螺紋緊固件摩擦性能評述

1、.螺紋緊固件摩擦性能評述熊云奇張瓊敏濮進盧海波東風汽車公司制造工程部 摘要 本文綜合大量試驗結(jié)果 ，對螺紋緊固件的摩擦性能概念 、試驗方法 、影響因素以及摩擦性能與螺栓等效強度 、軸向預緊力 、擰緊扭矩等之間的相互影響關(guān)系進行了分析探討 。關(guān)鍵詞：螺紋緊固件摩擦性能軸向夾緊力扭矩1 引言具有可互換性從而可批量應用于工業(yè)生產(chǎn)的螺紋緊固件已誕生整整兩個世紀，在今天的汽車制造廠里很難有人沒有接觸過螺紋緊固件。但是，有關(guān)調(diào)查表明 ，真正對看似簡單的 “擰螺絲 ”的裝配工藝技術(shù)有著全面認識并懂得在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)完美裝配的專業(yè)技術(shù)人員卻并不多見。由于各汽車公司對裝配技術(shù)的重視程度及技術(shù)水平的不同，使得它們

2、生產(chǎn)出的同類產(chǎn)品的性能 、質(zhì)量、可靠性等技術(shù)經(jīng)濟指標呈現(xiàn)千差萬別。統(tǒng)計調(diào)查表明 ，我國各主要汽車整車及發(fā)動機等大總成的裝配質(zhì)量、路試無故障里程 、平均緊固件缺陷間隔里程等指標較之國外類似產(chǎn)品尚有較大差距，亟待提高 。為此 ，有識之士紛紛提出加強 “扭矩控制 ”。我們知道 ，只有適當?shù)妮S向夾緊力才能保證螺栓可靠服役 ,因此，扭矩控制的實質(zhì)是要控制螺栓的軸向夾緊力 。但是 ，目前在工藝上只能通過控制扭矩 （或扭矩 / 轉(zhuǎn)角）來間接實現(xiàn)軸向力控制 ，而螺栓軸向力與扭矩之間的對應關(guān)系嚴重地受到摩擦條件的影響 。 摩擦的存在一方面是螺栓自鎖防松的必要條件 ，另一方面摩擦則要消.下載可編輯 .耗大量扭矩

3、（能量）并直接影響螺栓軸向力 。因此 ，在研究扭矩控制問題時 ，必須對擰緊扭矩 、軸向夾緊力 、摩擦性能及它們之間的相互關(guān)系進行探討 。2 摩擦性能及摩擦性能試驗2.1 螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩消耗螺栓的擰緊過程是一個克服摩擦的過程，在這一過程中存在螺紋副的摩擦及端面摩擦 。 通常情況下 ，裝配扭矩的約 90% 都由于螺紋副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有約 10%轉(zhuǎn)化為螺栓軸向夾緊力。理論上，螺栓擰緊過程中擰緊扭矩T、螺栓軸向力F與摩擦系數(shù)及螺紋形狀尺寸之間有(1)式關(guān)系 1 ：stgTFdp cos1 F d ps(1)dw wdp tgd w w2stg2cos1cos式中：s為螺紋副摩擦

4、系數(shù) ； w為端面摩擦系數(shù) ； d p為螺栓有效直徑 ,粗牙螺紋 ，d p0.906d, 細牙螺紋 ，d p 0.928d ；d w 為端面摩擦圓等效直徑 ，d w= 2du3d i31.3d ；d223dud iu 、 di 分別為摩擦圓的外徑及內(nèi)徑；d 為螺紋公稱直徑 ； 為螺紋升角 ,粗牙螺紋 2 50 ，細牙螺紋2 10 ；為垂直截面內(nèi)的螺紋牙形半角，約為 29 58(1) 式右側(cè)第 1、 2、 3項可分別理解為螺紋副摩擦消耗的扭矩 、螺栓伸長 （產(chǎn)生軸向預緊力 ）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩 。若取 s= w=0.15, 則可求得粗牙螺紋與細牙螺紋中各部分的扭矩消耗如表 1。表1

5、、螺栓擰緊過程中的扭矩消耗(理論計算 )總扭矩端面摩擦螺紋摩擦螺栓伸長粗牙螺紋100%49.1%39.5%11.4%細牙螺紋100%49.9%41.1%9.0%當然，由于摩擦條件 （摩擦系數(shù) 、幾何尺寸等 ）的不同 ，螺栓擰緊過程中的扭矩消耗比例會有所區(qū)別，如對于鑲有尼龍襯墊或具有異形螺紋的緊固件，在擰緊.下載可編輯 .（或松開 ）時還會消耗一定的自鎖扭矩（ PrevailingTorque ）。某8.8級M10 普通粗牙螺栓 ( s=0.11,w0.16) 在采用普通螺母和具有自鎖扭矩的異形螺母時，其擰緊扭矩的消耗比例 2 如表 2。表2、某螺栓擰緊過程中的扭矩消耗總扭矩自鎖扭矩端面摩擦螺紋

6、摩擦螺栓伸長普通螺母53Nm057%30%13%異形螺母55Nm19%46%24%10%2.2 摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)摩擦系數(shù) 是通常意義上的物理概念，是摩擦力與正壓力的比值。在螺紋聯(lián)接中，摩擦可分為螺紋副摩擦及端面摩擦兩部分，這兩部分摩擦條件往往不盡相同，因而存在螺紋副摩擦系數(shù) ?及端面摩擦系數(shù) 。摩擦系數(shù)根據(jù)材質(zhì) 、表面狀況及潤sw滑條件的不同而不同 。一般鋼材結(jié)合面的平均摩擦系數(shù)3 如表 3，常見螺紋聯(lián)接副的摩擦系數(shù) 1 見表 4。表3、一般鋼材結(jié)合面的平均摩擦系數(shù)表面處理摩擦系數(shù)表面處理摩擦系數(shù)未加工（有氧化皮 ）0.32熱鍍鋅0.19精加工表面0.13冷鍍鋅0.30粗磨光表面0.28鍍鋅

7、后噴沙0.34噴丸處理0.49涂紅丹漆0.07噴丸處理后時效0.53涂覆聚乙烯0.28噴沙處理0.47涂防銹漆0.60噴沙后涂亞麻子油0.26涂覆鋁粉0.15噴涂金屬0.48涂潤滑油0.08表 4、常見螺紋聯(lián)接副的摩擦系數(shù)表面狀態(tài)潤滑狀態(tài).下載可編輯 .螺 栓螺 母無 潤 滑潤 滑 油MoS2 潤滑脂錳磷酸鹽0.140.180.140.150.100.11無處理0.140.180.140.170.100.12鋅磷酸鹽0.140.210.140.170.100.12鍍鋅（約厚 8無處理0.1250.180.1250.17/）鍍鎘（約厚 80.080.120.080.11/）鍍鋅（約厚 8鍍鋅（約

8、厚80.1250.170.140.19/）鍍鎘（約厚 7鍍鎘（約厚70.080.120.100.15/）扭矩系數(shù) K是宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸向夾緊力之間關(guān)系的經(jīng)驗系數(shù)，由(2)式給出 。T=Kd F(2)式中： T為擰緊扭矩 (N.m) ；d 為螺紋公稱直徑 (mm) ；F為螺栓軸向夾緊力 (kN)。對比 (1)、(2)式可知 ，扭矩系數(shù)是由摩擦系數(shù)和螺紋形狀共同決定的參數(shù)，對特定的理想的螺紋聯(lián)接副而言，當摩擦系數(shù)確定后 ，扭矩系數(shù) K值也就確定了 ，如(3)式。stg1cos1s(3)Kdpd w wdpdp tgdw w2dstg2dcos1cos如取 s=w =0.15

9、，則由 (3) 式可求得粗牙螺紋和細牙螺紋的扭矩系數(shù)K都約為 0.2。應該特別指出的是它們的物理概念和求得的方法是不同的 。 摩擦系數(shù)有明確的物理意義 ，可理解為一個材料常數(shù) ，當摩擦面的材質(zhì) 、表面狀態(tài)和潤滑條件確定后，摩擦系數(shù)也就隨之確定 （嚴格地說 ，金屬間的摩擦系數(shù)會隨相對滑動速度或溫度的升高而降低 4 。）； 而扭矩系數(shù)則是經(jīng)驗參數(shù)，它不僅取決于摩擦面的摩擦系.下載可編輯 .數(shù)，主要取決于螺紋聯(lián)接副的幾何形狀。如前所述 ，對特定的理想的螺紋聯(lián)接副而言，當摩擦系數(shù)確定后 ，扭矩系數(shù)也就確定了 ，但實際的螺紋聯(lián)接副不可避免地存在制造公差 ，有時甚至存在鐵屑 、螺紋碰傷 、螺紋亂扣干涉等缺

10、陷 ，此時，即使一批螺栓 （螺母 ）的摩擦系數(shù)保持恒定 ，其扭矩系數(shù)也將不可避免地存在一定的散差，而并非與摩擦系數(shù)相對應的某一常數(shù)。在極端情況下 ，當發(fā)生干涉時 ，盡管擰緊扭矩足夠大 ，螺栓的軸向力可能很小 （ F 0），此時 K。通常情況下 ，根據(jù)螺紋聯(lián)接方式 、表面摩擦條件以及螺紋制造質(zhì)量的不同 ， K值通?？稍?0.1 0.4甚至更寬的范圍內(nèi)變化 ?？傊?，摩擦系數(shù)僅僅能反映特定接觸面之間的摩擦情況，扭矩系數(shù)則是反映螺紋副摩擦性能的綜合經(jīng)驗參數(shù) 。扭矩系數(shù)必需結(jié)合具體聯(lián)接條件通過試驗實測，不可簡單地根據(jù)摩擦系數(shù)進行推算 。2.3 摩擦性能試驗摩擦性能試驗能測定螺紋聯(lián)接副的擰緊扭矩與螺栓軸向

11、夾緊力之間的關(guān)系包括摩擦系數(shù) 、扭矩系數(shù)等 ，通常應用于螺紋緊固件的綜合質(zhì)量鑒定、表面處理 、表面涂層質(zhì)量評定以及確定具體工況下裝配工藝參數(shù)等。摩擦性能試驗是按規(guī)定的轉(zhuǎn)速向特定螺紋聯(lián)接副的螺栓頭或螺母施加扭矩并記錄該聯(lián)接副的扭矩 軸向力曲線 ，從而求出給定軸向力下的扭矩范圍或給定扭矩下的軸向力范圍 ，計算出扭矩系數(shù) K和摩擦系數(shù) 及其散差 。扭矩系數(shù) K和摩擦系數(shù) 的簡略計算公式分別如下：TK（ 4）d FT s F0.16P（5）s0.58d p2Tw（ 6）wF d w當 s= w = 時，=T F0.16P(7)0.58 dp0.5d w.下載可編輯 .式中： T為擰緊扭矩 (N.m)

12、； Ts為螺栓桿部受到的扭矩(N.m) ； Tw為端面摩擦消耗的扭矩 (N.m) ； d 為螺紋公稱直徑 (mm) ；d p 為螺紋有效直徑 (mm) ； d w為端面摩擦圓等效直徑； F為螺栓的軸向預緊力 (kN) ；P為螺紋牙距 (mm) 。摩擦性能試驗一般有如下要求 5 ：(1)軸向力及擰緊扭矩的測量精度均優(yōu)于 1%；(2)擰緊系統(tǒng)能控制較低的恒定擰緊轉(zhuǎn)速 （ 10 30 轉(zhuǎn) / 分不等 ）將螺栓擰緊至屈服 ，并自動記錄扭矩及軸向力曲線 ； (3) 每件試件要配一套未曾使用過的配用螺紋件及墊片，其材質(zhì) 、性能等級 、尺寸公差 、表面狀態(tài)等必需與試驗件相匹配 ； (4)試驗過程中，只有試驗

13、件旋轉(zhuǎn) ，配用螺紋件及墊片等應固定不動 ；擰緊套筒不能接觸墊片等其它可能導致扭矩消耗的物件 ；(5)試驗時應嚴格按試驗要求控制潤滑條件 ； (6)試驗件數(shù)的多少根據(jù)試驗目的而不同 ，對于工藝試驗及貨源鑒定試驗 ，為便于統(tǒng)計分析，一般要求試驗件數(shù)在 25 件左右 。3 摩擦性能對螺栓軸向力的影響螺紋聯(lián)接 ，特別是承受動載荷的重要螺紋聯(lián)接 ，其根本目的是要利用螺紋緊固件將被聯(lián)接件可靠地聯(lián)接在一起 ，裝配擰緊的實質(zhì)是要將螺栓的軸向預緊力控制在適當?shù)姆秶?。 大量研究表明 ，螺栓的軸向預緊力越大 ，其抗松動和抗疲勞性能越好，螺栓擰緊至屈服時效果最好 ；反之，若軸向力小而分散 ，則必然導致材料浪費，聯(lián)接

14、結(jié)構(gòu)笨拙而且可靠性差 。 螺栓軸向力范圍取決于結(jié)構(gòu)功能 、零件強度 、工藝控制方法及控制精度等多方面因素 ，它們同時都受到聯(lián)接副的摩擦性能的影響 。3.1 摩擦性能對對螺栓強度的影響螺栓在擰緊時受到的是拉- 扭復合應力 ，當此復合應力所產(chǎn)生的等效應力超過許用強度時 ，螺栓即會發(fā)生破壞 。根據(jù)第三強度理論 ，螺栓許用的等效應力 可按 (8)式求得 。vv232(8)式中：為螺栓的軸向夾緊力F 產(chǎn)生的拉應力 , F ( 1 d 2s ) ；4.下載可編輯 .為螺栓桿部承受的扭矩 Ts 所產(chǎn)生的切應力 ,Ts(1ds3 ) 。161stg ) ，并取tg粗牙螺紋)、d p=1.05d s代入 (8)

15、式可得：將 TsFd p (2cos=0.05(1.03 1.53 s2v17.6 s(9)若假設(shè) T，并取d s=0.863d,d p =0.906d1 則式可改寫為 ：s=50%T, (8)v1 16.2K 2(10)由 (9)、 (10) 式可知 ，螺紋副的摩擦系數(shù)或扭矩系數(shù)越大 ，則螺栓在相同軸向力下的等效應力也就越大 。換言之 ，螺栓強度選定后 ，摩擦系數(shù)或扭矩系數(shù)越大 ，則其所能承受的軸向力越小 。當取 s=0.15 ，K=0.2分別代入 (9)、(10) 式可求得普通粗牙螺紋的等效應力v1.28,即當螺栓在擰緊時的軸向應力達到螺栓單調(diào)拉伸屈服應力的約78%時，螺栓即會屈服 。當然

16、 ，這一比例關(guān)系會隨螺紋副摩擦條件的變化而變化。有關(guān)螺栓的K值對其擰緊斷裂軸向力的影響如表5。表 5、K 值對螺栓擰斷軸向力的影響螺栓規(guī)格K 值Fb (kN)Ft (kN)Ft /Fb連桿螺栓M121.25(10.5 細桿 )0.1811790.10.77012.9 級M121.25(10.0 細桿 )0.3210672.90.687連桿螺栓M9 10.1457.648.50.84212.9 級0.1960.849.10.808底盤螺栓M8 1.250.3231.417.70.5640.2024.30.7748.8 級M101.50.2853.035.20.664注：表中試驗數(shù)據(jù)為平均值， F

17、b 、 Ft 分別為螺栓單調(diào)拉伸和擰緊斷裂時的軸向載荷。3.2 摩擦性能對裝配軸向力的影響扭矩控制擰緊條件下 ，摩擦性能對螺栓軸向預緊力的影響如圖2。.下載可編輯 .扭矩KUKLTUTLFLFU軸向力圖2、扭矩系數(shù)對軸向預緊力的影響圖 2表明，當裝配扭矩給定時 ，K值范圍越寬 ，則螺栓軸向預緊力越分散 。某發(fā)動機缸蓋螺栓 （M14 ）在147Nm 擰緊時，潤滑條件對其軸向夾緊力的影響如表 6。表6、某發(fā)動機缸蓋螺栓 147N.m 擰緊數(shù)據(jù)干燥30# 機械油潤滑極化齒輪油潤滑K值范圍0.1970.5360.202 0.3280.154 0.229K值平均0.3360.2560.190軸向力范圍

18、(kN)20.054.432.7 53.046.8 69.4由表中可以看出 ，僅僅是潤滑條件不同 ，軸向預緊力可在 20.0 至69.4kN ?之間變化，達 3.47 倍 。由表中還可以看出 ，不同潤滑條件下的軸向力散差也大不相同 ，用極化齒輪油潤滑時軸向力散差小 ，而不潤滑時散差大 。可見 ，摩擦條件的變化將極大地影響螺栓地軸向夾緊力的大小 。為了克服摩擦性能對螺栓軸向預緊力的影響，最大限度地利用螺栓的強度，現(xiàn)在發(fā)動機連桿螺栓等上廣泛采用了扭矩轉(zhuǎn)角法這一先進的擰緊工藝。.下載可編輯 .扭矩轉(zhuǎn)角法 （有時也稱 “螺母轉(zhuǎn)角法 ”）的擰緊原理與常用的扭矩法有著本質(zhì)的區(qū)別。 扭矩法僅適用于彈性范圍

19、，彈性范圍內(nèi)的軸向力與擰緊扭矩成正比 。 當超出彈性范圍以后 ，扭矩與軸向力之間不再有正比關(guān)系 ，若繼續(xù)按扭矩控制擰緊 ，則可能在扭矩不增加甚至降低的情況下將螺栓擰斷 。 而扭矩轉(zhuǎn)角法的實質(zhì)是控制螺栓的軸向伸長量。在螺栓貼合以后的整個擰緊過程中（包括彈性變形和塑性變形階段），螺栓伸長量始終與螺栓頭或螺母的轉(zhuǎn)角成正比（每增加 1轉(zhuǎn)角則螺栓伸長約 1/360 個螺距 ）。在彈性范圍內(nèi) ，螺栓軸向力與伸長量成正比，控制伸長量就是控制軸向力 ；螺栓開始塑性變形后 ，雖然伸長量與軸向力之間不再有正比關(guān)系，但根據(jù)螺栓在受拉伸時的力學性能特點可知，只要伸長量在其形變強化容量范圍以內(nèi)，螺栓的軸向力就穩(wěn)定在其屈

20、服載荷附近（螺栓不會發(fā)生斷裂或局部伸長 ）。即使在 K值較為分散的情況下 ，扭矩轉(zhuǎn)角法也能精確地將螺栓的軸向力控制在其屈服點附近，扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊的螺栓的軸向預緊力主要取決于螺栓強度，而不取決于 K值。某發(fā)動機缸蓋螺栓 （M12 1.5）的擰緊試驗結(jié)果如表 7。表 7、某發(fā)動機缸蓋螺栓 (M121.5)的擰緊試驗結(jié)果螺栓強度級別 （標稱）9.8級(國產(chǎn)）9.9級(進口 )10.9(級國產(chǎn) )平均抗拉載荷 (kN)92.083.499.7K值平均值0.1660.1870.171標準差0.0080.0100.00680Nm 擰緊時平均值40.435.738.9標準差1.932.031.17的軸向力

21、(kN)變異系數(shù)0.0480.0570.03080Nm 在轉(zhuǎn) 90平均值73.063.280.3度角擰緊時的標準差2.300.791.84軸向力 (kN)變異系數(shù)0.0320.0130.023表 7數(shù)據(jù)表明 ，同種螺栓在控制扭矩擰緊時的軸向力散差 （變異系數(shù) ）大，而扭矩轉(zhuǎn)角控制擰緊時的軸向力散差小 ；無論何種螺栓 ，扭矩轉(zhuǎn)角法控制擰緊時 ，其最終軸向力的大小與 K值大小及散差無直接關(guān)系 ，但與其強度高低相對應 。.下載可編輯 .扭矩轉(zhuǎn)角法對工藝參數(shù)要求嚴格 ，對擰緊工具的功能和控制精度要求高 ，與一般扭矩控制擰緊法相比 ，工裝設(shè)備價格要高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍 ，而通常只用于發(fā)動機連桿螺栓等重要螺

22、栓的裝配 。4 摩擦性能對擰緊扭矩的影響目前，大量采用的扭矩法擰緊工藝是根據(jù) (2)式的基本關(guān)系 ，通過控制裝配擰緊扭矩的方法來間接地實施軸向力控制 。 當軸向預緊力設(shè)計上下限 （ FU 、FL）確定之后，螺栓（螺母）的裝配擰緊扭矩的上下限（TU、 TL）與 K 值上下限 (KU 、KL)之間有如下關(guān)系 ：TU=KLdFUTL=K UdFL(11)上式關(guān)系說明 ，當螺紋聯(lián)接設(shè)計確定后 ，K 值散差越大 （KU-KL 越大），則對裝配扭矩的要求就越嚴 （TU-TL 越小）。總之，螺栓的軸向力 、擰緊扭矩及扭矩系數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，此消彼長 。 為有效實施軸向力控制 ，必須扭矩控制與K 值控制雙管齊下

23、 。擰緊扭矩的控制主要依靠具有相當精度的控扭工具和合理的工藝方法來保證。就目前狀況而言 ，最終的扭矩控制精度最高只能達到3% 5% 的水平 ，較為經(jīng)濟合理的扭矩控制精度是10% 20%； K 值控制，主要是要控制 K 值散差，必須從螺紋質(zhì)量 （精度、材質(zhì)及表面狀況等）、聯(lián)接結(jié)合面的狀況及潤滑條件等相關(guān)工藝因素加以控制。 K 值散差小 ，一方面可以放寬對扭矩控制精度的要求 ，節(jié)省裝配工藝投資 ；一方面還可以提高螺栓的軸向力 ，提高螺栓強度利用率和聯(lián)接可靠性 。因此 ， K 值控制與扭矩控制相比 ，具有更大的經(jīng)濟價值和技術(shù)進步意義 。為了嚴格控制軸向預緊力，一些橋梁等鋼結(jié)構(gòu)的重要螺栓聯(lián)接副通常都對K 值有嚴格的規(guī)定 。神龍轎車上有很多螺栓都提出了對K 值的要求 ，康明斯發(fā)動機飛輪螺栓等也有K 值參考指標 。為此 ，我們也應該逐步提出對重要螺紋緊固件的K 值要求并研究討論 K 值控制的可行途徑 。.下載可編輯 .5 結(jié)束語裝配扭矩的檢查是評定螺紋緊固件裝配質(zhì)量的重要手段。裝配扭矩雖可以使用能顯示扭矩值的擰緊工具在擰緊時進行實時檢測 ，但通常免不了要在螺紋緊固件擰緊之后進行靜態(tài)檢查 ，其檢查結(jié)果同樣受到摩