玻璃钢螺纹的制造与强度

F一1玻璃钢学会第十五届全国玻璃钢，复合材料学术年会论文集2003年玻璃钢螺纹的制造与强度吕贵平(北京玻璃钢研究设计院102101)摘要：本文分析了玻璃钢螺纹的结构尺寸、成型方法与其强度的关系，概述了玻璃钢螺纹的应用领域。 玻璃钢螺纹的破坏主要表现为螺纹牙的剪切破坏。在螺纹材料、尺寸、载荷都相同的情况下三角形螺纹牙所 受的剪应力最小，断裂载荷也比梯形螺纹和矩形螺纹高。螺纹的强度首先取决于它的直径大小。模压螺拴或 螺母连接强度大，生产周期短，产品表面光洁，成本低。采用层压玻璃钢板加工的方法，一般只适合于连接强 度要求低使用数量不多的场合。关键词：螺纹牙成型方法强度1前言在电气工程、机械制造和化工防腐等领域中，玻璃钢的应用日益增多，各种结构件的连结 问题经常出现。在我国，防腐管道等工业产品中，经常见到的是法兰连接、承插连接；在电气、 机械行业中玻璃钢与其它构件的连接常用金属套管连接，同时附加胶接、销钉、铆钉等加固件。 这些方法操作繁锁，连接附件笨重，拆卸困难、接头成本较高。如果在条件允许的情况下，采用 玻璃钢螺纹连接，可以用较低的成本获得较好的连接性能，因此玻璃锕螺纹连接法是一种可以 被广泛采用的连接方法。它的连接强度与被选择的材料、所采用的成型工艺以及螺纹的连结 结构有关。本人对不同材料、不同形式的玻璃钢螺纹，在结构、性能、成型方法等方面，做了一 些工作，从而得到一点体会。2 螺纹牙的形状与强度玻璃钢螺纹牙的机械破坏主要表现为剪切、弯曲、压碎等几种形式。其破坏应力与负荷之。剪2 ii_i可 咂赢间存在如下关系：P=。 一0式中P为破坏载荷；r剪为螺纹牙所承受的剪切应力；h为螺纹的有效高度；口鸯为螺纹牙所 承受的弯曲应力；a压为螺纹牙所承受的压缩应力；do d1为螺纹的外径和内径；z为螺纹 牙的有效圈数；s为螺距；B为螺纹牙的形状系数。由于玻璃钢材料的层间剪切强度值远低于它的弯曲强度和压缩强度，因此压制成型的玻 璃钢螺纹的破坏主要表现为螺纹牙的剪切破坏。而且，由上述关系可知，螺纹所承受剪切应力 的大小与螺纹牙的形状系数成反比。常见的螺纹牙型中，三角形螺纹的p值接近于1；梯形螺纹的口值约为o62。068；矩形 螺纹的口值约为05。所以，在螺纹材料、尺寸、载荷都相同的情况下，三角形螺纹牙所受的剪 应力最小，断裂载荷也比梯形螺纹和矩形螺纹高。因此，承受拉力或压力的玻璃钢螺杆，其螺283纹不宜采用梯形，尤其不宜采用矩形。在承受动载荷的连接件中，采用半圆形螺纹牙是有利 的。这是因为当其它条件相同时，各种受变载荷的螺纹，其连接寿命随螺纹牙圆角半径的增大 而增加。半圆形螺纹的断面为圆弧形，圆弧间用短直线段过渡，齿形两边的夹角通常为30。 这种牙形的螺杆与螺母配合阻力也较小，因此还可用在对强度要求较高的场合。成型操作的难易程度也是选择螺纹牙形状的依据之一。例如模压成型的三角形螺纹牙， 在螺纹深度较深时，螺纹圆角处易出现局部树脂含量过高、缺角、麻点等多种缺陷，因此直径较大的三角形螺纹，要适当缩小螺距。不同螺纹牙形的玻璃钢螺杆，在脱模过程中的摩擦阻力各 不一样。试验过程中，不同螺纹牙的螺杆脱模，从易到难按半圆形一梯形一矩形一三角形的次序。不同材料制造的各种螺纹在使用过程中所受的摩擦力也各不相同。3螺纹牙的尺寸与强度31螺纹直径螺纹的强度首先取决于它的直径大小。虽然螺纹直径增加时，螺纹横截面积与螺纹的有 效表面积之间存在着线性关系，但是螺纹的强度并非线性增加。试验证明：M10的玻璃钢螺 纹在单位截面积上传输的力可达250Nmm2，而同种材料的M16的螺纹则为200Nram2，力 传输下降的原因是螺纹横截面积上力分布不均匀的缘故。用层压玻璃钢板加工的螺纹，直径不宜小于10ram，因为这种螺纹的强度容易受到lJnT-过 程中机械损伤的影响。玻璃钢材料虽然可以采用车、刨、铣等常用的方法加工，但是在加工工 艺上又和金属材料有一定的差别。因此螺纹直径的选择应当考虑到这个因素。模压玻璃钢螺纹直径的选择，可以有较宽的范围。但是这种材料的耐磨性不够理想，而且 由它所制成的圆棒在扭转时，玻璃纤维和树脂界面上容易发生超应力的作用，反应出较低的临界抗扭强度。因此，当螺纹直径小于6mm时，不宜使用于经常拆卸的场合。当螺纹直径小于10ram时，拧紧螺母时不要使用大搬手操作。所有的玻璃钢螺纹拧紧螺母时，不宜采用搬手加 长、敲击抽操作方法，以免发生脱扣和扭劈等现象。 一32螺纹的有效长度 螺纹的有效长度是指连接结构中螺杆上的螺纹直接与螺母配合的长度。一般情况下，它等于螺母的实际高度。钢质螺母的标准高度与螺纹直径之间韵关系可以表达为H=08D。 而玻璃钢螺纹的有效长度的选择，需要通过实验来求得。对于层压板加工的螺杆，一般可以选 择H为225D。如果继续提高螺纹有效长度，会出现螺杆拉断现象；对于短纤维模压玻璃 钢螺纹，其材料的拉伸强度视材料及工艺方法的不同，变化很大。一般地说，拉伸强度低的，有 效长度应适当缩短。反之，可以相应延长。通常有效长度可以选择H为12D。采用纤维沿 轴向增强的模压玻璃钢螺纹，螺杆的有效长度可以根据连接件附近的空间情况适当加长，以便 保证这种连接有足够的机械强度。玻璃钢螺母作机械强度试验时，要配以钢质螺杆，因为在采 用同种材料的情况下，螺母的螺纹强度大于螺杆的螺纹强度。螺母的有效高度越高，断裂负荷 越大。33螺栓光杆部分的直径 承受较大负荷的玻璃钢螺栓，螺纹直径应略大于光杆部分的直径。缩小光杆的直径可以较大程度地减少螺纹在承受动载荷时所产生的应力集中现象。对于模压玻璃钢螺栓来说，缩 小光杆的直径还有利于成型操作工艺的简化。光杆直径的缩小值以不降低螺栓的断裂负荷为284限度。4成型方法与强度玻璃钢螺纹的成型通常采用对模压制法或者层压板加工等方法。前者就增强材料的状态 而论，又可分为短纤维模压法和定向纤维模压法。模压螺栓或螺母是将物料放在模具中，经热 压而直接成型的。这种螺纹连接强度大，生产周期短，产品表面光洁，成本低。但它需要一套 成型模具和一系列合理的成型工艺参数。模压法适合于形状复杂的玻璃钢制品的批量生产。 采用层压玻璃钢板加工的方法，一般只适合于连接强度要求低、使用数量不多的场合。机加工 的玻璃钢螺杆的螺纹牙形和尺寸不受模具的限制，适合制作长螺杆。其连接强度可以通过调 节各部分的几何尺寸来实现。但是采用这种方法将会使玻璃钢层压板材造成很大的浪费现 象。为了减少加工过程中的机械损伤，对于玻璃钢螺纹应当采用磨削加工的方法，最好采用异 型金刚石砂轮，这样做还可以增加表面光洁度和提高加工效率。由于层压板使用的增强材料大多数是玻璃布，因此材料性能在不同方向上差别很大。利 用层压板加工螺纹时，应当使螺纹的轴向尽量与所用玻璃布的径向保持一致，以得到高的拉伸 强度。在与玻纤布呈径向45。的方向上，拉伸强度最低。用对模压制法成型的螺纹，其机械强度也视材料的不同而不同。如采用片状模塑料模压 螺纹，螺纹外形美观、表面光洁、成型速度快、产品成本低，但是由于这种材料的纤维含量较低， 因此螺纹的连接强度也就低。两种短纤维模压料成型螺纹的强度比较见表1。表1两种短纤雏模压料成型螺纹的强度比较此外，模压玻璃钢螺纹的强度与玻璃纤维的增强方式有关。一般地说，定向长纤维模压螺 纹的强度显然要大于随机短纤维模压螺纹的强度，但是，螺纹采用定向纤维模压时，必须要制 定一套合理的工艺制度才能达到预期目的。5结语随着玻璃钢工业的不断发展，玻璃钢螺纹产品的机械性能和使用性能越来越趋于稳定和 合理，它必将走向标准化生产并运用到国民经济的诸多方面。同时，为特殊行业用途需求的螺 纹新品的开发与研制提供了一条新途径。参考文献1第十四届玻璃钢复合材料学术年会论文集2黄家康等主编复台材料成型技术化学工业出版社，19993刘鸿文主编材料力学高等教育出版社，1989LANUFA(?IURE AND STRENGTH OF FRP THREADLu Gui Ping(Beijing FRP ResearchDesign Institute)Abstract：The paper analyzes the relations between the structural size，molding process and strength of FRP threadIt introduces the application of FRP threadThe destruction of FRP threadis mostly appearedin cut stressInthe sainematerial，dimension andload circumstance，the cut stress of the triangle thread is smallestIts rapture load is higher than the echelon and reetan gleThe strength of FPR thread is mostly decided to the size of diameterThe connectional strength of FRP thread by press molding is bigger，the period of production shorter，surface brighter and cost lowerThe thread is suitable for the requirements of lower eonnectical strength and limited countsThe FRP thread will be produced with the standard and fitted for special usesKeywords：thread shaWmoldingprocessstrength