第一章 緒論
1.1 關於螺紋
1.1.5 螺紋結合方式及比較
如圖 6 所示，一般常用的螺紋結合機件方式共有四大類，摘要敘述 如下：
1.螺絲配合螺帽鎖緊：這是一般最常見的方法，尤其當機件材料強度 較低或者某些材料螺紋加工困難時，通常會使用螺帽來鎖緊機件。
但在設計上必須考慮預留足夠的空間以容納螺帽及其鎖緊工具，所 以使用上會受到一些限制。
2.於機件之結合孔攻牙然後螺絲與攻牙孔直接鎖緊：此方法適用於當 機件有足夠的厚度可以容納所需的螺紋數時。但是其前提為機件材 料本身必須具備足夠的強度，以免螺紋於鎖緊施力過程中被損壞，
喪失了螺紋的功能。所以通常只適用於有較高強度的金屬類機件及 可以進行螺紋加工的材料。其優缺點為：
因不需使用螺帽所以結合作業及工具變簡單。
因不需使用螺帽所以結合空間及長度變少。
攻牙加工成本通常較高。
攻牙後使用螺紋規格即被固定，不易更換。所以使用上較螺帽 缺乏彈性。
3.使用自攻螺絲直接鎖緊：常用自攻螺絲可分為有切削作用及無切削 作用二種，依照使用需求選用。通常對硬度較高的材料使用具有切 削作用的自攻螺絲而硬度較低的材料使用無切削作用自攻螺絲。
4.螺絲配合埋入內螺紋或牙套進行鎖緊：對於強度較低無法攻牙的材 料，以及受空間或設計限制無法使用螺帽的場合，且又需要較大的 結合強度及兼顧多次的拆裝而不至於損壞螺紋結構故無法使用自攻 螺絲等情況下，通常會使用埋入螺紋或牙套來解決，其作用介於使 用螺帽與機件上攻牙，但成本較高，所以不得已才用之。
綜合上述，最佳的螺紋結合方式是使用自攻螺絲直接鎖緊，不論材 料上、加工上、作業上之成本都最少，但是自攻螺絲直接鎖緊的結合強 度比螺帽鎖緊及機件上攻牙鎖緊低，因此在需要較高鎖緊強度的應用上
通常不建議使用自攻螺絲。本論文研究對象之使用需要大的結合強度且 材質為不銹鋼，所以不適用後二者鎖緊方式，加上作業空間無法容納螺 帽及工具，所以必須使用機件上攻牙鎖緊的螺紋結合方式。
(4) 埋入螺紋或牙套 (3) 自攻螺紋或切削螺紋
(1) 螺帽鎖緊 (2) 攻牙鎖緊
軟金屬或 硬質聚合體 硬質聚合體
軟金屬或 硬質材料
埋入螺紋 自攻牙
攻牙
圖 6 一般常用的螺紋結合機件方式 1.1.6 螺紋受力型態
如圖 7 所示，螺紋受力型態可概略分成二種，第一種是螺紋的鎖緊 作用力不使機件產生彎曲變形，第二種是螺紋的鎖緊作用力使機件產生 彎曲變形。若假設所有機件均為剛體（Rigid Body）且螺紋與機件互相 垂直的情況下，那麼這二種受力方式對螺紋本身而言不會有任何的差 異，但是對機件而言會多承受一個彎矩（Moment），力矩的大小與鎖緊 中心線到固定點距離成正比。因為機件及螺紋均已經假設為剛體，所以 二者不會有任何變形存在。
彎曲變形 彎曲變形
作用力 反作用力
(2) 鎖緊作用力產生彎曲變形
反作用力 作用力
(1) 鎖緊作用力不產生彎曲變形
圖 7 螺紋受力型態
1.2 關於材料
在進行機械設計時，依據使用需求選擇最恰當的標準規格螺紋，是 一門學問，其中螺紋材料在選擇過程中也扮演著重要的角色。如表 1 所 示之螺紋拉應力面積，基本上具有相同公稱直徑之螺紋皆有相同的應力 面積，但因螺紋材料差異，故有不同的強度，所以對常用螺紋材料特性 有所了解後，將有助於本研究之進行。
1.2.1 常用之螺紋材料及其表面處理簡介
常用之螺紋材料大致上分為二大類：一為金屬材料，包括鐵金屬與 非鐵金屬；另一類為非金屬材料，如聚合體等。本研究著重於使用鐵金 屬螺紋材料，特別是使用不銹鋼作為螺紋材料。不銹鋼與一般鋼鐵材料 相比，具有一些不可替代的優點，特別是耐蝕性用途，有關不銹鋼的機 械性質及特性已經有廣泛的研究及應用[6][7]。
從金屬線材或棒材製成螺紋有兩個重要加工程序，一個是之前提過 的螺紋滾軋加工，另一個是針對有頭螺紋的冷打頭（Cold Heading）加 工。作為一個優良的螺紋材料，必須同時具備良好的滾軋特性及冷打頭 特性，大部分的冷打頭材料為低碳鋼線材，硬度在 HRB 75～87 之間，鋁、
不銹鋼及一些鎳合金亦可作為冷打頭材料，鋼材之打頭性（Headability）
會隨含碳及含錳量增加而降低，含碳及錳量愈高則愈易使頭部裂開。當 碳鋼含碳量超過 0.25％～0.44％以上時應經製程退火（Process
Annealed）或球化退火（Spheroidize Annealed）處理，才能容易得到 較佳的加工品質[8]。
經過打頭及滾軋加工後之螺紋為求耐蝕性或美觀，通常會施以如電 鍍等表面處理。依照環境與所需的使用壽命來決定表面處理之方式及處 理厚度，但是必須考慮經過處理後的螺紋精度是否發生問題，增加表面 鍍層的厚度會延長使用壽命，同時也會降低螺紋精度；表面處理也會影 響到螺紋的疲勞強度及表面摩擦係數等重要機械性質。若使用環境惡 劣，則常用不銹鋼而不做任何表面處理[9]。
附表 4 為各種用途的常用螺紋材料[9]。
附表 5 為螺紋製品用表面處理之種類[9]。
表 4 各種用途的常用螺紋材料
難，零件尺寸精度及模具壽命也是一大考驗。然而沖壓加工具有生產速 的 SUS302 及 SUS304 擁有較大的可成形加工量，肥粒鐵系的 SUS430 其次。這也說明為何市面上販售的不銹鋼螺紋其材質幾乎都是使用 SUS302，因為 SUS302 在進行冷打頭及螺紋滾軋時可以有更大的變形 量而不發生加工破裂。
表 6 常用不銹鋼化學成分表（擷取自 JIS 規範）
Specification 規範規範
表 7 常用不銹鋼機械性質表（擷取自 JIS 規範）
彎曲 彎曲彎曲 彎曲 BENDABILITY Specification
規範
Tensile Stress
Proof Stress 降伏強降伏強 降伏強降伏強 度度度
度,N/mm2,MIN
Elongation 伸長伸長伸長
度,HRB,MAX.
Bending Angle 彎 彎 彎 彎曲角度曲角度曲角度曲角度
Inside Radius 彎曲半徑彎曲半徑 彎曲半徑彎曲半徑
SUS302 520 205 40 90 No
Require
SUS304 520 205 40 90 No
Require JIS
G4304
G4305
G4312 SUS430 450 205 22 88 180 1.0 time the
thickness
同樣的，一般應用於沖壓加工的不銹鋼薄板材料主要也以此三 者為主，雖然沃斯田鐵系的 SUS302 與 SUS304 的成形性優於肥粒鐵 系的 SUS430，但是 SUS430 的材料市售價格約為 SUS304 的三分之二，
所以在成形性不特別嚴格且耐蝕性不特別需求之情況下，設計上可 以優先考慮使用 SUS430，而本論文所使用的沖壓件材料即是使用 SUS430。附表 6 不銹鋼化學成分表及附表 7 不銹鋼機械性質表，均
圖 8 簡單形狀的孔凸緣成型及攻牙加工實例
圖 9 為孔凸緣的加工示意圖[8]，首先在料片上沖出一小孔，然 後再進一步沖成孔凸緣，於材料的體積不變原則下，凸緣部分材料 厚度將變薄，參考計算公式如下[8]：
d=D-2（H-0.43RD-0.72t） （4）
H= 0.43R 0.72t 2
d D
D −
− +
（5）
經由實驗方式可以找出沖孔徑 d 與成形孔徑 D 的比值關係，那 我們就可以求出孔凸緣的極限高度。
RD t
H h
D d
圖 9 孔凸緣的加工示意圖
3.沖剪切口之加工硬化與凸緣裂痕：沖壓加工的剪切面，因材料先產 生塑性變形然後才被剪斷，故製品的沖剪切口受加工硬化影響其硬 度明顯上升，其硬度值約為母材的 2～3 倍，若用此沖剪切口面作為 接觸面，則可提高零件的耐磨性及使用壽命[10]。圖 10 為熱軋鋼板
（SPH）厚度 3.2 mm 材料沖剪切口受加工硬化後，沿板厚度方向及 沿半徑方向的硬度分佈情形。
(CI=8%)
第二章 研究內容與方法
2.1 研究主題說明
如同第一章內容所述，螺紋是一種非常重要的結合元件，也具有非 常廣泛的用途。但是若要能夠發揮螺紋真正的功能，達到設計上的目的，
則有許多細微部分需要釐清及注意。本論文即針對以不銹鋼外六角螺絲 搭配不銹鋼沖壓件之孔凸緣內螺紋，在鎖緊作用力使機件產生彎曲變形 的情況下，所可能衍生的問題作分析及討論。在進入研究主題之前，先 對與研究主題相關的事項及定義作簡單扼要的說明。
以螺紋作為一個結合元件時，其作用是將二個或二個以上的機件以 適當的力量結合為一體。由此定義牽涉到四個基本要素分別為：結合件
－即螺紋、被結合件－即機件、結合方式、結合力與受力種類。這四個 基本要素在第一章中已有基本的介紹。
事實上自然界的材料均非剛體，所以當機件受外力作用時一定會存 在或多或少的變形，在此情況下螺紋受力的型態就變的非常重要了。通 常螺紋都被附加一個大的負荷或是鎖緊力，當螺紋鎖緊作用力不使機件 產生彎曲變形時，因為沒有彎矩發生，所以螺紋承受單純的拉伸或壓縮 力，在這種情況下，只要螺紋規格選用正確及鎖緊作業合宜，基本上不 會有使用上的問題。
當螺紋的鎖緊作用力使機件產生彎曲變形時，螺紋與機件不只承受 單純的拉伸或壓縮力，還承受了因偏心或傾斜所導致的很大的彎矩。此 彎矩決定了整個鎖緊系統的結構強度，不管是螺紋或是機件都受到彎矩 的影響，在直覺上整個鎖緊系統的結構強度至少必須對彎矩有一定的抵 抗能力，但是因為螺紋鎖緊力往往很大，為了要達到充分克服彎矩的需 求，往往帶來的負面作用為必須使用更厚的材料。所以對於此類的螺紋 鎖緊應用所潛藏的問題，以及在此情況下使用的鎖緊扭力對於螺紋的影 響是本論文研究探討的核心。
2.2 研究動機
前文已提過不銹鋼的優缺點及重要特性，包括：較大的強度、加工
前文已提過不銹鋼的優缺點及重要特性，包括：較大的強度、加工