外六角锥形螺纹紧固螺钉三维结构

　　做机械结构设计快十二年，经手的紧固件选型少说也有上千种，这款锥形螺钉头的外六角螺钉，最初是给户外重型桁架连接结构做配套设计的，当时常规圆柱头六角螺钉在承受交变剪切载荷时，头部与杆部过渡位置容易出现应力集中断裂的问题，才针对性调整了头部与杆部的过渡锥面结构。先从实际应用场景说，这类螺钉主要用在需要频繁拆装、同时承受轴向预紧力与横向剪切载荷的连接位置，比如工程机械的覆盖件固定、重型货架的横梁连接、机床外防护的拼装节点，还有风电塔筒内部的爬梯连接件，这些场景的共性是连接位置不能有突出的头部棱角，避免刮擦作业人员，同时要保证足够的拧紧力矩传递空间，外六角的头部结构刚好可以适配普通梅花扳手、开口扳手、套筒工具，不需要特殊定制工装就能完成拆装。

　　再说到功能特性，头部到杆部的锥形过渡段不是随便做的斜角，这个锥度是经过有限元校核的，常规螺钉头下直角过渡的位置，应力集中系数通常在2.7到3.2之间，做了15度左右的锥面过渡后，应力集中系数能降到1.4以内，在承受振动载荷的时候，不会在头杆结合位置萌生疲劳裂纹，而且锥面在拧紧的时候，会和被连接件的沉孔锥面形成自定心效果，不需要额外做定位销就能保证螺钉与安装孔的同轴度，减少杆部受到的附加弯曲载荷。设计的时候最先确定的是螺纹段的长度，要保证拧入基体后，螺纹露出2到3个螺距，既保证足够的啮合牙数，又不会因为螺纹过长干涉另一侧的零件，六角头的对边尺寸是严格按照紧固件国标公差做的，对边宽度的公差控制在h12级别，

　　不管是手动扳手还是电动拧紧工具，都能顺利套入，不会出现打滑拧圆角的问题。安装边界这块要特别注意，被连接件上的沉孔锥角要和螺钉头部的锥角保持一致，公差控制在正负1度以内，如果锥角偏差太大，拧紧的时候只有锥面的线接触，不仅预紧力达不到设计要求，还会在振动的时候出现松脱，沉孔的深度要控制在头部沉入被连接件表面0.2到0.5毫米，不能突出表面，也不能沉得太深导致扳手无法套入六角头。另外螺纹部分的收尾段做了退刀槽结构，避免螺纹拧到底的时候，最末端的不完整螺纹卡在螺纹孔口，造成预紧力虚标，很多现场安装出的松动问题，都是因为忽略了螺纹收尾的结构，以为拧紧了实际上是螺纹末端顶在孔底，实际啮合的牙数根本达不到承载要求。做三维建模的时候，

　　特意把六角头的棱边做了0.2毫米的倒角，不是为了好看，是热处理的时候避免棱边位置淬火开裂，同时装配的时候不会刮伤安装工人的手套，杆部的光杆段直径比螺纹大径小0.1毫米，这样穿入安装孔的时候不会刮伤孔壁，也能减少装配时的阻力，尤其是在长孔穿装的时候，不会因为杆部和孔壁的卡滞导致装配效率下降。之前给矿山设备做的振动筛侧板连接，一开始用普通内六角圆柱头螺钉，运行三个月就出现头杆断裂的问题，换成这种锥面过渡的外六角螺钉后，连续运行两年都没出现过紧固件失效的情况，核心就是锥面分散了头杆位置的集中应力，同时外六角结构能传递更大的拧紧力矩，保证足够的预紧力，不会因为振动出现预紧力衰减。还要注意的是，这类螺钉的安装预紧力不能超过材料屈服强度的70%，虽然锥面结构提升了承载能力，但过度拧紧还是会导致螺纹滑牙或者杆部塑性变形，建模的时候把每个尺寸的公差都做了参数化关联，设计人员选型的时候可以直接根据实际的连接厚度调整螺纹长度和头部尺寸，不需要重新从头绘制模型，能节省不少结构设计的时间。