螺紋緊固件扭矩系數影響因素分析

尚紅旗

摘 ?要：螺紋緊固件廣泛應用于機械和建筑等行業，并對機械行業和建筑行業的發展起著重要作用。文章主要研究螺紋緊固件扭矩系數的影響因素，并加以簡單的分析。

關鍵詞：扭矩;摩擦系數;扭矩系數;轉角

螺紋緊固件廣泛應用于機械和建筑等行業，螺紋緊固件安裝有三種安裝方法，扭矩法，扭矩轉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，且容易監測和控制而被廣泛使用。但不同批次的螺栓螺母安裝，扭矩系數差別較大，而同批次的螺栓螺母扭矩系數也會出現波動。因此，穩定的扭矩系數，并施加穩定的緊固力矩才能得到穩定的預緊力。文章主要討論影響扭矩系數所涉及到的因素，并進行簡要分析。

首先力矩法安裝的計算公式：

T=K*F*D

扭矩系數K是力矩T和預緊力F的一個綜合系數，扭矩系數K決定了在擰緊過程中，扭矩轉化為軸向力的一個比例。如果扭矩T不變，K越大，轉化為夾緊力F的比例就會越小，反之，K越小，扭矩轉化為夾緊力F的比例就會越大。

扭矩系數計算公式

K=（+μSd2secα'+μwDW）

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

從公式中可以看出，扭矩系數K由一些螺紋常數和摩擦系數來決定的，對于具體的螺紋連接副來說，螺紋摩擦系數和端面摩擦系數是需要通過試驗測量得到的。而影響摩擦系數的因素有很多，下面我們就來一一進行分析。

影響扭矩系數的因素：

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，但不同金屬接觸產生的摩擦系數不同。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生粘著現象，使摩擦系數增大;不同金屬或互溶性小的金屬摩擦系數較低。

材料的硬度和剛度，硬度和剛度高的材料之間，摩擦系數偏小，且不易發生粘著現象;反之硬度和剛度低的材料，摩擦系數偏大，容易發生粘著現象。

2 螺紋加工精度、牙側粗糙度、支撐面的大小和粗糙度

螺紋的加工精度、牙側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，加工精度越高，表面越光潔，摩擦系數越小;和墊圈配合使用的則看墊圈的表面狀態。

支撐面摩擦面積的大小雖然不會影響到支撐面摩擦系數，但擰緊過程中，支撐面摩擦面積越大，在擰緊過程中產生的摩擦力就會越大，會加大扭矩系數的值。

3 表面處理

表面處理對扭矩系數的影響很大，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，現在應用廣泛的表面處理整體可以分為兩大類，一類是干態，一類是濕態。干態指的是表面無潤滑的干燥狀態，如鍍鋅、發黑發藍處理;濕態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，作者做了一個試驗，對鍍鋅和磷化的扭矩系數進行了檢測，發現鍍鋅處理的扭矩系數均值為0.252，標準偏差為0.033，磷化處理的扭矩系數均值為0.169，標準差為0.010。磷化狀態的螺栓螺母扭矩系數相對于鍍鋅的扭矩系數較小，標準差也小。

由上面數據可以看出，磷化狀態的螺栓螺母扭矩系數相對于鍍鋅的扭矩系數較小，標準差也小。磷化狀態的扭矩系數一致性較好。

總之，表面處理對扭矩系數的影響是明顯的，不同的表面處理的螺紋連接副之間摩擦系數是不同的，在實際使用過程中，要根據不同的表面處理試驗得出扭矩系數，才能加載適當的力矩從而達到預期的夾緊力。

4 表面介質的影響

我們將擰緊狀態分為正常狀態、加機油和加蠟三種狀態來分析表面介質對扭矩系數的影響情況。作者做過一個實驗，在其他條件一樣的情況下，對三種狀態的摩擦系數進行了測定。

正常狀態下螺栓摩擦系數為0.11，加機油狀態下螺栓摩擦系數為0.09，加蠟狀態下螺栓的摩擦系數為0.06。

可見在不同的介質下，摩擦系數發生了改變，施加同樣的力矩，得到的預緊力是完全不同的。

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，起到降低和穩定摩擦系數的作用。

5 溫度的影響

溫度對扭矩系數也會產生較大影響，這里指的是環境的溫度，隨著地域和氣候的差異，測試出來的扭矩系數是會不同的，因此，在溫度差別較大的地方，要重新檢測螺紋的摩擦系數，根據實際檢測情況確定安裝扭矩。

隨著溫度的升高，扭矩系數會有下降的趨勢;而溫度降低，扭矩系數會有所上升。

6 擰緊速度的影響

擰緊過程中，螺紋連接副和支撐面會產生摩擦，致使接觸面磨損，改變摩擦面的溫度。擰緊速度較低時，摩擦面的磨損主要是輕微塑性變形和犁溝，此時接觸表面的溫度較低，在擰緊時接觸表面容易粘著，摩擦系數較大;擰緊速度較高時，摩擦接觸面產生強烈磨損，接觸面因大量的摩擦熱使的表層產生分子熱運動，以及氧化膜的生成致使表面的接觸狀況發生了改變，擰緊速度越高，摩擦接觸面的溫度就會越高，接觸面金屬的變形將更容易，達到穩定且相對較低的一個摩擦系數。

另外還有沖擊施擰對扭矩系數的影響，由于人工施加力矩時不是勻速施加，或多或少有沖擊施擰的情況。而靜摩擦系數比動摩擦系數要大，當沖擊施擰和勻速擰緊達到的力矩一樣時，沖擊施擰得到的夾緊力會有回落，實際的夾緊力會相對小一些，測出的扭矩系數也要偏小一些。

7 重復裝配對摩擦系數的影響

現在汽車行業中，合資品牌的大眾、通用等對重復裝配的摩擦系數的變化也提出了要求，例如第一次裝配時摩擦系數為0.08～0.15，那么重復五到六次裝配后，摩擦系數要求在0.09～0.16之間。這就對螺紋擰緊提出了更高的要求。

重復裝配主要是看表面處理的附著力和穩定性，重復裝配過程中，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下降，螺紋摩擦系數和支撐面摩擦系數會加大，總的扭矩系數就會加大，在相同的力矩下，夾緊力會變小，產生欠擰的風險。

我們舉例來說明下重復裝配的情況。作者曾經對鍍鋅和磷皂化的螺紋連接副做了一組實驗，在扭矩試驗機上分別對鍍鋅和磷皂化的螺栓螺母進行重復裝配試驗，并測定扭矩系數，發現鍍鋅在第一次裝配時，扭矩系數為0.23，重復裝配了五次以后，扭矩系數明顯增大到了0.3左右，拆下來后鍍層表面會出現脫落;磷皂化的螺栓螺母在第一次裝配時扭矩系數為0.15，重復裝配了十五次后，扭矩系數仍在0.17左右。可見不同表面處理的重復使用時摩擦系數存在差別。這只是在新造狀態下的一個對比測試，實際應用時表面處理隨著時間、溫度、環境等因素的影響，會發生變化。

除了上面提到的一些因素外，外螺紋由于在搬運過程中產生的牙紋碰傷、螺紋內夾雜雜質等，也會影響安裝時的扭矩系數。

綜上所述，在螺紋緊固件的裝配過程中，扭矩系數的影響因素有很多，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、擰緊速度及溫度等。在實際應用中，通過改善這些影響條件，提高摩擦系數的一致性，就能很好地提高螺紋緊固件的裝配質量。