螺纹紧固件扭拉关系试验方法

螺纹紧固件扭－拉关系试验方法在螺纹紧固件的使用中应用的较广泛的是螺栓－螺母连接副的形式，应用的较多的是有预紧力的连接方式，预紧力的连接可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力及螺栓的疲劳强度，并且能增强螺纹连接体的紧密性和刚度。在螺纹紧固件的连接使用中，没有预紧力或预紧力不够时，起不到真正的连接作用，一般称之为欠拧；但过高的预紧力或者不可避免的超拧也会导致螺纹连接的失败。众所周知，螺纹连接的可靠性是由预紧力来设计和判断的，但是，除在实验室可以测量外，在装配现场一般是不易直观的测量。螺纹紧固件的预紧力则多是采用力矩或转角的手段来达到的。因此，当设计确定了预紧力之后，安装时采用何种控制方法？如何规定拧紧力矩的指标？则成为关键重要问题，这就提出来了螺纹紧固件扭（矩）－拉（力）关系的研究课题。螺纹紧固件扭－拉关系，不仅涉及到扭矩系数、摩擦系数（含螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数）、屈服紧固轴力、屈服紧固扭矩和极限紧固轴力等以一系列螺纹连接副的紧固特性的测试及计算方法，还涉及到螺纹紧固件的应力截面积和承载面积的计算方法等基础的术语、符号的规定。并且也还必须给出螺纹紧固件紧固的基本规则、主要关系式以及典型的拧紧方法。目前，2001年12月6日国际标准化组织提出了ISO16047：2001“紧固件摩擦系数试”标准德初稿，德国工程师协会早在七十年代就发表了DVI2230《高强度螺栓连接的系统计算》技术准则。美国汽车工程师协会制订了SAEJ174《钢制螺纹紧固件扭-拉试验方法》标准，日本也于1987和1990年发布了三项国家标准。国外工业发达国家的很多企业也制订了类似的企业标准。我国于1997年发布了紧固件拉－扭关系系列国家标准。一、紧固件拉－扭关系系列国家标准①、GB/T16823.1-1997《螺纹紧固件应力截面积和承载面积》;②、GB/T16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》;③、GB/T16823.3-1997《螺纹紧固件拧紧试验方法》它们是等同采用JISB1082-1987、JISB1083-1990和JISB1084-1990三个标准二、螺纹紧固件预紧原理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与摩擦系数及螺纹形状之间有（1）式关系：wwpspwwsspdtgdcosdF21dtgcos1tgcosd2FT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⑴⑴式的右侧第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。螺栓拧紧过程中的扭矩消耗(理论计算)端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长粗牙螺纹49.1%39.5%11.4%细牙螺纹49.9%41.1%9.0%M10，普通粗牙螺纹，μs=μw=0.15自锁扭距端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长普通螺母057％30％13％锁紧螺母19％46％24％11％某螺栓拧紧过程中的扭距消耗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，是摩擦力和正压力的比值。在螺纹联接中，摩擦可分为螺纹副摩擦和端面摩擦两部分，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和端面摩擦系数μw。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=K·d·F（2）式中：T为拧紧扭矩（Nm）；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，是反映螺纹副摩擦性能的综合经验参数，受螺纹联接方式、表面摩擦条件以及螺纹制造质量的影响。Reibungszahl=0,08Reibungszahl=0,14夹紧力螺纹摩擦扭矩端面摩擦扭矩摩擦系数0.080.14夹紧力20％12％螺纹摩擦扭距35％39％端面摩擦扭距45％49％螺栓摩擦系数和扭距的关系3、摩擦性能试验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。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。螺纹摩擦力端面摩擦力拧紧机自带一个测定总扭矩的扭矩传感器在螺纹装配夹具内同时安装了测定螺纹扭矩的传感器和测定夹紧力的力值传感器端面摩擦扭矩=总扭矩-螺纹扭矩1、摩擦性能试验要求：⑴轴向力及拧紧扭矩的测量精度均优于1%及2%；(2)以恒定拧紧转速将螺栓拧紧至屈服，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；(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，一般要求试验件数在25件左右。2、摩擦性能要求：⑴法国PSA集团螺纹紧固件都提出了摩擦性能要求。普通摩擦件（表面镀锌强化钝化）的表观总摩擦系数在0.12至0.18之间（平均值0.15，标准差小于0.01，变异系数小于0.067）。弱摩擦件（表面磷化）在0.06至0.09之间（变异系数小于0.067）。⑵大众汽车公司为稳定摩擦性能，要求螺纹紧固件表面要求涂敷水散性合成聚合物滑动剂干燥后产生一种蜡状润滑剂。大众汽车螺纹紧固件扭矩系数实测结果螺栓平均值标准差变异系数N905248组合螺栓，M10，10.9级0.1510.0030.0199N905068六角螺栓，M10，10.9级0.1510.0080.0530⑶日本明道株式会社与日本油脂株式会社联合开发出水基摩擦系数稳定剂，广泛应用于丰田汽车公司的螺纹紧固件。皮膜形成型摩擦系数稳定剂摩擦系数稳定剂稀释剂摩擦系数标准偏差变异系数トルカ-CA-H水溶性0.170.0170.1メソトルカ-水溶性0.130.0080.062ネオトルカ-B-2水溶性0.090.0030.003LUBE-1000水溶性0.170.0200.118NOX-RUST（366-A）有机溶剂0.130.0130.1NOX-RUST（366-40）有机溶剂0.100.0040.043、控制摩擦系数的方法有效实施轴要向力控制，必须扭矩控制与K值控制双管齐下。如果K值控制严格，一方面可以放宽对扭矩控制精度的要求,节省装配工艺投资；一方面还可以提高螺栓的轴向力，提高螺栓强度利用率和联接可靠性。控制K值，就必须好摩擦系数，影响摩擦系数的原因很多。紧固件表面处理的种类、工艺和质量、紧固件的尺寸公差和形位公差（比如螺栓有严重的弯曲变形，螺栓六角头S面偏斜，螺栓的六角头与螺栓杆部不同轴）问题、螺纹精度、装配工具及装配方法（比如：螺栓装配时不能保证涂油装配）等等。德国福斯润滑集团(FUCHSLUBRITECHGMBH)生产的“可力特摩”紧固件专用透明干膜润滑剂（水腊）作用：降低拧入力矩；稳定和降低摩擦系数；预置扭距；增大预紧力；保护防护层，减少磨损。产品型号PH值适应温度(乾膜)摩擦系数固态成份gleitmo6028.5-9.5-40/+80度c0.15Whitesolidgleitmo6038.5-9.5-40/+80度c0.12Whitesolidgleitmo6058.5-9.5-40/+110度c0.11Whitesolidgleitmo6155.0-6.0-40/+110度c0.09Whitesolidgleitmo6275.0-6.0-40/+110度c0.08Whitesolid+PTFE产品型号扭力(Torque)-稳定性旋入扭力-降低能力制程管理-方便性透明度gleitmo602A++A--AA+gleitmo603A++A-AA+gleitmo605A+AAA+gleitmo615AA+A+Agleitmo627A++A++A+A4、摩擦性能试验机国外研制此类设备主要公司：德国Schatz,德国Reck-Engineering,美国RS-Technology,法国Automatic;三、螺纹紧固件拧紧方法选择螺纹连接的拧紧方法，应该在充分了解各种拧紧方法特性的基础上，按照设计对初始预紧力离散程度的要求、预紧力的大小、使用条件等因素来合理选择拧紧方法。其中对初始预紧力离散程度的要求，通常用紧固系数（Q）来表示，一般也称之初始预紧力离散度。虽然拧紧工具以及精度的不同，所对应的初始预紧力离散度也是不同的，但是，由于拧紧方法的不同，在拧紧时对应的初始预紧力离散度更是不同的，因此，紧固系数是选择螺纹拧紧方法的一个重要条件。标准中给出了扭矩法、转角法及扭矩斜率法三种常用的典型拧紧方法⑴、扭矩法扭矩法就是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭矩进行控制，因此，因为该方法操作简便，是一种一般常规的拧紧方法。但是，由于紧固扭矩的90％左右作用于螺纹摩擦和支承面摩擦的消耗，真正作用在轴向预紧力方面仅10％左右，初始预紧力的离散度是随着拧紧过程中摩擦等因素的控制程度而变化的，因而该拧紧方法的离散度较大，适合一般零件的紧固，不适合重要的、关键的零件的连接。⑵、转角法转角法就是在拧紧时将螺栓于螺母相对转动一个角度，称之为紧固转角，把一个确定的紧固转角作为指标来对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法可在弹性区和塑性区使用。在被连接件和螺栓的刚性较高的场合，对弹性区的紧固是不利的；对塑性区的紧固时，初始预紧力的离散度主要取决于螺栓的屈服点，而转角误差对其影响不大，故该紧固方法具有可最大限度地利用螺栓强度的优点（即可获得较高的预紧力）。应该注意的是该拧紧方法在塑性区拧紧时会使螺栓的杆部以及螺纹杆部发生塑性变形，因此，对螺栓塑性差的以及螺栓反复使用的场合应考虑其适用性。另外，对预紧力过大，会造成被连接件受损的情况时，则必须对螺栓的屈服点及抗拉强度的上限值进行规定。扭距法和转角法的区别扭矩转角法的拧紧原理与常用的扭矩法有着本质的区别。扭矩法仅适用于弹性范围，弹性范围内的轴向力与拧紧扭矩成正比。当超出弹性范围以后，扭矩与轴向力之间不再有正比关系，若继续扭矩控制拧紧，则可能在扭矩不增加甚至降低的情况下将螺栓拧断。而扭矩转角法的实质是控制螺栓的轴向伸长量。在螺栓贴合后的整个拧紧过程中（包括弹性变形和塑性变形阶段），螺栓伸长量始终与螺栓头的转角成正比（每增加1°转角则螺栓伸长约1/360个螺距）。在弹性范围内螺栓轴向力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力；螺栓开始塑性变形后，虽然伸长量与轴向力之间不再有正比关系，但根据螺栓在受力时的力学性能特点可知，只要伸长量在其形变强化容量范围以内，螺栓的轴向力就稳定在其屈服载荷附近（螺栓不会发生断裂或局部伸长）。即使在K值较为分散的情况下，扭矩转角法也能精确地将螺栓的轴向力控制其屈服点附近，扭矩转角法拧紧的螺栓的轴向预紧力主要取决于螺栓强度，而不取决于K值。⑶、扭矩斜率法扭矩斜率法是以Q-F曲线中的扭矩斜率值的变化作为指标对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法通常把螺栓的屈服紧固轴力作为控制初始预紧力的目标值。该拧紧方法一般在螺栓初始预紧力离散度要求较小并且可最大限度地利用螺栓强度的情况下使用。但是由于该拧紧方法对初始预紧力的控制与塑性区的转角法基本相同，所