緊固件摩擦系數(shù)的重要性

緊固件摩擦系數(shù)的重要性是目前大家都比較關(guān)注的，摩擦系數(shù)的大小和散差會(huì)嚴(yán)重影響緊固件的擰緊后預(yù)緊力。

同樣的擰緊扭矩?cái)Q緊后，不同的摩擦系數(shù)范圍，會(huì)得到差別非常大的預(yù)緊力。

大家都比較熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原則，也就是說(shuō)摩擦系數(shù)變化小，但是預(yù)緊力會(huì)變化非常大。

因?yàn)槁菟^支撐面和螺紋副的扭矩占比非常大，即使很小的摩擦系數(shù)變化，對(duì)螺栓頭支撐面和螺紋副扭矩影響看似不是非常大，但是會(huì)影響產(chǎn)生預(yù)緊力的扭矩占比，可能產(chǎn)生預(yù)緊力的占比因?yàn)槟Σ料禂?shù)的變化，產(chǎn)生了5%的增減，*終就會(huì)較大的影響預(yù)緊力的占比。

既然摩擦系數(shù)對(duì)于螺栓連接是這么重要，那么，摩擦系數(shù)跟哪些因素有關(guān)系呢？

我們從以前物理學(xué)等了解到摩擦系數(shù)跟接觸面積等沒(méi)有關(guān)系，但是，在實(shí)際工作過(guò)程中又隱隱約約感覺(jué)到摩擦系數(shù)好像跟接觸面積還是有一定關(guān)系，到底實(shí)際情況是怎么樣呢？

我們通過(guò)前人的理論研究，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。

螺栓扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性，對(duì)于預(yù)緊力控制和連接點(diǎn)的可靠性至關(guān)重要。

螺栓扭矩系數(shù)由摩擦因數(shù)和螺紋尺寸參數(shù)共同決定，對(duì)于特定的螺紋聯(lián)接副而言，螺栓的螺紋常數(shù)是固定的，當(dāng)摩擦因數(shù)確定之后，扭矩系數(shù)也就**確定了。

對(duì)于螺紋尺寸參數(shù)對(duì)扭矩的影響有大量研究成果，而且螺紋尺寸參數(shù)對(duì)于扭矩系數(shù)的影響是規(guī)律性的，但是對(duì)于摩擦因數(shù)影響的關(guān)鍵因素卻鮮有研究。

本文，從理論上找出了可能影響電鍍鋅螺栓摩擦因數(shù)的因素，然后通過(guò)螺栓的擰緊實(shí)驗(yàn)對(duì)這些關(guān)鍵因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；找出了影響螺栓摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素；*后根據(jù)影響因素對(duì)摩擦因數(shù)影響的顯著性程度，選擇性地對(duì)這些關(guān)鍵因素進(jìn)行了控制，有效控制了摩擦因數(shù)的散差。

01 影響摩擦因數(shù)的因素分析

前人經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，建立了較完整的黏著摩擦理論，對(duì)于摩擦磨損研究具有重要的意義。黏著摩擦理論認(rèn)為整個(gè)摩擦分為3個(gè)過(guò)程：

① 摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面都是以接觸峰點(diǎn)的形式存在，接觸點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到屈服極限就會(huì)產(chǎn)生塑性形變，接觸點(diǎn)就只能依靠增加接觸面來(lái)承受繼續(xù)增加的載荷。

② 接觸點(diǎn)摩擦過(guò)程中還可能產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生黏著，在隨后摩擦的剪切力作用下，黏著點(diǎn)會(huì)被剪切產(chǎn)生滑動(dòng)。

③ 摩擦力是黏著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和，接觸面中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，接觸面分兩部分組成：

· 發(fā)生黏著效應(yīng)的面積，滑動(dòng)發(fā)生剪切；

· 犁溝效應(yīng)作用的面積，滑動(dòng)時(shí)硬峰推擠軟材料。

金屬黏著摩擦理論中，摩擦系數(shù)f的計(jì)算公式如下:

式中：

F為接觸面的剪切力；

W為接觸面的正壓力；

A為摩擦面實(shí)際接觸面積；

τ_b為剪切強(qiáng)度極限；

S為粗糙峰在垂直面上的投影面積；

σ_s為屈服強(qiáng)度極限。

從以上摩擦過(guò)程分析可知，微觀上摩擦跟接觸面積是存在一定的關(guān)系，這與我們實(shí)際生活中的感覺(jué)有點(diǎn)接近。

例如，我們穿著一個(gè)帶凸點(diǎn)的鞋子，如果突然某個(gè)時(shí)候，只有很小的一個(gè)凸點(diǎn)著地，這時(shí)候會(huì)一下子感覺(jué)被晃了一下，感覺(jué)這時(shí)候的摩擦力非常低。不知道大家是否也有這種感覺(jué)？

螺栓在擰緊過(guò)程中，接觸表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，必然會(huì)引起接觸表面產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致接觸面磨損，螺栓擰緊轉(zhuǎn)速的不同會(huì)導(dǎo)致摩擦面的溫度的變化。

支撐面硬度、螺栓強(qiáng)度等級(jí)會(huì)影響接觸點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

螺栓表面膜的摩擦副滑動(dòng)時(shí),黏著點(diǎn)的剪切發(fā)生在膜內(nèi),其剪切強(qiáng)度會(huì)改變，又由于表面膜很薄，實(shí)際接觸面積由基體材料的屈服極限決定。

所以擰緊速度、螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度可能會(huì)改變螺栓的摩擦因數(shù)。

02  影響螺栓摩擦因數(shù)關(guān)鍵因素的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)先進(jìn)的多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，擰緊機(jī)自帶一個(gè)測(cè)定總扭矩T_f的扭矩傳感器，同時(shí)在螺紋裝配夾具內(nèi)安裝了測(cè)定螺紋扭矩T_s的傳感器和測(cè)定夾緊力F的力傳感器。

端面摩擦扭矩：T_w=T_f-T_s

根據(jù)緊固扭矩與夾緊力的比值，總摩擦因數(shù)μ_tot，螺紋摩擦因數(shù)μ_s，支撐面的摩擦因數(shù)μ_w用如下公式計(jì)算確定：

擰緊速度對(duì)螺栓摩擦因數(shù)的影響是必然的，前人也進(jìn)行了大量的研究，本文中不作為研究對(duì)象。

以螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)螺栓統(tǒng)一為六角頭螺栓，螺母為六角法蘭螺母，兩者表面處理方式相同，處理后螺栓與螺母采用6H/6g配合。墊塊板厚為3 mm，機(jī)械加工后表面粗糙度為3.2 μm，銳角倒鈍。

對(duì)不同螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度的螺栓進(jìn)行擰緊實(shí)驗(yàn)，螺栓的扭矩系數(shù)分布如下表。

將扭矩系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成分圖。

不同轉(zhuǎn)速螺栓扭矩系數(shù)分布圖

不同強(qiáng)度等級(jí)螺栓扭矩系數(shù)分布圖

不同硬度墊塊的扭矩系數(shù)分布圖

不同表面處理螺栓扭矩系數(shù)分布圖

在實(shí)際中，許多問(wèn)題都涉及多個(gè)因素的作用，但是這些因素對(duì)所考察的指標(biāo)影響“是否大”的主要方法是方差分析法。

它的實(shí)質(zhì)是通過(guò)分析數(shù)據(jù)的誤差來(lái)源，進(jìn)而檢驗(yàn)多個(gè)總體的均值是否相同，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)分解為由研究對(duì)象的變差和隨機(jī)因素引起的波動(dòng)，通過(guò)分析比較這些變差來(lái)推斷這些因素對(duì)所考察指標(biāo)的影響是否顯著。

利用MATLAB的ANOVA1函數(shù)可以進(jìn)行各影響因素的F檢驗(yàn)。

將螺栓摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA1函數(shù)求解，得到計(jì)算結(jié)果下表所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出螺栓強(qiáng)度、鍍層厚度和鈍化層對(duì)螺栓摩擦因數(shù)影響很大，但是支撐面硬度對(duì)螺栓摩擦因數(shù)影響不大，不同支撐面硬度進(jìn)行擰緊實(shí)驗(yàn)，摩擦因數(shù)均值有24.9%的概率是相等的。

在緊固實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)D級(jí)鈍化層螺栓屈服緊固軸向力要遠(yuǎn)大于C級(jí)鈍化層，D級(jí)鈍化層螺栓與C級(jí)鈍化層緊固屈服軸向力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值對(duì)比如圖所示。

擰緊過(guò)程是一個(gè)拉扭復(fù)合受力的過(guò)程，螺栓所受拉應(yīng)力由轉(zhuǎn)化的緊固軸向力產(chǎn)生，所受扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力由螺紋間和支撐面的摩擦扭矩產(chǎn)生。

D級(jí)鈍化層的螺栓由于表層有一層較軟的薄膜層，可以起到薄膜潤(rùn)滑的作用，所以摩擦因數(shù)小，對(duì)螺栓產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力相應(yīng)小很多，扭矩更多地轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力。

03影響摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素的控制

從上表的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度對(duì)摩擦因數(shù)的影響程度是不同的，鈍化層處理對(duì)螺栓摩擦因數(shù)影響*大，支撐面的硬度對(duì)摩擦因數(shù)的影響*小。

對(duì)支撐面的硬度控制是非常困難的，*終對(duì)于摩擦因數(shù)控制的貢獻(xiàn)也不大，是沒(méi)有意義的，對(duì)摩擦因數(shù)的控制要抓住重點(diǎn)。

不同場(chǎng)合需要不同特性的螺栓，對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)，不同鈍化層的螺栓，關(guān)系到連接點(diǎn)的受力和防腐性能的要求，不能從螺栓本體特征來(lái)進(jìn)行控制，只需要根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)和鈍化層的不同區(qū)別對(duì)待，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，使用不同的摩擦因數(shù)，對(duì)于鍍層厚度需要從螺栓本體控制。

傳統(tǒng)的緊固件生產(chǎn)并沒(méi)有考慮鍍層和鈍化層對(duì)扭矩系數(shù)的影響，鍍層厚度只要大于*低要求就認(rèn)為是合格的，沒(méi)有嚴(yán)格控制鍍層上限。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備兩批螺栓，鍍層厚度都要求為5μm,鈍化層為c2C，一批要求對(duì)鍍層厚度進(jìn)行控制，控制范圍為5～7μm，另外一批不進(jìn)行控制，只要鍍層厚度大于5μm就行。

重新進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，控制前后扭矩系數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)如圖8所示。

可以看出，控制螺栓鍍層厚度對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的影響不大，控制前扭矩系數(shù)均值為0.3785，控制之后扭矩系數(shù)均值為0.3612，螺栓扭矩系數(shù)略有減小。

但是控制前后扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差顯著減少，控制前扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.03416，控制后扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.01531，扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差降低55.18%。

這說(shuō)明控制鍍層厚度可以顯著地控制螺栓摩擦因數(shù)，這對(duì)提高螺栓連接點(diǎn)的可靠性意義重大。

04知識(shí)延伸-表面處理代號(hào)

對(duì)于電鍍的表面處理代號(hào)標(biāo)識(shí)一般按照GB/T 5267.1標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)等同于ISO 4042標(biāo)準(zhǔn)。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，電鍍表面處理代號(hào)分為A類代號(hào)和B類代號(hào)標(biāo)記方法。

· A類代號(hào)標(biāo)記如下：

E.2 標(biāo)記

標(biāo)記示例:

o 六角頭螺栓GB/T 5782 M10X60 8.8

o 電鍍鋅層(表E.1的A)

o *小鍍層厚度5 μm(表E.2的2)

o 光飾狀態(tài)為“光亮”并經(jīng)銘酸鹽處理成黃彩虹色(表E.3的L)的標(biāo)記:六角頭螺栓 GB/T 5782 M10X60 8.8 A2L

注1:如未明確要求*小鍍層厚度,則按表E.2,該鍍層厚度的標(biāo)記代號(hào)為“0”,例如“AOP”,以便該代號(hào)包括在完整的技術(shù)要求中。

代號(hào)“0”適用于小于M1.6的螺紋零件或其他小零件。

注2:如要求其他處理,如涂抹油脂或油,則需協(xié)議,并在標(biāo)記中規(guī)定。

A類電鍍標(biāo)記代號(hào)記為A2L，具體的電鍍層厚度等要求需要查找GB/T 5267.1標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)表格，不便于記憶。

· B類似標(biāo)記代號(hào)：

B類標(biāo)記示例:

o Fe/Zn8c2C (或Fe/Zn8. c2C)

o 其中Fe-金屬基體

o Zn-鍍層金屬

o 8-*小鍍層厚度

o c- 銘酸鹽處理

o 2-銘酸鹽處理等級(jí)

o C-銘酸鹽處理類型

同樣該標(biāo)識(shí)也需要按照標(biāo)準(zhǔn)查找相應(yīng)的代號(hào)對(duì)應(yīng)的中性鹽霧試驗(yàn)要求，直接從標(biāo)識(shí)中無(wú)法判斷出具體的技術(shù)要求。

常見(jiàn)標(biāo)識(shí)

以上是標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)識(shí)要求，還有一種大家比較常見(jiàn)的標(biāo)識(shí)，特別是日韓系主機(jī)廠比較常用，例如Fe/Ep.Zn5.c2C，該標(biāo)識(shí)與標(biāo)準(zhǔn)中的B類標(biāo)識(shí)基本一致。

主要是增加了一個(gè)Ep的代號(hào)，該Ep就是電鍍Electro Plating的英文縮寫(xiě)。

其他代號(hào)的意思都與標(biāo)準(zhǔn)中的電鍍代號(hào)一致，不再贅述。

一  對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行理論分析，得出擰緊過(guò)程中能量的分配比例。
螺栓緊固軸向力對(duì)摩擦因數(shù)的變化極為敏感，必須進(jìn)行摩擦因數(shù)的控制來(lái)提高連接點(diǎn)的可靠性。

二  對(duì)不同螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度的螺栓進(jìn)行了擰緊實(shí)驗(yàn)，利用單因素分析法進(jìn)行F檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鍍層厚度、鉻酸鹽處理對(duì)螺栓扭矩系數(shù)影響較大，支撐面硬度對(duì)螺栓扭矩系數(shù)影響不大。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)D級(jí)鈍化層鍍鋅螺栓可以有效提高螺栓緊固軸向力，對(duì)于充分發(fā)揮螺栓使用效能是很有意義的。

三  不同場(chǎng)合需要不同特性的螺栓，對(duì)于影響螺栓摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素不能全部從本體特征來(lái)進(jìn)行控制。
對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)，不同鈍化層的螺栓，只需要根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)和鈍化層的不同來(lái)區(qū)別對(duì)待通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，使用不同的摩擦因數(shù)。
對(duì)于鍍層厚度需要從螺栓本體控制，研究表明控制后螺栓摩擦因數(shù)散差顯著減小。

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