电镀前螺纹尺寸的确定

2018-11-26 10:33:00
陆启蒙
原创
103


目前,在机械产品上应用螺纹件的防护覆盖处理已有很大发展,但就应用的广度和数量而言并不理想,特别是汽车行业,仍以电镀(锌)为主。

当螺纹件(螺栓、螺母)规定螺纹精度较高(6级或以上)时,镀层尺寸对镀后螺纹的配合性质会产生明显的影响,此时,在螺纹件电镀之前的螺纹预留容纳镀层的合适间隙以保证镀后螺纹配合的可旋合性能,就十分必要了。

本文介绍、分析了有关问题和一些基本的解决方法,其基本概念和方法对其他涂覆层涂覆前螺纹尺寸的确定也有参考价值。

标准螺纹配合的基本状况

在现代工业应用最广的是普通螺纹,我国普通螺纹国家标准(源于ISO标准)规定了多种精度和多种不同配合。而作为紧固件使用的螺栓、螺母、螺钉等螺纹件, 最常用的或基本的精度为6级,最基本的配合采用6H/6g(见图1)。

图1 6H/6g 螺纹配合示意

这种选择,可以理解为 “最大程度地简化” 。从全球实践看,是可行的,也是合理的。这种配合,对不作镀覆处理的产品,也可直接使用。

以标准配合螺纹作为镀覆前尺寸



1.薄镀层——镀覆与否均采用同一配合

当产品仅需要做出足够薄的镀覆层时,则利用6H/6g配合已有的间隙(即标准所称基本偏差)予以适当的镀覆,镀后的螺纹配合功能,或者说互换性或可旋合性,是可以得到保证的,前提是镀覆层厚度需控制在预定的范围内。

这是紧固件国家标准、ISO标准以及很多国外标准一致采取的处理办法。


图2 6H/6g 配合镀后公差位置示意


以M10 6H/6g为例, 其基本偏差(即中径处最小间隙)为32μm,而理论的最小可容镀覆层厚度则为8μm(对于长度小于或等于5倍直径的短规格)或6μm(对于长规格)(见GB/T 5267表4 )。

值得注意的是,相对于螺纹公称中径(作为公差计算的零起点)而言,理论上6H级内螺纹是没有预留间隙的,但内螺纹件(螺母)同样需要进行镀覆。

实际上,由于电镀工艺本身的特性,内螺纹件镀覆时在螺纹上可获得的镀层厚度,远小于其外表面可获得厚度,加之内螺纹件螺纹公差带实际分布的特性(大多集中于公差带中上部),厚度足够薄的镀覆后的内螺纹件,其公差带仍处于6H标准公差带的概率极高,犹如已预留间隙一样。

这是内螺纹紧固件产品,在薄电镀层条件下的一种特别的、经实践证实有效的处理方式。在GB/T 5267中,对此已有明确阐述(见GB/T 5267之5.1.2)。 

这些规定的要点是:1.  6H级螺纹可以作为较薄镀层的镀前尺寸,镀后仍应以6H级通端量规检验合格;反之,如果6H级通端量规验收合格,即使批平均厚度大于最大批平均厚度也是可以允许的。外螺纹件则需利用标准配合给出的间隙(基本偏差)以容纳镀覆层(6H/6g配合镀后公差位置示意见图2)。

2.  较厚镀层——采用标准配合如果产品的镀覆层要求较厚(使用环境较为恶劣),那么,在螺纹标准的范围内,还可以选择其他配合种类(如6H/6f,6H/6e,6G/6e),以满足不同镀覆层厚度的需要(6H/6g,6H/6f,6H/6e配合的外螺纹可容纳的理论镀覆层示意见图3)。


图3 不同配合种类可容镀层示意

常用规格可容镀层厚度见表1(GB/T 5267 表5的摘录)。


表1 常用规格可容镀层厚度



在采用标准配合时,可以发现,上述表1所指的最大镀层厚度,实际上是指标准中(GB/T 5267表1)的镀层厚度(即公称镀层厚度),也是最小局部镀层厚度,也就是在考虑和计算镀层与螺纹间隙的关系时,标准(GB/T 5267表1)采用的是最小局部镀层厚度,并未按理论关系采用螺纹侧面上的最大镀层厚度,这似乎令人有些费解。

对此,需要从电镀技术本身的特性和目前镀层检测技术的局限性来理解,由于电镀层厚度分布的不均匀性,无论标准中的最小镀层厚度或批平均厚度,都不是附着在螺纹侧面上的、直接影响螺纹配合状态的镀层厚度。

目前经济可行、能确切检测的镀层厚度,其实仅有局部镀层厚度,其检测位置都只能在非螺纹部较宽敞的表面,而最小则是作为保证产品获得必要防蚀性的条件。

也就是说,这种被检测出的厚度,与螺纹侧面上的镀层厚度(我们可称其为覆盖于螺纹上的有效厚度),是两个不同的概念,二者之间只是存在一种难以确切计量的、大致的相关关系。标准采用的这种办法,可以理解为主要是以“理论+实践”确立的相关关系。

至于批平均厚度,则只是镀层总量的平均水平,并不具体体现在某个表面上,是一种近乎虚拟的数值,更难以作为计算配合关系的依据。这样,就可以明白,标准给出的基本偏差与最大镀层厚度之间的关系,只是一种大致的或近似的关系,而不是一种确切的数学关系。

基于这种不确切的关系,为了保证镀后的可旋合性,标准特别规定了 “镀后内、外螺纹分别用6H/6h级螺纹通端量规进行检查” 作为最终裁决依据,以弥补这个漏洞。

为了减少生产中质量控制(线材尺寸、螺胚尺寸、量规等)的复杂性,选用标准螺纹配合作镀覆前尺寸,无疑是一种合适、方便的选择。

3.标准螺纹配合作为镀覆前尺寸的具体选择

在产品设计及标准中, 对于螺纹精度及配合的确定,有两种不同方式: 一是规定成品(即镀后)精度及镀层厚度;另一种是规定镀前精度及镀层厚度。

对于前者,镀前精度、配合需由制造商选择;对于后者,镀前精度、配合由设计者(或标准)选定。

表1(GB/T 5267 表5)给出了在一定螺纹规格、精度及配合种类条件下,可供选择的可容镀层的厚度。而实际应用中,往往是在已定螺纹规格、已定镀层厚度条件下来选择镀前螺纹配合种类的。即对于同一类产品(如某种或若干种类似的螺栓),为了保证同等的耐蚀性,也为了生产管理的需要,希望选择尽可能单一厚度的镀层。同时会选择尽可能少(或单一)的镀前螺纹配合种类。

在这个前提下,显然只好按该配合中最小可容镀层来反选螺纹配合种类了。以表1所列规格为例,6f可容最大镀层厚度在8—12μm之间,若产品耐蚀需要镀层厚度为8μm,那么无疑可选用6f级配合,对于其他大部分可容纳更厚镀层的尺寸规格,也统统仅镀8μm。若所需镀层为10μm,即须选用6e级配合。

显然,对于大部分尺寸规格而言,会存在一个间隙过大的问题。反之,如果需要镀层10μm的仍选用6f级,对大部尺寸规格是合适的,而对部分长规格可能间隙不足。这是按照标准推荐数据在纸面演算而得出的结论。

不过,如果注意到标准给出的最大镀层厚度与基本偏差间的关系,基本还是以 “基本偏差应大于4倍螺纹侧面上的镀层厚度” 这一理论性关系为基础的,只不过标准是采用可以(在产品可测表面上)测量的镀层厚度来替代螺纹侧面上的镀层厚度的。

而实际上,螺纹上得到的镀层有效厚度会比标准(GB/T 5267 表1)所称的镀层厚度(即最小局部厚度)更薄更不均匀,且其关系也并不十分确定。

因此有理由认为,表1(GB/T 5267 表5)给出的选用规范是可以据实际情况适当灵活运用的。比如,10μm镀层选用6f级,对其中螺纹直径为M6—M12的长规格部分是否会存在间隙不足的问题,就不必绝对化地看待。而且所谓长规格中偏短与偏长的规格,其镀后状态也不会相同。

无论如何,最终还须按 “镀后以6h通端量规合格” 作为最终裁决。即应以通过实践验证作为选择的最终依据。在我国汽车行业已应用多年的《汽车标准件手册》,正是按这种方式处理的。即镀前6f,镀层8μm,对部分长规格,并未另选配合,就是超越规范的。

总之,为了简化镀前螺纹配合及镀层厚度的种类,对标准推荐的选择规范必要时可适当变通,并最终通过实际验证加以确定。

4.以标准螺纹配合作为镀覆前尺寸的局限性

不难看出,采用标准螺纹精度作为镀前尺寸,存在一定局限性。

其主要表现为:

1)  在镀覆层厚度有特别要求的情况下不合适。如要求9μm、13μm、22μm等,若按标准给出的镀层厚度则不能满足需要。

2)  镀层厚度超过标准规范时,如大于30μm,标准配合将难以适应。为此将不得不采用非标准的镀前尺寸。

5.非标准镀前螺纹尺寸的确定

GB/T 5267标准附录E,给出了一种 非标准镀前螺纹的确定方法,其要点是: 给出了镀层厚度对应的总间隙,以此为依据,确定非标准螺纹的基本偏差,再确定螺纹公差(平移螺纹公差带或压缩螺纹公差),其基本依据是所推荐的总间隙。

从附录的表中可以看出,这一推荐数值是以 “总间隙应大于4倍镀层厚度” 这一理论为主要依据的,同时纳入了源于 “电镀层分布不匀” 这一因素的经验修正值,而略微放大了总间隙数值。

但是,如前所述,镀层厚度并不等于螺纹侧面上的有效镀层厚度,它与螺纹预留间隙之间的关系只是大致的相关关系而已,因此,按此确定的镀前尺寸,同采用标准配合一样,并不能作为最终决定,仍需以实际验证来确认和修正。

至于确定公差带(平移或压缩),只是一个经济性与管理的问题,基本不涉及电镀后的螺纹可符合性,企业可根据各自的情况确定。

无论是选用标准配合或确定新的非标准配合,为了既保证产品的抗蚀性能又希望产品螺纹部强度的牺牲达最小,显然应遵循 “既可以容纳所需镀层,但又不希望间隙过大” 的原则。

这里介绍另一种确定非标准镀前螺纹尺寸的方法,其本质是 “以镀层在螺纹上的实际覆盖状况为依据,预留螺纹间隙应大于4倍有效镀层厚度”


其具体做法是:

1) 对代表性产品(如多种集中度较高的直径、长度),镀覆应达到最小镀层厚度,即按照标准规定部位检验最小局部厚度并符合要求。

2) 抽样检测螺纹侧面的有效厚度。用中径测量工具(螺纹千分尺或指针式螺纹中径表)检测镀后及退去镀层后同一产品、同一部位的螺纹中径尺寸,二者的尺寸差即为应预留的最小间隙,其1/4即为测得的有效镀层厚度。

3) 准确性取决于抽样的代表性、检测准确性以及足够的抽样数等。

4) 运用数理统计方法,对实测数据综合统计分析,从样本数据推断母体数据,判定有效镀层厚度,从而初步确定新的基本偏差。

5) 按照标准镀后符合h级通端量规的要求,进行必要批次、数量的实际验证,以最终确定新的基本偏差。这一方法,在现行螺纹标准量规尚未广泛供应时期,曾被某专业紧固件企业长期采用并取得良好效果。


结 语

1.  现行标准给出的选择规范,由于镀层厚度与螺纹上的有效镀层厚度之间对应关系的模糊性,因而不宜将其作为不可逾越或不可修正的规范。

2.  标准给出的 “镀后以h 级通端量规检测” 的终判原则,为接近既保证产品的抗蚀性能又希望产品强度的牺牲达最小的目标,以及运用规范做出必要的调整或修正提供了依据。无论采用标准配合或非标准配合作为镀前尺寸,这个原则都具有重要意义。

3.  如果能建立镀层厚度与螺纹上的有效镀层厚度之间的更为准确的对应关系,这对更合理地选择镀前标准配合或确定非标准配合将产生重要影响。

基于现代测试技术的发展,对螺纹上的有效镀层厚度以及镀层厚度(即标准所指检测表面)进行足够数量的准确测试以进一步了解二者间的关系,就技术而论,应无不可克服的困难。

4.  虽本文论述的是电镀条件下的情况,但其基本概念和方法对其他涂覆层涂覆前螺纹尺寸的确定也有一定参考价值。



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