螺紋緊固件扭矩系數(shù)影響因素分析

尚紅旗

摘 ?要：螺紋緊固件廣泛應(yīng)用于機(jī)械和建筑等行業(yè)，并對(duì)機(jī)械行業(yè)和建筑行業(yè)的發(fā)展起著重要作用。文章主要研究螺紋緊固件扭矩系數(shù)的影響因素，并加以簡單的分析。

關(guān)鍵詞：扭矩;摩擦系數(shù);扭矩系數(shù);轉(zhuǎn)角

螺紋緊固件廣泛應(yīng)用于機(jī)械和建筑等行業(yè)，螺紋緊固件安裝有三種安裝方法，扭矩法，扭矩轉(zhuǎn)角法以及扭矩斜率法。其中扭矩控制法因操作方便，安裝工具便宜，且容易監(jiān)測(cè)和控制而被廣泛使用。但不同批次的螺栓螺母安裝，扭矩系數(shù)差別較大，而同批次的螺栓螺母扭矩系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。因此，穩(wěn)定的扭矩系數(shù)，并施加穩(wěn)定的緊固力矩才能得到穩(wěn)定的預(yù)緊力。文章主要討論影響扭矩系數(shù)所涉及到的因素，并進(jìn)行簡要分析。

首先力矩法安裝的計(jì)算公式：

T=K*F*D

扭矩系數(shù)K是力矩T和預(yù)緊力F的一個(gè)綜合系數(shù)，扭矩系數(shù)K決定了在擰緊過程中，扭矩轉(zhuǎn)化為軸向力的一個(gè)比例。如果扭矩T不變，K越大，轉(zhuǎn)化為夾緊力F的比例就會(huì)越小，反之，K越小，扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力F的比例就會(huì)越大。

扭矩系數(shù)計(jì)算公式

K=（+μSd2secα'+μwDW）

P-螺距;μS-螺紋摩擦系數(shù);μw-支撐面摩擦系數(shù);d-螺紋公稱直徑;d2-螺紋中徑;DW-支撐面等效直徑;α'-螺紋牙側(cè)角。

從公式中可以看出，扭矩系數(shù)K由一些螺紋常數(shù)和摩擦系數(shù)來決定的，對(duì)于具體的螺紋連接副來說，螺紋摩擦系數(shù)和端面摩擦系數(shù)是需要通過試驗(yàn)測(cè)量得到的。而影響摩擦系數(shù)的因素有很多，下面我們就來一一進(jìn)行分析。

影響扭矩系數(shù)的因素：

1 被連接件材料、硬度和剛度的影響

螺紋連接件和被夾緊件之間一般都是金屬接觸，但不同金屬接觸產(chǎn)生的摩擦系數(shù)不同。在表面光潔度相同的情況下，相同金屬或互溶性大的金屬摩擦副容易發(fā)生粘著現(xiàn)象，使摩擦系數(shù)增大;不同金屬或互溶性小的金屬摩擦系數(shù)較低。

材料的硬度和剛度，硬度和剛度高的材料之間，摩擦系數(shù)偏小，且不易發(fā)生粘著現(xiàn)象;反之硬度和剛度低的材料，摩擦系數(shù)偏大，容易發(fā)生粘著現(xiàn)象。

2 螺紋加工精度、牙側(cè)粗糙度、支撐面的大小和粗糙度

螺紋的加工精度、牙側(cè)粗糙度和支撐面的粗糙度影響到螺紋及支撐面的摩擦系數(shù)，加工精度越高，表面越光潔，摩擦系數(shù)越小;和墊圈配合使用的則看墊圈的表面狀態(tài)。

支撐面摩擦面積的大小雖然不會(huì)影響到支撐面摩擦系數(shù)，但擰緊過程中，支撐面摩擦面積越大，在擰緊過程中產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)越大，會(huì)加大扭矩系數(shù)的值。

3 表面處理

表面處理對(duì)扭矩系數(shù)的影響很大，螺栓螺母的表面處理，改變了螺紋之間及螺母和支撐面之間的摩擦系數(shù)，現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的表面處理整體可以分為兩大類，一類是干態(tài)，一類是濕態(tài)。干態(tài)指的是表面無潤滑的干燥狀態(tài)，如鍍鋅、發(fā)黑發(fā)藍(lán)處理;濕態(tài)指的是表面有潤滑層和防銹油，如磷化處理。

以鍍鋅和磷化為例，作者做了一個(gè)試驗(yàn)，對(duì)鍍鋅和磷化的扭矩系數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鍍鋅處理的扭矩系數(shù)均值為0.252，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.033，磷化處理的扭矩系數(shù)均值為0.169，標(biāo)準(zhǔn)差為0.010。磷化狀態(tài)的螺栓螺母扭矩系數(shù)相對(duì)于鍍鋅的扭矩系數(shù)較小，標(biāo)準(zhǔn)差也小。

由上面數(shù)據(jù)可以看出，磷化狀態(tài)的螺栓螺母扭矩系數(shù)相對(duì)于鍍鋅的扭矩系數(shù)較小，標(biāo)準(zhǔn)差也小。磷化狀態(tài)的扭矩系數(shù)一致性較好。

總之，表面處理對(duì)扭矩系數(shù)的影響是明顯的，不同的表面處理的螺紋連接副之間摩擦系數(shù)是不同的，在實(shí)際使用過程中，要根據(jù)不同的表面處理試驗(yàn)得出扭矩系數(shù)，才能加載適當(dāng)?shù)牧貜亩_(dá)到預(yù)期的夾緊力。

4 表面介質(zhì)的影響

我們將擰緊狀態(tài)分為正常狀態(tài)、加機(jī)油和加蠟三種狀態(tài)來分析表面介質(zhì)對(duì)扭矩系數(shù)的影響情況。作者做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在其他條件一樣的情況下，對(duì)三種狀態(tài)的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。

正常狀態(tài)下螺栓摩擦系數(shù)為0.11，加機(jī)油狀態(tài)下螺栓摩擦系數(shù)為0.09，加蠟狀態(tài)下螺栓的摩擦系數(shù)為0.06。

可見在不同的介質(zhì)下，摩擦系數(shù)發(fā)生了改變，施加同樣的力矩，得到的預(yù)緊力是完全不同的。

這里所說的蠟指的是螺絲潤滑劑，這種潤滑劑在緊固件表面形成一層非常薄的、透明的潤滑層，起到降低和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用。

5 溫度的影響

溫度對(duì)扭矩系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生較大影響，這里指的是環(huán)境的溫度，隨著地域和氣候的差異，測(cè)試出來的扭矩系數(shù)是會(huì)不同的，因此，在溫度差別較大的地方，要重新檢測(cè)螺紋的摩擦系數(shù)，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況確定安裝扭矩。

隨著溫度的升高，扭矩系數(shù)會(huì)有下降的趨勢(shì);而溫度降低，扭矩系數(shù)會(huì)有所上升。

6 擰緊速度的影響

擰緊過程中，螺紋連接副和支撐面會(huì)產(chǎn)生摩擦，致使接觸面磨損，改變摩擦面的溫度。擰緊速度較低時(shí)，摩擦面的磨損主要是輕微塑性變形和犁溝，此時(shí)接觸表面的溫度較低，在擰緊時(shí)接觸表面容易粘著，摩擦系數(shù)較大;擰緊速度較高時(shí)，摩擦接觸面產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損，接觸面因大量的摩擦熱使的表層產(chǎn)生分子熱運(yùn)動(dòng)，以及氧化膜的生成致使表面的接觸狀況發(fā)生了改變，擰緊速度越高，摩擦接觸面的溫度就會(huì)越高，接觸面金屬的變形將更容易，達(dá)到穩(wěn)定且相對(duì)較低的一個(gè)摩擦系數(shù)。

另外還有沖擊施擰對(duì)扭矩系數(shù)的影響，由于人工施加力矩時(shí)不是勻速施加，或多或少有沖擊施擰的情況。而靜摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)要大，當(dāng)沖擊施擰和勻速擰緊達(dá)到的力矩一樣時(shí)，沖擊施擰得到的夾緊力會(huì)有回落，實(shí)際的夾緊力會(huì)相對(duì)小一些，測(cè)出的扭矩系數(shù)也要偏小一些。

7 重復(fù)裝配對(duì)摩擦系數(shù)的影響

現(xiàn)在汽車行業(yè)中，合資品牌的大眾、通用等對(duì)重復(fù)裝配的摩擦系數(shù)的變化也提出了要求，例如第一次裝配時(shí)摩擦系數(shù)為0.08～0.15，那么重復(fù)五到六次裝配后，摩擦系數(shù)要求在0.09～0.16之間。這就對(duì)螺紋擰緊提出了更高的要求。

重復(fù)裝配主要是看表面處理的附著力和穩(wěn)定性，重復(fù)裝配過程中，如果表面處理層被破壞，那么螺紋和支撐面的原來表面處理所起的潤滑作用就會(huì)下降，螺紋摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)會(huì)加大，總的扭矩系數(shù)就會(huì)加大，在相同的力矩下，夾緊力會(huì)變小，產(chǎn)生欠擰的風(fēng)險(xiǎn)。

我們舉例來說明下重復(fù)裝配的情況。作者曾經(jīng)對(duì)鍍鋅和磷皂化的螺紋連接副做了一組實(shí)驗(yàn)，在扭矩試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)鍍鋅和磷皂化的螺栓螺母進(jìn)行重復(fù)裝配試驗(yàn)，并測(cè)定扭矩系數(shù)，發(fā)現(xiàn)鍍鋅在第一次裝配時(shí)，扭矩系數(shù)為0.23，重復(fù)裝配了五次以后，扭矩系數(shù)明顯增大到了0.3左右，拆下來后鍍層表面會(huì)出現(xiàn)脫落;磷皂化的螺栓螺母在第一次裝配時(shí)扭矩系數(shù)為0.15，重復(fù)裝配了十五次后，扭矩系數(shù)仍在0.17左右?？梢姴煌砻嫣幚淼闹貜?fù)使用時(shí)摩擦系數(shù)存在差別。這只是在新造狀態(tài)下的一個(gè)對(duì)比測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用時(shí)表面處理隨著時(shí)間、溫度、環(huán)境等因素的影響，會(huì)發(fā)生變化。

除了上面提到的一些因素外，外螺紋由于在搬運(yùn)過程中產(chǎn)生的牙紋碰傷、螺紋內(nèi)夾雜雜質(zhì)等，也會(huì)影響安裝時(shí)的扭矩系數(shù)。

綜上所述，在螺紋緊固件的裝配過程中，扭矩系數(shù)的影響因素有很多，且影響的程度各不相同，主要有表面粗糙度、表面處理、表面介質(zhì)、擰緊速度及溫度等。在實(shí)際應(yīng)用中，通過改善這些影響條件，提高摩擦系數(shù)的一致性，就能很好地提高螺紋緊固件的裝配質(zhì)量。