螺纹紧固件摩擦性能评述

1螺纹紧固件摩擦性能评述熊云奇张琼敏濮进卢海波东风汽车公司制造工程部[摘要]本文综合大量试验结果，对螺纹紧固件的摩擦性能概念、试验方法、影响因素以及摩擦性能与螺栓等效强度、轴向预紧力、拧紧扭矩等之间的相互影响关系进行了分析探讨。关键词：螺纹紧固件摩擦性能轴向夹紧力扭矩1引言具有可互换性从而可批量应用于工业生产的螺纹紧固件已诞生整整两个世纪，在今天的汽车制造厂里很难有人没有接触过螺纹紧固件。但是，有关调查表明，真正对看似简单的“拧螺丝”的装配工艺技术有着全面认识并懂得在工业生产中实现完美装配的专业技术人员却并不多见。由于各汽车公司对装配技术的重视程度及技术水平的不同，使得它们生产出的同类产品的性能、质量、可靠性等技术经济指标呈现千差万别。统计调查表明，我国各主要汽车整车及发动机等大总成的装配质量、路试无故障里程、平均紧固件缺陷间隔里程等指标较之国外类似产品尚有较大差距，亟待提高。为此，有识之士纷纷提出加强“扭矩控制”。我们知道，只有适当的轴向夹紧力才能保证螺栓可靠服役,因此，扭矩控制的实质是要控制螺栓的轴向夹紧力。但是，目前在工艺上只能通过控制扭矩（或扭矩/转角）来间接实现轴向力控制，而螺栓轴向力与扭矩之间的对应关系严重地受到摩擦条件的影响。摩擦的存在一方面是螺栓自锁防松的必要条件，另一方面摩擦则要消耗大量扭矩（能量）并直接影响螺栓轴向力。因此，在研究扭矩控制问题时，必须对拧紧扭矩、轴向夹紧力、摩擦性能及它们之间的相互关系进行探讨。2摩擦性能及摩擦性能试验2.1螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。通常情况下，装配扭矩的约90%都由于螺纹副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有约10%转化为螺栓轴向夹紧力。理论上，螺栓拧紧过程中拧紧扭矩T、螺栓轴向力F与2摩擦系数及螺纹形状尺寸之间有(1)式关系[1]：wdwdpsdpwdwssdptgF21tg1tg2FTcoscoscos(1)式中：s为螺纹副摩擦系数；w为端面摩擦系数；dp为螺栓有效直径,粗牙螺纹，dp0.906d,细牙螺纹，dp0.928d；dw为端面摩擦圆等效直径，dw=2i2u3i3udddd321.3d；du、di分别为摩擦圆的外径及内径；d为螺纹公称直径；为螺纹升角,粗牙螺纹250，细牙螺纹210；为垂直截面内的螺纹牙形半角，约为2958(1)式右侧第1、2、3项可分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长（产生轴向预紧力）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。若取s=w=0.15,则可求得粗牙螺纹与细牙螺纹中各部分的扭矩消耗如表1。表1、螺栓拧紧过程中的扭矩消耗(理论计算)总扭矩端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长粗牙螺纹100%49.1%39.5%11.4%细牙螺纹100%49.9%41.1%9.0%当然，由于摩擦条件（摩擦系数、几何尺寸等）的不同，螺栓拧紧过程中的扭矩消耗比例会有所区别，如对于镶有尼龙衬垫或具有异形螺纹的紧固件，在拧紧（或松开）时还会消耗一定的自锁扭矩（PrevailingTorque）。某8.8级M10普通粗牙螺栓(s=0.11,w0.16)在采用普通螺母和具有自锁扭矩的异形螺母时，其拧紧扭矩的消耗比例[2]如表2。表2、某螺栓拧紧过程中的扭矩消耗总扭矩自锁扭矩端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长普通螺母53Nm057%30%13%异形螺母55Nm19%46%24%10%2.2摩擦系数与扭矩系数摩擦系数μ是通常意义上的物理概念，是摩擦力与正压力的比值。在螺纹联接中，摩擦可分为螺纹副摩擦及端面摩擦两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同，因而存在螺纹副摩擦系数μs及端面摩擦系数μw。摩擦系数根据材质、表面状况及润滑条件的不同而不同。一般钢材结合面的平均摩擦系数[3]如表3，常见螺纹联接副的摩擦系数[1]见表4。3表3、一般钢材结合面的平均摩擦系数表面处理摩擦系数表面处理摩擦系数未加工（有氧化皮）0.32热镀锌0.19精加工表面0.13冷镀锌0.30粗磨光表面0.28镀锌后喷沙0.34喷丸处理0.49涂红丹漆0.07喷丸处理后时效0.53涂覆聚乙烯0.28喷沙处理0.47涂防锈漆0.60喷沙后涂亚麻子油0.26涂覆铝粉0.15喷涂金属0.48涂润滑油0.08表4、常见螺纹联接副的摩擦系数表面状态润滑状态螺栓螺母无润滑润滑油MoS2润滑脂锰磷酸盐无处理0.140.180.140.150.100.11无处理0.140.180.140.170.100.12锌磷酸盐0.140.210.140.170.100.12镀锌（约厚8）0.1250.180.1250.17/镀镉（约厚8）0.080.120.080.11/镀锌（约厚8）镀锌（约厚8）0.1250.170.140.19/镀镉（约厚7）镀镉（约厚7）0.080.120.100.15/扭矩系数K是宏观上直接反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验系数，由(2)式给出。T=KdF(2)式中：T为拧紧扭矩(N.m)；d为螺纹公称直径(mm)；F为螺栓轴向夹紧力(kN)。对比(1)、(2)式可知，扭矩系数是由摩擦系数和螺纹形状共同决定的参数，对特定的理想的螺纹联接副而言，当摩擦系数确定后，扭矩系数K值也就确定了，如(3)式。wdwdpsdpwdwssdptgd21tg1tgd21Kcoscoscos(3)如取s=w=0.15，则由(3)式可求得粗牙螺纹和细牙螺纹的扭矩系数K都约为0.2。应该特别指出的是它们的物理概念和求得的方法是不同的。摩擦系数有明确的物理意义，可理解为一个材料常数，当摩擦面的材质、表面状态和润滑条件确定后，摩擦系数也就随之确定（严格地说，金属间的摩擦系数会随相对滑动速度或温度的升高而降低[4]。）；而扭矩系数则是经验参数，它不仅取决于摩擦面的摩擦系数，主要取决于螺纹联接副的几何形状。如前所述，对特定的理想的螺纹联接副而言，当摩擦系4数确定后，扭矩系数也就确定了，但实际的螺纹联接副不可避免地存在制造公差，有时甚至存在铁屑、螺纹碰伤、螺纹乱扣干涉等缺陷，此时，即使一批螺栓（螺母）的摩擦系数保持恒定，其扭矩系数也将不可避免地存在一定的散差，而并非与摩擦系数相对应的某一常数。在极端情况下，当发生干涉时，尽管拧紧扭矩足够大，螺栓的轴向力可能很小（F0），此时K。通常情况下，根据螺纹联接方式、表面摩擦条件以及螺纹制造质量的不同，K值通常可在0.1～0.4甚至更宽的范围内变化。总之，摩擦系数仅仅能反映特定接触面之间的摩擦情况，扭矩系数则是反映螺纹副摩擦性能的综合经验参数。扭矩系数必需结合具体联接条件通过试验实测，不可简单地根据摩擦系数进行推算。2.3摩擦性能试验摩擦性能试验能测定螺纹联接副的拧紧扭矩与螺栓轴向夹紧力之间的关系包括摩擦系数、扭矩系数等，通常应用于螺纹紧固件的综合质量鉴定、表面处理、表面涂层质量评定以及确定具体工况下装配工艺参数等。摩擦性能试验是按规定的转速向特定螺纹联接副的螺栓头或螺母施加扭矩并记录该联接副的扭矩－轴向力曲线，从而求出给定轴向力下的扭矩范围或给定扭矩下的轴向力范围，计算出扭矩系数K和摩擦系数μ及其散差。扭矩系数K和摩擦系数μ的简略计算公式分别如下：FdTK（4）pssd580P160FT..（5）（6）当s=w=时，=wpd50d580P160FT...(7)式中：T为拧紧扭矩(N.m)；Ts为螺栓杆部受到的扭矩(N.m)；Tw为端面摩擦消耗的扭矩(N.m)；d为螺纹公称直径(mm)；dp为螺纹有效直径(mm)；dw为端面摩擦圆等效直径；F为螺栓的轴向预紧力(kN)；P为螺纹牙距(mm)。摩擦性能试验一般有如下要求[5]：(1)轴向力及拧紧扭矩的测量精度均优于1%；(2)拧紧系统能控制较低的恒定拧紧转速（1030转/分不等）将螺栓拧紧至屈服，并自动记录扭矩及轴向力曲线；(3)每件试件要配一套未曾使用过的配用螺纹件及垫片，其材质、性能等级、尺寸公差、表面状态等必需与试验件相匹配；(4)试验过程中，只有试验件旋转，配用螺纹件及垫片等应固定不动；拧紧套筒不能接触垫片等其它可能导致扭矩消耗的物件；(5)试验时应严格按试验要求控制润滑条件；(6)试验件数的多少根据试验目的而不同，对于工艺试验及货源鉴定试验，为便于统计分析，一般要5求试验件数在25件左右。3摩擦性能对螺栓轴向力的影响螺纹联接，特别是承受动载荷的重要螺纹联接，其根本目的是要利用螺纹紧固件将被联接件可靠地联接在一起，装配拧紧的实质是要将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围。大量研究表明，螺栓的轴向预紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，螺栓拧紧至屈服时效果最好；反之，若轴向力小而分散，则必然导致材料浪费，联接结构笨拙而且可靠性差。螺栓轴向力范围取决于结构功能、零件强度、工艺控制方法及控制精度等多方面因素，它们同时都受到联接副的摩擦性能的影响。3.1摩擦性能对对螺栓强度的影响螺栓在拧紧时受到的是拉-扭复合应力，当此复合应力所产生的等效应力超过许用强度时，螺栓即会发生破坏。根据第三强度理论，螺栓许用的等效应力σv可按(8)式求得。22v3(8)式中：σ为螺栓的轴向夹紧力F产生的拉应力,)(2sd41F；τ为螺栓杆部承受的扭矩Ts所产生的切应力,)(3ssd161T。将)cos(tgFd21Tsps，并取tgβ=0.05(粗牙螺纹)、dp=1.05ds代入(8)式可得：2ssv617531031...(9)若假设Ts=50%T，并取ds=0.863d,dp=0.906d[1],则(8)式可改写为：2vK2161.(10)由(9)、(10)式可知，螺纹副的摩擦系数或扭矩系数越大，则螺栓在相同轴向力下的等效应力也就越大。换言之，螺栓强度选定后，摩擦系数或扭矩系数越大，则其所能承受的轴向力越小。当取μs=0.15，K=0.2分别代入(9)、(10)式可求得普通粗牙螺纹的等效应力σv≈1.28σ,即当螺栓在拧紧时的轴向应力达到螺栓单调拉伸屈服应力的约78%时，螺栓即会屈服。当然，这一比例关系会随螺纹副摩擦条件的变化而变化。有关螺栓的K值对其拧紧断裂轴向力的影响如表5。表5、K值对螺栓拧断轴向力的影响螺栓规格K值Fb(kN)Ft(kN)Ft/Fb连杆螺栓M12×1.25(Φ10.5细杆)0.1811790.10.770612.9级M12×1.25(Φ10.0细杆)0.3210672.90.687连杆螺栓12.9级M9×10.1457.648.50.8420.1960.849.10.808底盘螺栓8.8级M8×1.250.3231.417.70.5640.2024.30.774M10×1.50.2853.035.20.664注：表中试验数据为平均值，Fb、Ft分别为螺栓单调拉伸和拧紧断裂时的轴向载荷。3.2摩擦性能对装配轴向力的影响扭矩控制拧紧条件下，摩擦性能对螺栓轴向预紧力的影响如图2。扭矩KUKLTUTLFLFU轴向力图2、扭矩系数对轴向预紧力的影响图2表明，当装配扭矩给定时，K值范围越宽，则螺栓轴向预紧力越分散。某发动机缸盖螺栓（M14）在147Nm拧紧时，润滑条件对其轴向夹紧力的影响如表6。表6、某发动机缸盖螺栓147N.m拧紧数据干燥30#机械油润滑极化齿轮油润滑K值范围0.1970.5360.2020.3280.1540.229K值平均0.3360.2560.190轴向力范围(kN)20.054.432.753.046.869.4由表中可以看出，仅仅是润滑条件不同，轴向预紧力可在20.0至69.4kN之间变化，达3.47倍。由表中还可以看出，不同润滑条件下的轴向力散差也大不相同，用极化齿轮油润滑时轴向力