擰緊速度對螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響分析＊

張和平 王曉斌 莫易敏 滿健康 王賡 陳璟

（武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070）

0 引 言

近年來，隨著我國汽車產(chǎn)品及相關(guān)工藝技術(shù)的引進與消化吸收，人們對螺紋緊固件的認識逐漸加深，尤其是對螺紋緊固件質(zhì)量、螺栓擰緊速度控制等尤為重視.在裝配過程中通過控制螺栓擰緊速度來有效的控制螺栓摩擦系數(shù)，從而減少轉(zhuǎn)矩系數(shù)的分散，提高螺栓使用性能.

本文采用轉(zhuǎn)矩控制法來間接實現(xiàn)軸向力控制，在實驗過程中通過對不同擰緊速度對螺紋緊固件摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)矩-預(yù)緊力關(guān)系進行了實驗分析，得出擰緊轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)具有較大影響，因此在整車裝配過程中，控制擰緊速度對提高螺栓使用效能具有重大意義.

1 螺栓聯(lián)接理論分析

擰緊螺栓聯(lián)接時，螺紋緊固件的擰緊力矩大部分是用來克服由于螺紋摩擦和支撐面摩擦而產(chǎn)生的力矩，僅少部分的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為螺栓擰緊所需軸向預(yù)緊力.影響預(yù)緊力的主要因素除了使用的工具及擰緊方法外，還有緊固件的摩擦系數(shù).

而影響摩擦系數(shù)的因素主要有擰緊速度、表層處理性質(zhì)、表面粗糙度、加工精度、溫度等.本文主要研究擰緊速度對摩擦系數(shù)的影響.圖1為控制螺栓擰緊速度時擰緊轉(zhuǎn)矩分配示意圖.

圖1 螺栓擰緊轉(zhuǎn)矩分配

1.1 擰緊速度對摩擦系數(shù)的影響理論分析

在螺栓擰緊過程中，接觸表面會產(chǎn)生相對滑動，必然會引起接觸表面產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致接觸面磨損，改變摩擦面的溫度.擰緊速度較低時，緊固件的磨損主要以磨粒磨損和輕微塑性變形及犁溝為主，此時接觸表面的溫度較低，不易形成氧化膜，在擰緊時候接觸表面容易產(chǎn)生粘著，摩擦系數(shù)較大；隨著擰緊速度提高及磨損時間的增加，導(dǎo)致強烈磨損，摩擦接觸面因大量摩擦熱使表層元素發(fā)生轉(zhuǎn)移，不同生成膜的生成導(dǎo)致了材料表面性質(zhì)及接觸表面的接觸狀況的改變，材料耐磨性因此發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù).擰緊速度越高，由接觸表面相對滑動使接觸表面的溫度增加也越明顯，緊固件更容易產(chǎn)生變形，達到穩(wěn)定且相對較低的摩擦系數(shù).由經(jīng)驗公式：

式中：μ0 為靜摩擦系數(shù)；v為轉(zhuǎn)速；c為常數(shù).

根據(jù)公式可知，隨著擰緊速度的增加，摩擦系數(shù)隨之減小.同時在擰緊過程中，擰緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力對摩擦的影響主要在于形成的摩擦膜上，低速時摩擦膜上產(chǎn)生很多裂紋摩擦系數(shù)較大，擰緊速度提高時，摩擦膜較為完整，此時摩擦系數(shù)小，所以摩擦系數(shù)隨預(yù)緊力的增加而減小［1］.

目前針對螺紋副摩擦系數(shù)的檢測設(shè)備主要是德國多功能螺栓緊固分析系統(tǒng).下列公式按照國標GB／T16823.3-2010得出［2］，總摩擦系數(shù)計算公式

式中：P為螺距；d2為螺紋中徑mm；Db為支承面摩擦的有效直徑，mm；D0為支承面外徑，mm；dh為與螺紋接觸的孔徑，mm.

螺紋摩擦系數(shù)：

支承面摩擦系數(shù)：

1.2 摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響理論分析

螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中的轉(zhuǎn)矩與軸力之間的系數(shù)，它不僅取決于摩擦系數(shù)，還取決于螺紋連接副的幾何形狀.國家標準GB／T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》［3］中明確指出，轉(zhuǎn)矩系數(shù)K可用下式表達：

式中：d為螺紋公稱直徑mm；α為螺紋牙側(cè)角.

從式（4）中可以看出，轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定了在上緊轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)化中軸向力所占的比例.由式（5）可知，轉(zhuǎn)矩系數(shù)是由螺紋常數(shù)和摩擦系數(shù)共同決定的.因此，轉(zhuǎn)矩系數(shù)對螺栓緊固的研究非常重要.

2 試驗研究

2.1 試驗材料

試驗螺栓統(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6 H／6g配合.被連接材料為45＃，板厚為3mm，機械加工后表面粗糙度為3.2，銳角倒鈍.其他參數(shù)見表1.

表1 試驗材料屬性

2.2 試驗方法

為提高螺栓聯(lián)接質(zhì)量，汽車裝配過程中廣泛采用計算機控制綜合擰緊技術(shù)，此技術(shù)可以對擰緊過程施行自動控制，又可對擰緊的結(jié)果進行監(jiān)測.就目前技術(shù)而言，轉(zhuǎn)矩控制法具有控制系統(tǒng)簡單，易于用扭力傳感器或高精度的轉(zhuǎn)矩扳手來檢查擰緊的質(zhì)量且成本較低等優(yōu)點.

本試驗利用德國多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)對緊固件進行試驗，試驗臺架有3個傳感器分別測出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、軸向預(yù)緊力3個參量.通過上述公式的計算軟件可以獲得以下參數(shù)：轉(zhuǎn)矩系數(shù)、摩擦面系數(shù)（總摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、支撐面摩擦系數(shù)）、屈服點軸力、屈服點轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角、最大轉(zhuǎn)矩和最大扭力.轉(zhuǎn)矩控制法就是利用轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進行緊固控制的一種方法，該方法在擰緊時，只對一個確定的擰緊轉(zhuǎn)矩進行控制，擰緊轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖2所示.

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

試驗利用德國Schatz公司研制的多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，將螺栓固定，對螺母在相同擰緊速度15r／min的情況下進行五組實驗；扭緊裝置對螺母施加線性增加的轉(zhuǎn)矩（直到200N·m 左右停止），儀器自動記錄螺栓軸向預(yù)緊力隨著轉(zhuǎn)矩增加而變化的曲線.接著換一對螺栓螺母，用孔板上的2號孔裝配，重復(fù)上述實驗過程至5次.同理將擰緊速度設(shè)置為30，45，50，55，60r／min，在各種擰緊速度下進行五組試驗，儀器分別記錄其數(shù)據(jù).表2為緊固件在不同擰緊速度時的均值數(shù)據(jù).

圖2 緊固件擰緊轉(zhuǎn)矩變化示意圖

表2 緊固件在不同轉(zhuǎn)速下的均值數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，分別作出緊固件在不同擰緊速度下緊固件摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)的直方圖如圖3、圖4.通過分析可以得出：

1）隨著緊固件擰緊速度的增大，總摩擦系數(shù)緩慢減小至趨于0.12，螺紋摩擦系數(shù)逐漸減小.擰緊速度從30r／min提高至45r／min，總摩擦系數(shù)與螺紋摩擦系數(shù)減幅較大，通過數(shù)據(jù)可知緊固件擰緊速度對摩擦系數(shù)有較大影響，并且在較高擰緊速度條件下摩擦系數(shù)減幅比較低速度條件下要小.試驗結(jié)果表明，當擰緊轉(zhuǎn)矩趨于屈服轉(zhuǎn)矩時，摩擦系數(shù)隨擰緊速度的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定.且當速度為55，60r／min時，摩擦系數(shù)達到了0.12，非常符合歐洲汽車裝配過程中對緊固件摩擦系數(shù)控制范圍，其范圍為0.07～0.12.

由圖4可見，緊固件擰緊速度較低條件下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)明顯高于較高速度狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩系數(shù).當對緊固件擰緊速度控制為15r／min時，緊固件的轉(zhuǎn)矩系數(shù)在0.25左右，軸向預(yù)緊力為72.05kN；當對緊固件的擰緊速度提高到60r／min時，緊固件的轉(zhuǎn)矩系數(shù)在0.15左右，軸向預(yù)緊力為85.11kN；軸向預(yù)緊力增幅較大.由轉(zhuǎn)矩計算公式可知轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定了在擰緊轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)化中軸向預(yù)緊力所占的比例，當擰緊轉(zhuǎn)矩趨于屈服轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩系數(shù)K值越小，對應(yīng)轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力的值也較大，軸向聯(lián)接可靠性較高，保證了螺栓的可靠服役.

圖3 不同擰緊速度下螺栓的摩擦系數(shù)

圖4 不同擰緊速度下螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

2）由實驗數(shù)據(jù)分析可知，隨擰緊速度的增加，摩擦系數(shù)總體上減小.從兩方面闡述原因：（1）由實驗數(shù)據(jù)可知，擰緊速度較低時，擰緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成的軸向預(yù)緊力較小，此時摩擦系數(shù)比較大，這是由于鍍層與聯(lián)接件的粘結(jié)力較小，容易發(fā)生脫落.同時緊固件實際接觸面積比較少，脫落的鍍層會增大接觸面的粗糙度，使摩擦系數(shù)增大.在擰緊速度較大時，擰緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成的軸向預(yù)緊力較大，合適的軸向預(yù)緊力有助于緊固件與被聯(lián)接件之間的潤滑抑制接觸面的粗化，導(dǎo)致摩擦系數(shù)必然減小［4］；（2）另一方面，因為在緊固件的擰緊過程，擰緊速度引起接觸表面發(fā)熱和溫度的變化使摩擦副表面材料的性質(zhì)和接觸狀況發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù).當擰緊速度較低時，接觸表面的摩擦熱影響小，此時摩擦表面不易形成氧化膜，在實際接觸表面容易產(chǎn)生粘著，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大；當擰緊速度增大時，接觸表面由于摩擦而升溫，分子熱運動使粘著點剪切強度減少，摩擦系數(shù)降低.

3 擰緊速度對螺栓許用強度的影響

普通螺栓聯(lián)接，在擰緊螺母時，螺栓不僅受到預(yù)緊力F產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ，還受到了轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的切應(yīng)力τ，螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用，對于普通螺紋螺栓，應(yīng)用第四強度理論［5］，計算螺栓危險剖面的當量應(yīng)力為

由式（6）可知，受預(yù)緊力的普通螺栓，預(yù)緊后受復(fù)合應(yīng)力，在計算強度時可將拉應(yīng)力增大30%，當作只受軸向拉力計算螺栓的強度.因此，只受預(yù)緊力作用的緊螺栓聯(lián)接的強度條件為：

式中：［σ］=σs／s；d1為螺栓小徑，mm.

由上可知，在擰緊過程中，必須控制擰緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化軸向預(yù)緊力的大小從而保證螺栓截面拉伸強度在許用拉應(yīng)力范圍之內(nèi).從表2中可以得知，對比擰緊速度為15r／min與60r／min時，所需擰緊轉(zhuǎn)矩從200.02N·m 減小到149.14N·m，減小25%；軸向預(yù)緊力從72.05kN 增到85.11kN，增大18%，說明在緊固件裝配過程中控制擰緊速度，只需要對緊固件施加較小的擰緊轉(zhuǎn)矩就可以提高軸向預(yù)緊力達到預(yù)期的目的［6-7］.故在彈性區(qū)域內(nèi)，適當提高擰緊速度，擰緊轉(zhuǎn)矩達到屈服狀態(tài)前，轉(zhuǎn)矩系數(shù)越小，產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力就越大，擰緊螺栓聯(lián)接更具效能，見圖5.

圖5 緊固件應(yīng)變過程示意圖

4 結(jié) 論

1）通過理論與試驗分析可知摩擦系數(shù)是影響轉(zhuǎn)矩系數(shù)的主要因素，轉(zhuǎn)矩系數(shù)是摩擦系數(shù)的增函數(shù)，在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)與摩擦系數(shù)呈同增減趨勢.

2）擰緊速度對摩擦系數(shù)影響較大，摩擦系數(shù)隨著擰緊速度的增大而減小趨于穩(wěn)定，因此應(yīng)嚴格控制擰緊速度，從而更好的控制動態(tài)擰緊力矩.

3）轉(zhuǎn)矩系數(shù)在整個擰緊過程中并非一成不變的，在屈服之前，轉(zhuǎn)矩系數(shù)在整個擰緊過起著重要作用.

4）緊固件的擰緊過程，摩擦會產(chǎn)生高溫，溫度變化是使摩擦系數(shù)發(fā)生變化的重要因素.

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