摩擦系數(shù)在螺栓連接中的作用

楊草青

摘要：螺栓連接其承載能力強(qiáng)、互換性好、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，對(duì)整機(jī)質(zhì)量和安全性能具有重要影響，而摩擦系數(shù)在螺栓連接的裝配過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，是保證裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù);預(yù)緊力;裝配;螺栓

緊固件在汽車(chē)制造裝配中，螺紋緊固件裝配的質(zhì)量將直接影響整車(chē)的裝配質(zhì)量和行駛的可靠性。為此，在施加外載荷之前，需擰緊螺紋緊固件，以?shī)A緊被聯(lián)接件。稱(chēng)擰緊螺紋緊固件為預(yù)緊，稱(chēng)該力為軸向預(yù)緊力。為保證螺栓的可靠服役，必須在裝配時(shí)要保證有適當(dāng)?shù)妮S向夾緊力。目前的裝配工藝上最經(jīng)濟(jì)可行的方法是通過(guò)控制扭矩來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向夾緊力的控制。預(yù)緊力的大小是保證連接質(zhì)量的重要因素，螺栓的擰緊過(guò)程是一個(gè)克服摩擦的過(guò)程，在這一過(guò)程中存在螺紋副的摩擦及端面摩擦。而影響預(yù)緊力的因素很多，不但螺栓的材料、螺栓表面的粗糙度、潤(rùn)滑情況和裝配速度、螺紋的直徑大小對(duì)預(yù)緊力有較大的影響，而螺栓擰緊過(guò)程中摩擦系數(shù)對(duì)裝配預(yù)緊力的大小起到關(guān)鍵的作用。

1 摩擦系數(shù)概念

摩擦系數(shù)即摩擦力與法向載荷之比。要了解摩擦系數(shù)首先要了解兩摩擦接觸表面的摩擦力的組成。在壓力的作用下，兩表面之間的個(gè)別輪廓峰將壓入或壓平，不但在兩個(gè)物體硬度和彈性摸量不同時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓入和壓平現(xiàn)象，而且在兩個(gè)物體平面硬度相同時(shí)，輪廓峰的外形不同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生壓入和壓平現(xiàn)象。這時(shí)，當(dāng)物體作切向位移時(shí)則將在接觸平面犁削或切出條形細(xì)槽來(lái)。從而可以看出摩擦力取決于物體表面層的物理、力學(xué)特性，它主要有兩部分組成：即分子部分和機(jī)械部分。分子部分主要是兩物體產(chǎn)生位移時(shí)切開(kāi)粘附結(jié)合點(diǎn)的剪切力;機(jī)械部分主要是一個(gè)輪廓峰在另一個(gè)表面上輪廓峰的犁削力，摩擦力是兩個(gè)接觸物體表面產(chǎn)生位移時(shí)克服分子粘附力和機(jī)械犁削力的總和。摩擦力的方向始終與位移方向相反。

1） 摩擦力與表觀接觸面積無(wú)關(guān)，而與真實(shí)接觸面積有關(guān)，當(dāng)真實(shí)接觸面積接近表觀接觸面積，即法向壓力很高時(shí)，摩擦力與法向壓力是非線性關(guān)系，摩擦力增加很快;

2） 有一定屈服極限的材料（如金屬），其摩擦力與（表觀）接觸面積無(wú)關(guān)，粘彈性材料的摩擦力與接觸面積有關(guān);

3） 精確測(cè)量，摩擦力與滑動(dòng)速度有關(guān)，因?yàn)槟Σ習(xí)a(chǎn)生高溫，溫度變化越高摩擦力和摩擦系數(shù)增高。在低速情況下，金屬的摩擦力隨速度變化不大，這就是在螺紋裝配過(guò)程中為什么要采用兩種速度，開(kāi)始裝配時(shí)速度可以高一些，當(dāng)支承面接觸后，要降低螺紋裝配機(jī)的速度，以保持摩擦系數(shù)的基本不變;

4） 粘彈性材料的靜摩擦系數(shù)不大于動(dòng)摩擦系數(shù)，因?yàn)樵诼菁y副的裝配過(guò)程中，主要考慮的是靜摩擦系數(shù)，在一般的壓力與速度與環(huán)境條件下，對(duì)螺紋副裝配過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦系數(shù)可以認(rèn)為是常量。摩擦系數(shù)受摩擦副材料表面粗糙度、潤(rùn)滑條件、環(huán)境壓力和溫度條件影響較大。

2 摩擦系數(shù)對(duì)裝配工藝的影響

目前由于受到裝配位置、裝配工具等因素的影響，還不太可能在生產(chǎn)線上通過(guò)直接控制預(yù)緊力來(lái)裝配螺栓聯(lián)接，所以只能通過(guò)控制和預(yù)緊力相關(guān)的其它參數(shù)（如扭矩，螺栓頭或螺母轉(zhuǎn)角，螺栓伸長(zhǎng)量）來(lái)達(dá)到間接控制預(yù)緊力的目的，相應(yīng)地產(chǎn)生了以下幾種預(yù)緊方法：“扭矩法”和“扭矩-轉(zhuǎn)角控制法”、“屈服點(diǎn)控制法”和“螺栓長(zhǎng)度法”。其中使用最多的還是“扭矩法”和“扭矩-轉(zhuǎn)角控制法”，而這兩種擰緊方式都將會(huì)受到產(chǎn)品摩擦系數(shù)大小的影響，從而影響螺栓緊固時(shí)的預(yù)緊力。而“屈服點(diǎn)控制法”和“螺栓長(zhǎng)度法”則避免了摩擦系數(shù)對(duì)裝配的影響。

使用扭矩裝配方法時(shí)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的扭矩就停止，只對(duì)一個(gè)確定的緊固力矩進(jìn)行控制，操作簡(jiǎn)單，扭矩容易測(cè)量和控制，扭矩事后也容易復(fù)檢。但經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，在實(shí)際擰緊過(guò)程中受到摩擦系數(shù)等影響，僅僅5%～10%的扭矩轉(zhuǎn)化為所需要的預(yù)緊力，有90%的扭矩被擰緊過(guò)程中的摩擦消耗掉。當(dāng)支承面的摩擦系數(shù)降低20%時(shí)，支承面摩擦扭矩降為40%，螺栓軸向夾緊力將翻倍增加（有20%的擰緊扭矩轉(zhuǎn)化成夾緊力）。由此可見(jiàn)，使用扭矩裝配方法，摩擦系數(shù)對(duì)螺栓夾緊力的影響之大。

例如，本廠曾經(jīng)生產(chǎn)過(guò)這樣一種高強(qiáng)度的缸蓋連接螺栓，其技術(shù)要求是：產(chǎn)品規(guī)格M10×1.25×108，性能等級(jí)12.9級(jí)，表面處理磷化，裝配時(shí)配裝一個(gè)平墊圈。在裝配M10×1.25×108的12.9級(jí)高強(qiáng)度缸蓋連接螺栓時(shí)，出現(xiàn)過(guò)這樣的現(xiàn)象，在裝配過(guò)程中，當(dāng)扭矩超過(guò)100N.m后，螺栓會(huì)產(chǎn)生拉長(zhǎng)現(xiàn)象，使螺栓無(wú)法擰緊。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行了專(zhuān)題分析和試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)螺栓的硬度、最小拉力載荷、金相組織進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品是完全合格的，但是，在裝配時(shí)就是要產(chǎn)生拉長(zhǎng)的現(xiàn)象。于是，我們進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析：當(dāng)螺栓按已知扭矩進(jìn)行裝配時(shí)，這個(gè)已知的裝配扭矩會(huì)分解為兩部分，一部分扭矩克服支摩擦，使螺栓擰緊，另一部分扭矩施加于螺紋上，使其產(chǎn)生預(yù)緊力（即夾緊力），其反作用力就使螺栓受到軸向拉力。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)螺栓的摩擦系數(shù)很小的時(shí)候，摩擦損耗扭矩小，扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力就會(huì)很大，使螺栓受到的軸向拉力就大，這樣就會(huì)超過(guò)螺栓本身所能承受的軸向拉力，從而使螺栓變形拉長(zhǎng)。得到這樣的理論分析結(jié)論后，我們就用兩組不同摩擦系數(shù)的墊圈，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)對(duì)此進(jìn)行論證，以驗(yàn)證分析結(jié)論正確與否。通過(guò)試驗(yàn)我們得到了如下數(shù)據(jù)：

通過(guò)上面的分析，驗(yàn)證了我們的分析是正確的。于是我們將該螺栓所配墊圈的摩擦系數(shù)進(jìn)行了增大調(diào)整后，又進(jìn)行了小批量試驗(yàn)，支承面的摩擦系數(shù)在0.09～0.11范圍內(nèi)，結(jié)果所有的產(chǎn)品未再出現(xiàn)拉長(zhǎng)現(xiàn)象，從而使產(chǎn)品滿足了顧客的裝配要求，由此可見(jiàn)，摩擦系數(shù)對(duì)使用扭矩裝配法有非常大的影響。

使用扭矩-轉(zhuǎn)角控制法擰緊螺栓時(shí)，先以設(shè)定的扭矩將螺栓擰緊，然后再將螺栓旋轉(zhuǎn)到一個(gè)規(guī)定的角度，利用螺栓的彈性變形，來(lái)確保聯(lián)接力達(dá)到規(guī)定的要求，這就是轉(zhuǎn)角扭矩法。這種方法可分為彈性區(qū)域擰緊法和塑性區(qū)域法。

此方法能較準(zhǔn)確控制預(yù)緊力，螺栓材料完全被利用，僅與螺紋副摩擦及螺栓的屈服強(qiáng)度有關(guān)，設(shè)定的扭矩值常取所需擰緊扭矩值的25%左右。雖然螺螺栓的摩擦系數(shù)對(duì)達(dá)到較小的扭矩產(chǎn)生的“階段預(yù)緊力”有一定的影響，但是影響較小，而螺栓的摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角擰緊所產(chǎn)生預(yù)緊力沒(méi)有影響，因?yàn)樵趶椥詤^(qū)或塑性區(qū)，如果彈性模量恒定，預(yù)緊力僅與螺栓伸長(zhǎng)量有關(guān)，而伸長(zhǎng)量與螺栓旋轉(zhuǎn)的角度成正比。

3 結(jié)論

摩擦系數(shù)對(duì)螺紋緊固件的連接裝配具有非常重要的作用。不恰當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)會(huì)使產(chǎn)品被拉長(zhǎng)或斷裂，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)連接裝配。摩擦系數(shù)不符合要求，會(huì)造成螺栓的假擰緊現(xiàn)象（夾緊力達(dá)不到要求），在其后的使用過(guò)程中，會(huì)使螺栓產(chǎn)生松動(dòng)直至脫落，甚至出現(xiàn)非常嚴(yán)重的后果。

參考文獻(xiàn)

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