沖擊式氣螺刀扭矩參數(shù)探究

閆國瑞，蘇哲逸

（中杰杰鼎實(shí)業(yè)有限公司，浙江杭州311100）

0 前言

在起草國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T XXXX-2020 沖擊式氣螺刀時(shí)，我們對產(chǎn)品的核心技術(shù)指標(biāo)，即擰緊扭矩做了深入探究。本標(biāo)準(zhǔn)該參數(shù)以全國鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處最終審定，經(jīng)國家機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)審批，于2020年正式發(fā)布的文本為準(zhǔn)。本文針對標(biāo)準(zhǔn)的送審稿從技術(shù)層面做一些介紹。

1 參數(shù)制定

1.1 對頂層設(shè)計(jì)的質(zhì)疑

筆者認(rèn)為我國鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具行業(yè)目前實(shí)施的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定、修訂的起點(diǎn)太低，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)就低不就高的兜底模式，產(chǎn)品合格率大眾化的頂層設(shè)計(jì)理念，嚴(yán)重滯后于我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，從而使部分山寨產(chǎn)品也判為合格品。這類從源頭上自我矮化了的產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅讓國內(nèi)氣動(dòng)工具產(chǎn)品“劣幣驅(qū)逐良幣”的不公平競爭有機(jī)可乘，讓它可用低價(jià)傾銷的方式打價(jià)格戰(zhàn)，同時(shí)也有損于我們產(chǎn)品的國際交流。經(jīng)過四十多年的改革開放，我國氣動(dòng)工具廠家已經(jīng)能夠生產(chǎn)低、中、高級別的，可滿足各種工況的產(chǎn)品，但是現(xiàn)行所有氣動(dòng)工具產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都是一刀切，缺少對當(dāng)前各類產(chǎn)品的分級別、分檔次、有區(qū)分的評價(jià)考核體系。這樣的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也給產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管部門造成了困惑。例如國家氣動(dòng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（奉化）兩年前曾對浙江省的十幾家氣扳機(jī)產(chǎn)品做了一次普查，抽檢結(jié)果是大家的性能指標(biāo)都合格，實(shí)際上卻良莠不齊。

1.2 參數(shù)制定原則

基于上面的質(zhì)疑，我們在制定擰緊扭矩指標(biāo)時(shí)綜合考慮了四個(gè)方面的因素：企業(yè)的現(xiàn)有加工能力、用戶的普遍訴求、檢測部門的可操作性、當(dāng)前國際發(fā)展趨勢。針對產(chǎn)品的不同用途，首次提出了普通級（DIY）、專業(yè)級、工業(yè)級產(chǎn)品的概念及界定，制定了三個(gè)級別的擰緊扭矩指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對目前國產(chǎn)各級別氣螺刀產(chǎn)品的全覆蓋。三級別評價(jià)體系及指標(biāo)的提出，突破了現(xiàn)行氣動(dòng)工具產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編制的框架，是我們對頂層設(shè)計(jì)理念的大膽創(chuàng)新。2018年11月初在湖北恩施召開的全國鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)年度大會(huì)上，來自全國的幾十位專家對三級別評價(jià)體系及其指標(biāo)（方案）做了評審，一致贊成，全票通過。

1.3 術(shù)語和定義

我們把產(chǎn)品按性價(jià)比劃分為工業(yè)級、專業(yè)級、普通級，做到了對所有產(chǎn)品的全面覆蓋、合理區(qū)分，使得本標(biāo)準(zhǔn)的適用性極大提高，具體界定如下。

（1）工業(yè)級（Industrial Grade）。用于現(xiàn)代機(jī)電制造業(yè)裝配流水線上的工具，對產(chǎn)品的可靠性，扭矩爬升率、關(guān)鍵零件、部件力學(xué)壽命（失效周期）要求都很高，對噪音、振動(dòng)等環(huán)保指標(biāo)要求較嚴(yán)。使用氣壓一般為0.5～0.7 MPa。

（2）專業(yè)級（Professional Grade）。用于機(jī)電類產(chǎn)品的維修工具，對反轉(zhuǎn)方向扭矩（拆螺釘）要求比正轉(zhuǎn)方向扭矩高，關(guān)鍵零件、部件力學(xué)壽命（失效周期）有一定的要求，對扭矩爬升率要求比工業(yè)級的低。使用氣壓一般≥0.5 MPa?；蚴怯糜谀竟ぐ惭b、家居裝潢、電工維修等工具，對扭矩的爬升率比工業(yè)級的較低。

（3）普通級（Ordinary Grade）。用于家庭自備工具箱套件，自己動(dòng)手維修（俗稱DIY），使用頻率很低，使用氣壓一般為0.63 MPa。

1.4 擰緊扭矩參數(shù)

三個(gè)級別產(chǎn)品的擰緊扭矩及其時(shí)間見表1。

1.5 擰緊扭矩探討

查閱并深入分析的資料有：ISO898.1-2013〔3〕、ISO 898.7-1992〔1〕、GB/T 3098.1-2010〔2〕、GB/T 3098.13-1996〔3〕、QC/T 518-1999〔4〕、HB 6586-1992〔5〕、JB/T 8411-2016〔6〕、JB/T 5129—2004〔7〕等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；大型工程設(shè)計(jì)手冊及高校機(jī)械零件設(shè)計(jì)教材中關(guān)于螺紋緊固系統(tǒng)的力學(xué)分析、螺栓的強(qiáng)度級別規(guī)定、保證載荷計(jì)算、摩擦系數(shù)對扭矩的影響、緊固扭矩的簡易實(shí)用計(jì)算公式；美國福特汽車公司、瑞典阿特拉斯·考普柯（Atlas Copco）公司、日本瓜生（URYU）公司、日本空研（KUKEN）公司、德國博世（BOSCH）公司及臺(tái)灣幾家知名氣動(dòng)工具公司,他們推薦的不同規(guī)格螺栓的擰緊扭矩值；美國英格索爾·蘭德（IR）公司及瑞典阿特拉斯·考普柯（Atlas Copco）公司關(guān)于螺紋擰緊扭矩的專題講座PPT〔8，9〕；國內(nèi)學(xué)者的科研論文；目前國內(nèi)沖擊式氣螺刀主要生產(chǎn)企業(yè)所能達(dá)到的扭矩值。最后提煉出三個(gè)實(shí)用公式：

表1 產(chǎn)品擰緊扭矩/時(shí)間（送審稿）

式中 M——擰緊扭矩，N.m

K——摩擦系數(shù)

P——螺栓的軸向預(yù)緊力，N

d——螺栓大徑，mm

M2——螺栓的松開扭矩（配合系統(tǒng)的零件沒有生銹時(shí)）

公式（1）是公認(rèn)的算式，無須詳述。公式（2）是美國英格索爾·蘭德（IR）公司及瑞典阿特拉斯·考普柯（Atlas Copco）公司的用戶培訓(xùn)教材——關(guān)于螺紋緊固扭矩的專題講座（PPT）里的資料，含義是施加于螺紋緊固系統(tǒng)的扭矩M，其中50%被螺帽底端面與它的支撐平面之間的動(dòng)摩擦所消耗，40%被螺紋副（內(nèi)外螺紋嚙合斜面）的動(dòng)摩擦所消耗，只有10%被轉(zhuǎn)換成螺栓的軸向預(yù)緊力（夾緊力P），這三者的比例大約是5:4:1。我們能夠方便操控的是100%的M，但實(shí)際發(fā)揮夾緊作用的只是轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)緊力P 的10%M 的扭矩。公式（3）是日本學(xué)者的專著給出的。上面式（1）中的K 值對M 有極大的影響，簡介如下：

公式（1）中的摩擦系數(shù)K 是一個(gè)特別重要但被大多數(shù)氣螺刀用戶忽視了的重要參數(shù)，他們對公式（2）也很陌生，所以用戶一直索求氣螺刀的輸出扭矩越大越好，給產(chǎn)品制造企業(yè)造成很大壓力。為了給氣螺刀產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定合理的擰緊扭矩值，我們深入研究了有關(guān)摩擦系數(shù)K 的資料。文獻(xiàn)〔10〕指出：“擰緊力矩M 與它所引起的螺栓軸向力P 間的關(guān)系,由擰緊力矩系數(shù)K 確定。K 的大小在螺栓的緊固聯(lián)接設(shè)計(jì)計(jì)算及施工工藝中都很重要。德、美、日諸國對這方面的研究較重視,但也因K 值在實(shí)測中離散性較大,而感到不易妥善處理。如德國在1956年的標(biāo)準(zhǔn)中取K=0.18,1963年又改為K=0.193。1957年美國鐵路工程師協(xié)會(huì)的規(guī)范中,曾取K=0.20,英國鐵路橋梁中取K=0.17。后來美、英兩國的規(guī)范又要求在使用的螺栓中進(jìn)行扭矩抽樣試驗(yàn)來確定K值。日本自1962年使用經(jīng)光潔處理的墊圈后，發(fā)現(xiàn)K 值降到0.12 左右,且離散度也減小了”。大量資料顯示，摩擦系數(shù)與緊固件的表面化學(xué)處理、材料強(qiáng)度、螺紋尺寸精度、形位公差、螺紋副及承壓平面的表面粗糙度等許多因素有關(guān)，其中螺栓表面化學(xué)處理是一個(gè)關(guān)鍵因素。不同的表面處理其摩擦系數(shù)相差很大，有時(shí)相差將近一倍。例如同規(guī)格同強(qiáng)度的螺紋副，表面為磷化時(shí)摩擦系數(shù)約為0.13～0.18，而表面發(fā)黑時(shí)摩擦系數(shù)約為0.26～0.30。由于摩擦系數(shù)之值往往很離散，所以公式（2）中用于產(chǎn)生螺栓軸向預(yù)緊力P 的10%M 扭矩變化范圍很大，一般為10%±5%（5%M～15%M），因此一只氣螺刀即使輸出扭矩比較穩(wěn)定，但可能對同一規(guī)格的螺栓擰不緊，也可能擰斷。區(qū)別在于這兩種工況的摩擦系數(shù)不同。大多數(shù)氣螺刀用戶忽視了，甚至壓根不知道摩擦系數(shù)的重要性，一味抱怨氣螺刀扭矩不夠大，但標(biāo)準(zhǔn)化工程師在制定產(chǎn)品扭矩指標(biāo)時(shí)應(yīng)當(dāng)搞清楚這個(gè)問題。軸向預(yù)緊力P 在設(shè)計(jì)時(shí)一般選取螺栓屈服強(qiáng)度的65%～80%，安全系數(shù)約大于等于1.2。

中國航空航天工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)HB 6586-1992〔5〕規(guī)定了M4～M39 的細(xì)牙和粗牙，強(qiáng)度級別為590 MPa、930 MPa、1075 MPa、1470 MPa 四種級別，應(yīng)力狀態(tài)為抗拉及抗剪的四種螺栓的擰緊扭矩。但我們行業(yè)產(chǎn)品的主要市場是民用，不宜參考航空標(biāo)準(zhǔn)。中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 518-1999〔4〕規(guī)定了M6～M48 的強(qiáng)度級別為4.6、5.6、6.6、8.8、10.9、12.9 共六種普通螺栓的擰緊扭矩，其摩擦系數(shù)K的平均值為0.284，這個(gè)資料對我行業(yè)有參考價(jià)值，但對應(yīng)于表1 產(chǎn)品系列的螺紋公稱直徑只有6、8、10，缺少系列3、4。美國福特汽車公司旗下全資子公司NS 耐世特（北京、上海、蘇州）的資料《公制緊固件建議裝配力矩》〔11〕，對M1.6～M36大徑尺寸不同的17 種螺栓，強(qiáng)度級分別為9.8、10.9、12.9 級，螺紋副干燥時(shí)取K=0.15，螺紋副潤滑時(shí)取K=0.2 的各種工況條件下的擰緊扭矩做了規(guī)定，尤其包含了螺紋大徑尺寸為1.6、2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10 這十個(gè)段，很適合我行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸系列。還發(fā)現(xiàn)NS 耐世特公司的資料完全引用了ISO 898〔1，12〕，既簡明又實(shí)用，所以我們最終確定以源自兩個(gè)最權(quán)威國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 898〔1，12〕的NS 耐世特 《公制緊固件建議裝配力矩》〔11〕的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，初步設(shè)定了JB/T XXXX-2020 沖擊式氣螺刀的擰緊扭矩初始值，其中工業(yè)級、專業(yè)級、普通級的扭矩值分別對應(yīng)于NS 耐世特的《公制緊固件建議裝配力矩》〔11〕里的8.8 級、10.9級、12.9 級。在進(jìn)一步考慮我國沖擊式氣螺刀產(chǎn)品現(xiàn)狀及不同用戶（市場）對擰緊扭矩的訴求之后，又對初始值做了修正（乘一個(gè)大于1 的系數(shù)）?，F(xiàn)將用戶使用量較大的M6X1 螺栓，K=0.2(干燥)時(shí)，JB/T XXXX-2020 沖擊式氣螺刀與美國福特公司NS 耐世特子公司的扭矩值對比列在表2 中。

我們制定的擰緊扭矩值都高于耐世特《公制緊固件建議裝配力矩》〔11〕的規(guī)定，出現(xiàn)這種情況的原因應(yīng)該是我國螺紋緊固作業(yè)工況的摩擦系數(shù)K 值普遍偏大，需要?dú)饴莸懂a(chǎn)品輸出較高的扭矩值。事實(shí)上這些參數(shù)并沒有大幅度超越生產(chǎn)企業(yè)的出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表2 產(chǎn)品擰緊扭矩值對比

2 結(jié)束語

擰緊扭矩是產(chǎn)品的核心指標(biāo)，但同時(shí)也是被目前國內(nèi)市場嚴(yán)重扭曲，甚至變態(tài)了的指標(biāo)。目前各個(gè)廠家的產(chǎn)品都在比賽力量(扭矩)大小，誰的產(chǎn)品擰緊扭矩大誰就有賣點(diǎn)。我們嘗試通過產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定，對這種不正?，F(xiàn)象予以糾偏，力求該值具有科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性，讓其回歸理性值。美國福特汽車公司是世界500 強(qiáng)，我們制定的擰緊扭矩參數(shù)與這樣的公司對標(biāo)，就論這一點(diǎn)可以算是與國際先進(jìn)技術(shù)接軌了。