2024-07-No1-扣件技術新訊

余征諴博士 / 國立高雄科技大學 鍛造輥軋工程研究中心

各位【台灣扣件產業服務雲】會員先進們大家好，與您分享本期 #扣件技術新訊 (2024-07-No-1)：

#技術主題 : #螺紋護套應用於不同強度等級螺絲與鋁合金螺帽結合之參數研究

螺紋護套 (Wired Threaded Inserts, WTI) 是螺紋插入物的一種，一般由金屬線材或其他高強度材料製成，能增強螺紋強度和改善應力分佈，有效提升了螺紋接頭的性能和耐用性，如(1)增加螺帽或基材螺紋強度，使其能夠承受更大的負載和應力，而減少螺紋剝落和斷裂的風險(2)改善螺帽與螺栓間的預緊力分佈，減少初始幾個螺紋承受的過大應力，從而延長螺紋接頭的使用壽命(3)減少磨損與提高抗疲勞性能。

Giannella等人[1]利用 PTC Creo Parametric 建立螺絲與螺帽結合CAD模型(M3、M6、M10)，其中螺絲為鋼鐵材料(8.8、10.9、12.9級)，螺帽為鋁合金材質(AA 2017、2024、6061、7075)及碳鋼(C40)，套筒材質為鋁合金7075，螺紋護套材質為A2工具鋼、青銅及鋁合金，再以ANSYS Workbench進行 2D 及 3D 有限元素拉拔分析，從分析結果知，使用螺紋護套有助於降低螺紋根部應力集中現象，並改善螺紋接合處的預緊力分佈，特別是在使用鋁合金護套及高接合比(engagement ratio, ER)時效果更為顯著，當ER值達到1.5或更高時，護套使初始螺紋的應力顯著降低且更均勻分佈。

各項參數對預緊力與等效應力分佈之影響說明：

1.螺帽與螺紋護套材質：

(1) 螺帽材質：螺帽的材料降伏強度和硬度對應力分佈有顯著影響。高降伏強度材料（如7075鋁合金）比低降伏應力材料（如6061鋁合金）更能均勻分佈應力，減少初始螺紋的應力集中。

(2) 螺紋護套材質：在接合比超過1.5的情況下，鋁合金護套在降低初始螺紋處的應力方面最為有效。

2.螺絲與螺帽直徑(規格 M3、M6、M10)：
螺絲和螺母的直徑變化對預緊力分佈的影響不大。

3.螺紋接合比 (螺紋接合長度與螺絲直徑的比值，engagement ratio, ER)：

(1) ER比對預緊力影響最大。
(2) 低ER值（如1）會導致預緊力集中在初始幾個螺紋，增加失效風險。
(3) ER值增加至1.5或更高時，應力分佈更均勻，初始螺紋的應力顯著降低，螺紋護套的效益更明顯。

4.螺帽公差等級：
(1) 螺母公差帶的變化對預緊力分佈的影響較小。
(2) 在6H和4H公差帶範圍內，無論是在彈性還是彈塑性區域,預緊力分佈沒有顯著變化。

5.螺絲強度等級：
(1)較高等級螺絲（如12.9級）能承受更高的預緊力，應力分佈更均勻，在使用螺紋了護套時，能更有效地減少初始螺紋的應力集中。

應用該技術，可協助產業透過『螺紋護套應用於不同強度等級螺絲與鋁合金螺帽結合之參數研究』，建立『扣件產品設計』之技術能量及相關研究開發之參考資料。

----

#參考資料：

[1] Giannella, V., Romano, D., Greco, M., Molitierno, R., Sepe, R., & Armentani, E. (2024). Wired threaded inserts in joints with steel screws and aluminium nuts: A parametric study on their effectiveness. Forces in Mechanics, 14, 100258, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666359724000040

[2] 台灣扣件產業服務雲, 扣件技術新訊, Vol. 2024-07-No1, https://www.tw-fastener.com/tfsc/knowledge/BLP_995ff964-441c-4570-b64b-cead35a65acb

----

Tag: #Fastener, #Screw, #Joint.

----