 0.05 ~ 0.18
M4 ~ M5 0.10 ~ 0.23 0.10 ~ 0.25
M6 ~ M8 0.13 ~ 0.28 0.15 ~ 0.28
M10 0.15 ~ 0.32
M12 ---
(1) 使用HV 0.3 荷重測試. (2) 使用HV 5 荷重測試. (3) SAE J1237
公制寬牙自攻螺絲熱處理後之硬度要求單位: mm
要求項目 尺寸 ISO 2702 DIN 7504 DIN 267/12 JIS B1055
表面硬度 所有尺寸 450 Min(1) 560 Min(1) 450 Min(1) 450 Min(1)
心部硬度 所有尺寸 270 ~ 390 (3) 270 ~ 425 (2) 270 ~ 390 (1) 270 ~ 390
滲碳深度 ST2.2 ~ 2.6 0.04 ~0.10 --- 0.04 ~0.10 0.04 ~0.10
ST2.9 ~ 3.5 0.05 ~ 0.18 0.05 ~ 0.18 0.05 ~ 0.18 0.05 ~ 0.18
ST3.9 ~ 5.5 0.10 ~ 0.23 0.10 ~ 0.23 0.10 ~ 0.23 0.10 ~ 0.23
ST6.3 ~ 8.0 0.15 ~ 0.28 0.15 ~ 0.28 0.15 ~ 0.28 0.15 ~ 0.28
(1) 使用HV 0.3 荷重測試. (2)使用HV 0.5 荷重測試. (3) ST3.9(含)以下使用 HV 5荷重測試,
ST4.2(含)以上使用 HV 10 荷重測試
英制自攻螺絲熱處理後之硬度要求
要求項目 尺寸 SAE J78 SAE J81 SAE J933
表面硬度 所有尺寸 50 ~ 56 HRC 45 HRC Min. 45 HRC Min.
心部硬度 所有尺寸 32 ~ 40 HRC 28 ~ 38 HRC 28 ~ 38 HRC(2)
全滲碳深度(1) # 4到 # 6 0.002 – 0.007”
# 8到 # 12 0.004 – 0.009”
1/4或以上 0.005 – 0.011”
(1)全滲碳深度之測試位置,應位於螺紋牙腹上牙山到牙底的中點. 當使用500g 荷重之微小硬
度機測試讀值轉換到HRC值時,其最大滲碳深度不可超過42 HRC.
(2)硬度應不超過最大值,且最好不大於Rockwell C36以確保組裝與使用時不致損毀.
4.3表面處理 : 大部份自攻螺絲之表面被覆係使用鍍鋅或磷酸鋅披覆.鍍鎘因其高成本和毒性因此使用的很少,如果外觀是很重要的話,可以選擇鍍鎳或鉻.表面處理會產生兩項問題:其一為,表面處理不僅會加大尺寸(例如孔穴的縮小等)且不同的表面處理會影響扭矩,旋緊程度,強度間之關係,所以在做攻入試驗時須依鍍鋅,鍍鎘或磷酸鹽處理做不同之規定.在測試適用攻鑽孔徑時,所使用之螺絲必需是同一表面處理之螺絲.其二為,高硬度,小尺寸之自攻螺絲常因氫脆化導致使用失敗.自攻螺絲為了要攻入鐵板中,不得不予滲碳處理.在滲碳處理後會產生高硬度及高碳含量,當以此狀況做電鍍或酸洗處理時會產生氫脆化.規範上所建議消除氫脆的方法為:
a).電鍍或酸洗處理後1小時內實施烘烤.
b).溫度375 ~ 425 oF(190 ~ 220 oC).
c).時間至少4小時.
氫脆化測試 : 氫脆化測試主要是要測試自攻螺絲是否殘留氫在螺絲組織中及是否會使得螺絲產生脆化,(通常脆斷不是一下子就發生,且須施予一定之應力才會顯現出來)電鍍或披覆之螺絲應裝入如表3所規定之測試鐵板和鋼制的平華司中,突出頭型螺絲頭下承面使用標準的平華司,埋頭型(Oval)螺絲使用一相配合之有倒角間隔鋼片.裝在頭下承面之平華司或 間隔片的厚度應能符合螺絲的最大無效牙長度.對於半牙之長螺絲,其柄部可以使用較長之冷軋鋼制的間隔片或平華司支撐,以保證完全牙部份可以結合併維持在測試鐵板厚度中.螺絲應被鎖緊到最大破斷扭矩的80% ,破斷扭矩是以鎖緊5支螺絲至破斷以其平均值決定,繼續保持鎖緊持續24小時後,再將螺絲旋松後再旋至原鎖緊扭力,螺絲應無明顯的失敗.
注: SAE J81 及 J1237 已有規定鎖在已攻牙之內螺紋中且規定鎖緊之扭矩值.
5自攻螺絲之功能性 : 自攻螺絲之功能性包括有延展性(Ductility);攻入測試(Drive Tese);攻入扭矩(Drive Torque)及攻速測試(Drive Speed)等.如下所述:
延展性(Ductility) : 自攻螺絲經滲碳處理→淬火→回火後,為免因熱處理不當導致過硬而脆性增加致破斷,通常須測試其延展性(韌性)狀況.測試方法為將螺絲樣品置入一經硬化處理且呈某一角度角度的測試座中,或其他適當的設備,測試座的孔穴依ASME B18.6.4規定應比螺絲公稱直徑大0.020 – 0.040英寸(0.5 – 1.0mm).施以軸向壓力於螺絲頭頂部,壓力應持續直到頭下承面與螺絲軸心呈現某一角度的永久彎曲.本測試可以使用瑯頭重復打擊直到永久彎曲.若頭部分離即予拒收
各規範所規定之延展性測試角度
F.I.P.
1000 SAE
J78 SAE
J81 ASME
B18.6.4 SAE
J1237 JIS
B1055
10O 5O 7O 10O 10O 10O ~ 15O
攻入測試 (Drive Tese) : 攻入測試為自攻螺絲最主要之特性,當自攻螺絲無法攻入組合之鐵板中則將失去其主要功能.因此各規範中均規定須做攻入試驗.B18.6.4規定了尾型AB, B, BP, C, D, F, G和T( BF,BT,BG不在此限)須作組裝測試.在測試時,螺絲必需旋進一依規定硬度,厚度且鑽有預鑽孔之鋼板中,旋進時螺紋需無可目視之變形,在測試時無扭矩限制.至於三角牙之螺絲(參閱SAEJ78 , J1237 , FIP 1000 , DIN 7500) 在組裝測試方面, 不僅要求旋進時螺紋需無可目視之變形,同時還規定組裝測試時之扭矩上限.
英制規格自攻螺絲之測試鐵板厚度及孔徑尺寸
自攻牙(寬牙) 機械牙
Type A Type B 規格 Type D,F,G,T Type TT
(三角牙)
規格 板厚 孔徑 規格 板厚 孔徑 板厚 孔徑 板厚 孔徑
#2-32 0.048 0.076 #2-32 0.048 0.076 #2-56 0.078 0.073 0.125 0.075
#3-28 0.048 0.081 #3-28 0.048 0.081 #3-48 0.094 0.081 0.125 0.087
#4-24 0.048 0.086 #4-24 0.048 0.086 #4-40 0.109 0.096 0.125 0.098
#5-20 0.048 0.107 #5-20 0.048 0.107 #5-40 0.109 0.101 0.125 0.110
#6-18 0.075 0.116 #6-20 0.075 0.116 #6-32 0.140 0.120 0.125 0.120
#7-16 0.075 0.129 #7-19 0.075 0.129 … … … … …
#8-15 0.075 0.136 #8-18 0.075 0.136 #8-32 0.140 0.147 0.188 0.147
#9-14 0.075 0.149 … … … … … … …
#10-12 0.125 0.159 #10-16 0.125 0.159 #10-24 0.188 0.173 0.188 0.166
… … … … … … #10-32 0.188 0.177 0.188 0.172
#12-11 0.125 0.188 #12-14 0.125 0.188 #12-24 0.188 0.199 … …
#14-10 0.125 0.217 … … … … … … …
… … … 1/4-14 0.1875 0.217 1/4-20 0.250 0.228 0.250 0.219
… … … … … … 1/4-28 0.250 0.234 … …
#16-10 0.1875 0.238 … … … … … … …
#18-9 0.1875 0.261 … … … … … … …
#20-9 0.1875 0.290 … … … … … … …
… … 5/16-12 0.1875 0.272 5/16-18 0.313 0.290 0.312 0.277
… … … … … … 5/16-24 0.313 0.295 … …
… … 3/8-12 0.188 0.328 3/8-16 … … 0.375 0.339
1.鐵板之要求為0.23%以下之低碳鋼製成,板厚公差 ± 0.002” ; 孔徑公差 ± 0.001” ; 硬度 70 ~85 HRB. 尺寸參照 ANSI B18.6.4 ; FIP 1000 ; SAE J81 ; J933.
2.TYPE C 使用之鐵板尺寸與TYPE A相同.
公制規格自攻螺絲之測試鐵板厚度及孔徑尺寸
自攻牙(寬牙) 機械牙(三角牙)
DIN 267/12 JIS B1055 規格 DIN7500 SAE J1237
規格 板厚 孔徑 板厚 孔徑 板厚 孔徑 板厚 孔徑
ST2.2 1.3-1.2 1.96-1.91 1.30-1.17 1.955-1.905 M2 2.0 1.8 3.0 1.77
ST2.6 -- 2.235-2.185 M2.5 2.5 2.3 2.25
ST2.9 1.3-1.2 2.47-2.42 2.465-2.415 M3 3.0 2.75 2.70
ST3.3 -- 2.730-2.680 M3.5 3.5 3.2 3.15
ST3.5 2.1-1.9 2.98-2.93 2.06-1.85 2.970-2.920 M4 4.0 3.6 5.0 3.60
ST3.9 3.29-3.24 3.290-3.240 M5 5.0 4.6 4.55
ST4.2 3.49-3.44 3.480-3.430 M6 6.0 5.5 6.0 5.40
ST4.8 3.2-3.1 4.08-4.03 3.23-3.10 4.065-4.015 M8 8.0 7.4 8.0 7.30
ST5.5 4.79-4.74 4.785-4.735 M10 10.0 9.3 10.0 9.20
ST6.3 5.1-4.7 5.53-5.48 5.05-4.67 5.525-5.475 M12 -- -- 12.0 11.00
ST 8.0 6.94-6.89 6.935-6.885
JIS B1055 之鐵板碳含量在 0.23% 以下之低碳鋼 , 硬度為 70 ~ 85 HRB (125 ~ 165 HB) .
SAE J1237之鐵板為低碳鋼製成,硬度為 75 ~ 90 HRB . 孔徑公差 ± 0.025mm.
DIN 267/12之鐵板硬度為 72 ~ 87 HRB . DIN 7500 之鐵板厚度及孔徑公差無規定.
各規範對最大旋入扭力測試之要求
尺寸 DIN 7500 SAE J1237 FIP 1000 尺寸 SAE J81 FIP 1000
N.m N.m lb-in lb-in lb-in
Phos. Zinc Phos. Zinc Phos. Zinc Phos. Zinc
M2×0.4 0.3 0.4 0.6 4 5 # 2-56 4.5 6 4.5 6
M2.5×0.45 0.6 0.8 1.0 7 9 # 3-48 7.5 9.5 7.5 9.5
M3×0.5 1.0 1.3 1.7 11 15 # 4-40 9 13 9 13
M3.5×0.6 1.6 1.9 2.4 17 21 # 5-40 12 16 12 16
M4×0.7 2.4 2.6 3.4 22 30 # 6-32 14 20 14 20
M5×0.8 4.7 4.8 6.0 42 53 # 8-32 25 32 25 32
M6×1.0 8.0 7.5 9.2 66 81 #10-24 35 52 35 52
M8×1.25 20 16 20 142 177 #10-32 -- -- 35 52
M10×1.5 39 28 35 248 310 1/4-20 90 120 90 120
M12×1.75 -- 46 55 -- -- 5/16-18 180 240 180 240
3/8-16 240 300 240 300
扭力強度測試 : 所有尺寸及型式的自攻螺絲均需作扭矩測試,測試時將螺絲裝入於一盲孔的固定裝置中(最少2個螺紋),螺絲頭露在外面(最少2個螺紋).使用一經校正過且顯示精度低於± 2%之扭矩設備施以扭矩直至螺絲斷裂(通常破斷處位於螺絲柄或頭頸交接處),所測出之扭矩至少需等於規定值或更高者為合格.
各規範對公制自攻螺絲機械牙扭力強度之要求
尺寸 DIN 7500 SAE J1237 FIP 1000
TY. F, T 三角牙
N.m Min N.m Min lb-in Min lb-in Min
M2×0.4 0.5 0.7 4 6
M2.5×0.45 1.0 1.2 10 11
M3×0.5 1.5 2.2 18 19
M3.5×0.6 2.3 3.5 27 31
M4×0.7 3.4 5.2 41 46
M5×0.8 7.1 10.5 83 93
M6×1.0 12 17.7 142 157
M8×1.25 29 43.0 354 380
M10×1.5 59 87.0 -- 770
M12×1.75 -- 152.0 -- --
各規範對公制自攻螺絲自攻牙(寬牙)扭力強度之要求
尺寸 ISO 2702 JIS B1055 DIN 7504 DIN 267/12
Min. Nm Min. Nm
ST 2.2 0.45 -- 0.45
ST 2.6 0.90 --
ST 2.9 1.50 1.50
ST 3.3 2.00 --
ST 3.5 2.70 2.80
ST 3.9 3.40 3.40
ST 4.2 4.40 4.50
ST 4.8 6.30 6.50
ST 5.5 10.00 10
ST 6.3 13.60 14
ST 8.0 30.50 -- 31
4.3 SAE J81 :
混合了ANSI/ASME B18.6.4及SAE J933之對螺紋成型自攻螺絲之要求, SAE J81包含材料選擇, 熱處理要求, 滲碳深度, 表面及心部硬度. 一般而言與J933大致相同. 它又包含了電鍍後之烘乾處理要求. 組裝及扭矩測試一樣需要要求. 另增加了抗拉強度之規定, 旋緊負荷, 保證扭矩, 延展性及氫脆化測試.但是多加了抗拉強度135,000 psi要求.
六角及六角華司頭( 有足夠長度 )螺絲需作垂直抗拉強度測試. 另外尚需加測旋緊負荷,保證扭矩. 測旋緊負荷時螺絲應組裝在一與組裝測試相同之鋼板上用力旋緊至規定之扭矩值. 扭矩值應略為超過扭矩測試扭矩規定之下限. 在承受此種扭矩下, 螺絲不應破斷.
所有螺紋成型螺絲應做延展性測試, 將螺絲頭彎曲與軸呈7度角. 同時電鍍螺絲應作氫脆化測試, 將螺絲依規定之扭矩旋入預置孔旋緊並保持24小時而螺絲不斷頭者合格( 此值約等於扭矩測試規定下限之75% ).
最後一個定義是J81承認
4.4 SAE J78 :
4.5 FIP 1000 :
5 螺絲選擇及適用 :
使螺絲可以組裝之力量-稱為旋入扭矩( Drive Torque )-並成型或攻出配合螺紋, 如果在力量持續狀況下, 螺絲將會密合, 旋緊, 同時再繼續下去將會超過-稱為極限扭矩( Utimate Torque )-螺絲將產生破斷, 扭斷, 螺紋扯裂(打滑)或自結合工件脫出.
在使用所有自攻螺絲前, 最重要的問題是 : ”正確的旋緊扭矩是多少? 多大的扭矩使螺絲得以旋緊而不致使螺絲或結合工件有所損害?”. 非常明顯的是旋緊扭矩必然介於旋入扭矩及極限扭矩之間. 且無理由的建議使用兩者之中點. 有幾個因素會影響到旋轉扭矩及極限扭矩, 比較重要的因素是螺絲型式, 尺寸, 結合工件成份及硬度, 結合工件厚度及預鑽孔之準備方式, 其中最受爭議的是預鑽孔配合螺絲的尺寸, 有趣的是, 其他因素都會影響預鑽孔之尺寸. 因此預鑽孔是設計最後決定的因素, 而且最重要. 如果預鑽孔太大, 螺絲可以輕易旋入, 但會破壞結合完整性而導致螺絲在未到極限扭矩時即產生脫出. 如果預鑽孔太小, 則旋入扭矩會加大甚至有扭斷的危險. 就算螺絲已經密合且旋緊, 但是在旋入扭矩及極限扭矩間差別太小可能會導致組合失敗.
各項因素影響預鑽孔而產生之扭矩問題應該依照旋入扭矩及極限扭矩來決定”旋緊扭力到底是多少?”
5.1 螺絲型式 :
通常, 我們可以很輕易的從使用環境因素來決定到底要使用螺紋成型, 螺紋切削, 螺紋滾成或鑽尾自攻螺絲, 例如 :
- 螺絲結合後必需負擔外部負荷否?
- 結合件材料為何? 鋼? 鑄鐵? 鋁? 塑膠? 木頭或其他?
- 結合件厚度為何?
- 螺絲用於貫穿孔或盲孔?
- 如用於貫穿孔, 孔後之清潔因素重要嗎?
- 攻牙碎屑或鑽孔碎屑可以接受嗎?
- 預備孔之加工係以鑽孔? 切削? 擊打或鍛造?
- 螺絲之組裝係手工裝配? 半自動或全自動裝配?
- 組合之後是否需要拆卸?
- 使用環境是否具腐蝕性?
- 螺絲成本為何? 組裝成本為何?
相同稱呼徑自攻螺絲寬螺紋及機械螺紋其牙部外徑不同. 一般而言, 預備孔尺寸也不一樣, 通常, 我們只需要兩組不同尺寸之預備孔, 一組適用於機械螺紋之螺紋成型及螺紋切削自攻螺絲, 另一組適用於寬螺紋之螺紋成型及螺紋切削自攻螺絲. 螺紋滾成及螺紋成型螺絲之預備孔亦可適用於螺紋切削螺絲, 這是因為在所有條件相同之下, 切削所需扭矩小於成型所需扭矩.
5.2 螺絲尺寸 :
在構造用組合中, 好的設計通常建議如果螺栓螺帽之組合在組合作業施力過大或使用場合應力負荷過大導致結合失敗時, 應使螺栓破斷且螺紋不應扯裂. 相同的觀念一樣適合於自攻螺絲之組裝. 特別是用在有應力負荷的場合中. 如果組合失敗, 應該是螺絲破斷而非螺紋損壞或拉出.
抵抗螺紋損壞及拉出之功能由材料強度及螺紋剪應力面積提供, 易言之, 係由螺絲尺寸,作用螺紋長度及配合螺紋重疊深度控制, 螺紋作用長等於結合工件厚度. 螺紋重疊深度由預備孔孔徑決定, 另一決定因素-螺絲尺寸則決定了扭矩及抗拉強度.
在任何結合厚度下, 增大螺絲尺寸會增加拉應力負荷面積與螺紋剪應力負荷面積之比值, 常導致螺紋扯裂或拉出. 如減小螺絲尺寸則比值減少, 但旋入扭矩會增加造成螺絲扭斷,因此如何平衡抗拉強度抵抗螺紋扯裂或拉出有賴於決定螺絲尺寸和使用之工件厚度.
在鋼制英美統一螺紋扣件中, 我們通常會發現螺紋結合長度約等於一倍扣件直徑D, 用來防止螺紋扯裂, 這對螺紋切削螺絲而言, 看起來也是滿合理的. 因為預鑽孔之最小徑與螺帽最小徑一樣, 螺絲尺寸等於或小於材料厚度可以防止螺紋扯裂. 實用上, 由於螺紋切削螺絲攻牙之阻抗力小, 可以使用在1.5倍徑或更厚的材料上. 而螺紋滾成螺絲由於阻力較大, 因此建議使用1.1倍徑之材料厚度. 對螺紋成型螺絲而言, 由於其使用寬螺紋及高扭矩, 因此很難決定使用多大尺寸螺絲以防止螺紋扯裂或拉出. 幸運的是, 大多數螺紋成型螺絲很少用在高負荷的場合, 因此, 在防止螺紋扯裂或拉出以1.3倍徑配合材料厚度是合理的選擇.
讓我們以一例作一總結 : 如果我們使用材料的厚度是0.125”, 那麼我們首先考慮的是#6螺紋滾成螺絲( 1.1x.125=.137 ), #5螺紋切削螺絲( 1x.125=.125 ), #8螺紋成型螺絲. 在有螺紋扯裂或拉出之顧慮的場合下, #6螺紋滾成螺絲使用材料厚度不能小於0.125”( .138/1.1 ), #6螺紋切削螺絲0.138”( .138/1 ), #6螺紋成型螺絲0.106”( .138/1.3 ).
上述建議係以鐵板為基準. 而其他材料之使用應以材料對剪力影響作相對調整. 最重要的是上述建議係假設預鑽孔為標準尺寸.
5.3 材料硬度及厚度 :
很明顯的, 組合材料的硬度越大或厚度越厚所需要的扭矩就越大. 因此預鑽孔也需加大, 但是, 預鑽孔尺寸限制之調整只能在調整一個相當窄的範圍.
通常適當之孔徑約在螺絲螺紋中點以便保持攻鑽時螺紋之疊合, 而且孔徑限制不能大到螺紋高度之75%以上. 在小螺絲方面, 有一些調整的可能性. 如#8寬螺紋螺紋高度只有0.022”. 如孔徑只提供到螺紋一半高度時則螺紋切削螺絲攻入組件之螺紋疊合高只有0.011”,而螺紋成型及螺紋滾成自攻螺絲會因為擠壓之故其螺紋疊合高會多一點. 孔徑提供到螺紋75%高度時則螺紋切削螺絲攻入組件之螺紋疊合高只有0.005”, 而螺紋成型及螺紋滾成自攻螺絲也不致於多太多. 這表示孔徑之調整範圍只有0.010”.
對更硬或更厚之材料來說, 應選擇較大之螺絲並降低旋入扭矩而不是加大孔徑來允許較小之螺絲可以組裝.
自攻螺絲介紹 (應用及檢測方法)
