“工具五金標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和發(fā)展”國(guó)際論壇演講（四）——手工具與緊固件之間的關(guān)系論述
手工具中的套筒扳手、呆扳手、梅花扳手、棘輪扳手、螺釘旋具與內(nèi)六角扳手是驅(qū)動(dòng)螺栓、螺母、螺釘?shù)谋貍涔ぞ摺?/span>
手工具與緊固件之間的關(guān)系它體現(xiàn)在三個(gè)方面：最小扭矩關(guān)系、扳擰形式設(shè)計(jì)關(guān)系、公差配合關(guān)系。作者主觀認(rèn)為公差配合為重要關(guān)系。
上述三者關(guān)系，制造工廠處理得當(dāng)它將給使用者帶來(lái)無(wú)限的效益。
論述一 扭矩關(guān)系
緊固件是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械基礎(chǔ)件，需求量很大。呆扳手、梅花扳手、套筒扳手、螺釘旋具、內(nèi)六角扳手與螺栓、螺母和螺釘有著驅(qū)動(dòng)與被驅(qū)動(dòng)關(guān)系，尤其論點(diǎn)中三個(gè)方面極為重要，它影響到工具與緊固件兩者使用功能與壽命。
如果兩者公差處在極限尺寸也將影響螺栓的最小預(yù)緊力；尤其呆扳手剛性差更為明顯；請(qǐng)看扳手與緊固件之間最小扭矩關(guān)系圖。
扳手與緊固件之間最小扭矩關(guān)系圖
圖中紅色曲線為六角螺栓扭矩曲線，綠色是呆板手扭矩曲線；它們兩者緊緊挨著。一旦兩者配合間隙處在極限尺寸；從實(shí)驗(yàn)室表明工作時(shí)不是面接觸而是線接觸，緊固件棱角宏觀發(fā)生圓滑態(tài)勢(shì)明顯。
從扳手與緊固件之間最小扭矩關(guān)系曲線圖明顯看出工具最小扭矩必須大于緊固件最小扭矩。
論述二 扳擰形式設(shè)計(jì)關(guān)系
在ISO 4759-1《緊固件公差；第一部分螺栓和螺母 產(chǎn)品等級(jí)》；中國(guó)的GB/T 3103.1《緊固件公差 螺栓、螺釘、螺柱和螺母》兩標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)三種。產(chǎn)品等級(jí)由公差精度確定，A級(jí)精度最高、C級(jí)精度為最低。對(duì)緊固件扳擰部位分為二種型式:外扳擰、內(nèi)扳擰。
外扳擰的螺栓、螺母緊固件對(duì)邊寬度s（被驅(qū)動(dòng)部位）ISO 4759-1《緊固件公差；第一部分 螺栓和螺母 產(chǎn)品等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)，確定了A級(jí)B級(jí)公差為h13-h14，C級(jí)在h14、h15、h16、h17之間。外扳擰的形狀一般為六角形狀與四方形狀。
內(nèi)扳擰的緊固件主流為內(nèi)六角螺釘和頭部驅(qū)動(dòng)為槽形狀的螺釘。例如：一字槽、十字槽等等。
內(nèi)六角螺釘驅(qū)動(dòng)部位對(duì)邊寬度s只有A級(jí)精度，沒有B與C級(jí)精度。
內(nèi)扳擰的緊固件它對(duì)應(yīng)的常用工具為螺釘旋具中各種螺絲批、各種旋具頭和內(nèi)六角扳手；它們驅(qū)動(dòng)對(duì)象是螺釘。工作部驅(qū)動(dòng)形式是一字槽、十字槽、米字槽、四方形、內(nèi)六角形、一字開口形、兩翼形、三翼形、四翼形、內(nèi)六角花形、內(nèi)十二角形等（附圖）。
外扳擰的緊固件它對(duì)應(yīng)的常用工具為套筒扳手、呆扳手、梅花扳手,它們驅(qū)動(dòng)對(duì)象是螺栓與螺母。
內(nèi)扳擰的緊固件它對(duì)應(yīng)的常用工具為螺釘旋具中各種螺絲批、各種旋具頭和內(nèi)六角扳手；它們驅(qū)動(dòng)對(duì)象是螺釘。
內(nèi)扳擰頭部設(shè)計(jì)形式
工具在使用過(guò)程，內(nèi)扳擰的內(nèi)六角扳手對(duì)角寬度e在施加大力矩時(shí)會(huì)變圓甚至打滑。十字槽螺釘旋具緊固螺釘時(shí)操作中既要徑向旋轉(zhuǎn)力又要軸向推力，會(huì)引起打滑定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致螺釘頭部的損傷。十字槽螺釘旋具在緊固PH3以上螺釘，容易造成操作工人手腕的疲勞。
外扳擰扳手和內(nèi)扳擰旋具均存在以上類似缺陷，這是設(shè)計(jì)上和公差配合的因素；尤其外扳擰扳手與緊固件的配合均為間隙配合。外扳擰扳手制造時(shí)對(duì)邊尺寸s孔的公差在上極限偏差，緊固件的六角對(duì)邊寬度s在下極限偏差就很容易發(fā)生上述現(xiàn)象，內(nèi)扳擰也是如此。下面將美國(guó)浩明公司在研發(fā)內(nèi)六角花形（TORX）螺釘旋具設(shè)計(jì)的極致案例給大家分享。
上世紀(jì)60年代，美國(guó)浩明全球科技有限公司研發(fā)出系列的TORX（內(nèi)六角花形）螺釘旋具和與其匹配的緊固件，其產(chǎn)品也有外扳擰式與內(nèi)扳擰式。它大量的運(yùn)用在航空制造業(yè)及高端制造中。上世紀(jì)90年代又研發(fā)出TORX PLUS（增強(qiáng)內(nèi)六角花形）；它由六個(gè)橢圓弧齒形幾何結(jié)構(gòu)組成（見圖），能夠承受更大的扭力，使螺釘旋具的使用壽命更長(zhǎng)，并能消除螺釘旋具打滑的缺陷。
其特點(diǎn)是0゜驅(qū)動(dòng)角，消除了內(nèi)應(yīng)力，改善了驅(qū)動(dòng)螺釘?shù)男阅埽皇孤葆斝啐X口的扭矩強(qiáng)度增加25%N.m，提高了驅(qū)動(dòng)螺釘時(shí)安全系數(shù)。
能用于直徑從M0.6到M24的螺栓與螺釘；其優(yōu)點(diǎn)該驅(qū)動(dòng)工具的壽命增加了100%，減少驅(qū)動(dòng)工具齒部塑性變形的概率，具有較大力矩的傳速能力、縮短了裝配線上停機(jī)等待，改善了驅(qū)動(dòng)工具與緊固件接合部的配合。
同時(shí)在驅(qū)動(dòng)螺栓或螺釘時(shí)減輕了操作工人的疲勞。浩明公司認(rèn)為TORX PLUS勝過(guò)任何有競(jìng)爭(zhēng)力的驅(qū)動(dòng)螺栓與螺釘技術(shù) ，其擁有最充分的接觸面，橢圓弧齒形的幾何結(jié)構(gòu)形式十分獨(dú)特，它能使扳手或旋具與緊固件螺釘頭接合部的嚙合程度達(dá)到最佳，使驅(qū)動(dòng)螺釘?shù)尿?qū)動(dòng)力分布在整個(gè)嚙合表面，從而延長(zhǎng)了工具的使用壽命，而且傳速的力矩為最大。
這是其它驅(qū)動(dòng)螺栓與螺釘都做不到的。TORX PLUS具有較高的力矩傳速特性,排除了在緊固標(biāo)準(zhǔn)件引起內(nèi)應(yīng)力。TORX PLUS的技術(shù)，是驅(qū)動(dòng)螺栓或螺釘唯一能夠確保力矩達(dá)到最佳狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)方法。TORX PLUS驅(qū)動(dòng)的工作部側(cè)壁是筆直的,而且TORX PLUS旋具完全包容螺栓或螺釘頭的槽口，減少工作時(shí)打滑的可能性，降低了因打滑損傷螺釘頭表面的概率。
美國(guó)浩明公司TORX產(chǎn)品設(shè)計(jì)的如此完美，關(guān)鍵是浩明公司即制定了內(nèi)六角花形（TORX）工具標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又制定了內(nèi)六角花形螺栓與螺母產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；這樣對(duì)公差配合的把控非常到位。
論述三 公差配合關(guān)系
外扳擰式的套筒扳手、呆扳手、梅花扳手，ISO 4759-1給定的是一個(gè)基軸制的配合；所謂的基軸制就是基本公差為一定的軸的公差帶，與不同基本偏差孔的公差帶形成各種配合的一種規(guī)則，它是一個(gè)基軸制間隙配合；也就是說(shuō)六角螺栓與螺母其對(duì)邊寬度s上極限偏差為零，是一個(gè)負(fù)公差的基準(zhǔn)軸。
ISO 4759-1《緊固件公差；第一部分 螺栓和螺母 產(chǎn)品等級(jí)A.B和C級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A級(jí)螺栓、螺母公差等級(jí)為h13-h14。ISO 691《螺釘和螺母用裝配工具扳手和套筒扳手的開口常用公差》和中國(guó)GB/T 4390《扳手開口和扳手孔常用公差》規(guī)定了套筒扳手、呆扳手、梅花扳手對(duì)邊尺寸s公差，它的公差帶是一個(gè)正公差。
為了更能理解我們舉個(gè)示例：8mm的扳手，從ISO 691《螺釘和螺母用裝配工具扳手和套筒扳手的開口常用公差》，中國(guó)GB/T 4390《扳手開口和扳手孔常用公差》標(biāo)準(zhǔn)中查出下極限偏差+0.03mm上極限偏差+0.15mm；驅(qū)動(dòng)M5的螺栓其六角頭對(duì)邊寬度s=8mm,從GB/T 1803《極限與配合 尺寸至18mm孔、軸公差帶》標(biāo)準(zhǔn)查出h13上極限偏差為零，下極限偏差負(fù)0.22mm。
如果扳手對(duì)邊尺寸s在上極限尺寸，緊固件六角螺栓對(duì)邊寬度s在下極限尺寸（孔大軸小），它們最大間隙0.37mm，此時(shí)精度最差擺動(dòng)角11度；如果扳手對(duì)邊尺寸s在下極限尺寸、緊固件六角螺栓對(duì)邊寬度s在上極限尺寸（孔小軸大），它們最小間隙0.03mm，此時(shí)質(zhì)量精度最佳擺動(dòng)角1.5度。
如從模具壽命來(lái)說(shuō)；緊固件工廠會(huì)將模具設(shè)計(jì)為接近下極限尺寸（凹模最?。?；工具制造工廠會(huì)將模具設(shè)計(jì)為上極限尺寸（鐓棒或拉刀最大），這樣兩家工廠的模具壽命最長(zhǎng)；但會(huì)出現(xiàn)上述的最大間隙0.37mm，產(chǎn)品精度不高，雖然這概率小，但理論上是存在的。
假設(shè)我們將8mm的扳手與M5的螺栓兩者公差進(jìn)行優(yōu)化，扳手對(duì)邊尺寸s下極限偏差+0.04mm、上極限偏差+0.08mm（相當(dāng)于D9)；緊固件六角螺栓與螺母對(duì)邊寬度s上極限偏差為零，下極限偏差 -0.06mm（相當(dāng)于h10=IT10)。它們是基軸制的間隙配合，配合代號(hào)D9/h10。
這樣它們兩者間隙處在min0.04mm、max0.14mm之間；與之前0.37mm配合間隙比較，精度提高2倍之多，標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T往前推進(jìn)了3個(gè)等級(jí);擺動(dòng)角減少7°左右。
要體現(xiàn)出我國(guó)制造大國(guó)工具產(chǎn)品的精度，工具與緊固件均要優(yōu)化公差帶走向高端；在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要優(yōu)選好公差帶；這非常重要。
標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T分20個(gè)等級(jí)(Standard Tolerance)，即IT01-IT18，它與孔H&軸h公差帶是對(duì)應(yīng)關(guān)系（IT13=h13)；【標(biāo)準(zhǔn)公差給定的數(shù)值與孔H、軸h的極限偏差中的公差帶的絕對(duì)值是一樣的】。通過(guò)上述案例分析，引用ISO標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的工具與緊固件配合的標(biāo)準(zhǔn)公差處在IT13-IT17之間，可以說(shuō)在標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)15-19位置，這足以說(shuō)明工具與緊固件的制造精度提升空間很大。
所以中國(guó)在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也不能一味按ISO的標(biāo)準(zhǔn)去套，應(yīng)該按本國(guó)行業(yè)內(nèi)制造水平去制定出符合本國(guó)國(guó)情的標(biāo)準(zhǔn)，盡可能將標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T值往前推移，這樣才能體現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、創(chuàng)新性和前瞻性。同時(shí)也體現(xiàn)出制造大國(guó)的優(yōu)勢(shì) ；使中國(guó)盡快步入世界采標(biāo)先進(jìn)國(guó)家行列。
內(nèi)扳擰緊固件的螺釘旋具，從緊固件孔的公差看不出是基孔制還是基軸制，但它們的配合公差比外扳擰要小的多。ISO 2936《內(nèi)六角扳手》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了內(nèi)六角扳手為h11公差帶（它高出扳手2個(gè)IT等級(jí)），是基準(zhǔn)軸，內(nèi)六角螺釘是一個(gè)基軸制配合的孔；緊固件工廠要圍繞內(nèi)六角扳手公差來(lái)生產(chǎn)，因?yàn)閮?nèi)六角扳手是一個(gè)上極限偏差為零的負(fù)公差帶的基準(zhǔn)軸。
通過(guò)論述，上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)扳手&螺釘旋具在制造過(guò)程選用的是基軸制配合中的間隙配合；很遺憾沒有優(yōu)先采用基孔制原則。外扳擰工具按螺栓、螺母去配合；內(nèi)扳擰工具按六角扳手與螺釘旋具去配合。
結(jié)論
我國(guó)手工具標(biāo)準(zhǔn)為工具五金標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì)管理；緊固件為全國(guó)緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)管理，兩者之間無(wú)互通渠道；不像本文中的美國(guó)浩明公司即制定工具標(biāo)準(zhǔn)又制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，兩者有雙邊兼容的管理權(quán)限；所以對(duì)公差的定論很精準(zhǔn)。
我們會(huì)出現(xiàn)扳手&螺釘旋具與緊固件公差匹配不理想之處，在配合制上不符合公差配合優(yōu)先采用基孔制原則；尤其C級(jí)螺栓、螺母公差可以寬容到h17級(jí)（IT17級(jí)）處在標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)的尾部，顯現(xiàn)出ISO 4759-1標(biāo)準(zhǔn)不足。故此我們很有意義來(lái)探討《手工具扳手&螺釘旋具與緊固件公差配合的論述》。
目前在工具制造過(guò)程還存在公差帶處在間隙最大化邊緣現(xiàn)象、理論上叫極限尺寸；尤其小微企業(yè)，加之緊固件工廠制造的螺栓、螺母、螺釘驅(qū)動(dòng)部的公差較寬，以及ISO 4759-1現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給定的公差參數(shù)IT標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)水準(zhǔn)低下，導(dǎo)致兩者公差配合不在最佳理想狀態(tài)；使用時(shí)會(huì)發(fā)生打滑、工具失效、工件損壞、更嚴(yán)重造成人身事故。所以工具與緊固件驅(qū)動(dòng)部的扳擰形式創(chuàng)新設(shè)計(jì)、公差配合非常重要。
隨著全球制造加工水平能力的提升，計(jì)算機(jī)軟件不斷地嵌入工作母機(jī)，設(shè)備智能化越來(lái)越高。上述公差已經(jīng)沿用了二十幾年；能否將 ISO 4759-1《緊固件公差；第一部分 螺栓和螺母產(chǎn)品等級(jí)A.B和C級(jí)》公差帶至少往上提升1-2個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)；例如：h13-h14提升為h11-h12（標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)IT11-12級(jí)）;建議取消C級(jí)精度的螺栓與螺母緊固件。ISO 691《螺釘和螺母用裝配工具扳手和套筒扳手的開口常用公差》和中國(guó)GB/T 4390《扳手開口和扳手孔常用公差》也要相應(yīng)優(yōu)化工具的公差帶。
所以借此機(jī)會(huì)向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織第29技術(shù)委員會(huì)ISO/TC 29/SC 10 提出修訂議案。并通過(guò)你們望能轉(zhuǎn)交給ISO/TC 2 緊固件技術(shù)委員會(huì)SC 7緊固件基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)分委員會(huì)探討。我國(guó)工具五金標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì)與緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，兩者是否能打通技術(shù)交流渠道 實(shí)現(xiàn)開放融合。
不管是外扳擰還是內(nèi)扳擰工具制造工廠；尤其是套筒工廠、扳手工廠、螺釘旋具工廠、內(nèi)六角扳手工廠一定要關(guān)注所對(duì)應(yīng)的緊固件；制定好企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用好材料，設(shè)計(jì)好產(chǎn)品外形、掌握好表面加工紋理，做好熱處理與表面處理；生產(chǎn)出一流的高端產(chǎn)品。為中國(guó)制造2025從工業(yè)大國(guó)到工業(yè)強(qiáng)國(guó)做好標(biāo)準(zhǔn)制定與貫徹工作。工具是人類文明的助推劑；努力做好工具給人類帶來(lái)更多的幸福指數(shù)。
上海市工具工業(yè)研究所有限公司 版權(quán)所有 Copyright©1978-2012 Shanghai Tool Industry Institute All Rights Reserved
滬ICP備19008736號(hào)-1技術(shù)支持：上海網(wǎng)站制作 