螺釘與不同材質(zhì)被聯(lián)接件的擰緊力矩理論分析

區(qū)煥財(cái)

（廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院//廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院，廣東佛山 528000）

0 引言

螺釘聯(lián)接是設(shè)備裝配中應(yīng)用最為廣泛的可拆卸連接之一，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聯(lián)接可靠、裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)，在裝配中舉足輕重[1]。為了增強(qiáng)螺紋聯(lián)接的剛性、可靠性以及防止受橫向載荷螺釘聯(lián)接的松動(dòng)，螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)需要施加合適的擰緊力矩來(lái)預(yù)緊，合適的擰緊力矩對(duì)生產(chǎn)安全、螺釘聯(lián)接件及被聯(lián)接件的壽命都是有益的[2]。

圖1 螺栓擰緊受力圖

1 螺紋擰緊力矩定義

螺釘插入被連接件，利用螺母或內(nèi)螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產(chǎn)生了軸向的拉力，將被夾零件擠壓在一起，稱為預(yù)緊力。螺紋擰緊力矩是指為了達(dá)到預(yù)緊力，螺栓或螺母所需要的力矩。螺栓擰緊時(shí)的受力如圖1所示。

2 螺紋聯(lián)接受力分析

當(dāng)一個(gè)螺紋結(jié)合是在鎖緊的情況下，螺栓頭部和螺紋處的摩擦將影響螺栓預(yù)緊力的大小。一般來(lái)說(shuō)在克服螺栓頭和聯(lián)接件表面摩擦?xí)r相當(dāng)于50%的扭矩被消耗，30%到40%的扭矩?fù)p失是在克服螺紋處的摩擦力，僅剩10%的扭矩有效地作用于夾緊力上，如圖2所示。

圖2 螺紋聯(lián)接受力分析圖

3 擰緊力矩的確定

一般來(lái)說(shuō)，擰緊力矩是通過(guò)擰緊扳手來(lái)施加的，而擰緊扳手力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力T1及螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩T2。

即T=T1+T2=KF0d

其中：d——螺紋公稱直徑，mm；

F0——預(yù)緊力，N；

K——擰緊力矩系數(shù)，無(wú)量綱。

K的取值較為復(fù)雜，根據(jù)螺釘?shù)谋砻嫣幚頎顟B(tài)、潤(rùn)滑條件和支撐面材料，一般在0.1～0.3范圍內(nèi)變動(dòng)，表1為參考值[3-6]。

影響螺紋擰緊力矩的因素主要有摩擦條件、螺釘規(guī)格、螺釘材料和聯(lián)接件材質(zhì)等。摩擦條件、螺釘規(guī)格和螺釘材料決定著螺釘適用的擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)，而聯(lián)接件材質(zhì)決定著聯(lián)接件合適的或所能承受的擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)內(nèi)外螺紋的材質(zhì)相同時(shí)，可以根據(jù)螺釘?shù)牟馁|(zhì)和規(guī)格，直接查閱相關(guān)螺釘扭力推薦標(biāo)準(zhǔn)，如德標(biāo)DIN267，進(jìn)行擰緊裝配。內(nèi)外螺紋材質(zhì)的強(qiáng)度相差較大的螺紋聯(lián)接，還應(yīng)該校核螺紋牙的強(qiáng)度，包括螺紋材料的剪應(yīng)力和彎應(yīng)力，其校核公式如下[7-8]：

其中：Fw——預(yù)緊力F0，N；

由上述公式可以反推出聯(lián)接件的所能承受的最大擰緊力矩，與螺釘扭力推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，為了避免扭力過(guò)大導(dǎo)致零件損壞，選取較小的作為擰緊力矩參考值進(jìn)行裝配。

4 不同聯(lián)接材質(zhì)的擰緊力矩分析

以45#鋼未調(diào)質(zhì)（屈服強(qiáng)度取355）和ZL104（屈服強(qiáng)度取230）作為聯(lián)接件材質(zhì)進(jìn)行分析，按照上述方法進(jìn)行計(jì)算得出聯(lián)接件的極限扭矩如表2、表3所示（此處擰緊力矩系數(shù)K取0.24；螺釘為12.9級(jí)鋼制螺釘；載荷不均勻系數(shù)取0.96；材料安全系數(shù)取2，螺紋旋合長(zhǎng)度取 1.5d）[9-10]：

表2 45#未調(diào)質(zhì)聯(lián)接件擰緊力矩計(jì)算表

表3 ZL104聯(lián)接件擰緊力矩計(jì)算表

由表2可以看出，45#未調(diào)質(zhì)聯(lián)接件的螺紋所能承受的極限力矩大于鋼質(zhì)螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)固定力矩，根據(jù)螺紋鎖緊扭力的選擇原則，應(yīng)該選擇聯(lián)接件螺紋承受的極限力矩與螺釘標(biāo)準(zhǔn)固定力矩兩者中的較小者。因此，當(dāng)聯(lián)接件的材質(zhì)為45#未調(diào)質(zhì)，用12.9級(jí)的鋼質(zhì)螺釘進(jìn)行鎖緊時(shí)，螺紋的鎖緊力矩應(yīng)該選取鋼質(zhì)螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)固定力矩作為參考值。

由表3可以看出，ZL104聯(lián)接件的螺紋所能承受的極限力矩小于鋼質(zhì)螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)固定力矩，根據(jù)螺紋鎖緊扭力的選擇原則，應(yīng)該選擇聯(lián)接件螺紋承受的極限力矩與螺釘標(biāo)準(zhǔn)固定力矩兩者中的較小者。因此，當(dāng)聯(lián)接件的材質(zhì)為ZL104，用12.9級(jí)的鋼質(zhì)螺釘進(jìn)行鎖緊時(shí)，螺紋的鎖緊力矩應(yīng)該選取聯(lián)接件螺紋所能承受的極限力矩作為參考值。

對(duì)于其他材質(zhì)規(guī)格的螺釘及被聯(lián)接件進(jìn)行螺紋鎖緊時(shí)，擰緊力矩的選取如此類推。

5 螺紋擰緊注意事項(xiàng)

在實(shí)際裝配過(guò)程中，最常用的螺栓軸向預(yù)緊力的控制方法是通過(guò)轉(zhuǎn)矩來(lái)間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向預(yù)緊力的控制。對(duì)于要求不高的裝配，通常人工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行力矩的控制，對(duì)于裝配條件有一定要求的，常用手動(dòng)指針式扭力扳手或數(shù)顯式扳手來(lái)完成力矩的控制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，定轉(zhuǎn)矩氣扳機(jī)、電動(dòng)智能擰緊機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越多，在汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、工程機(jī)械等行業(yè)正逐步推廣使用。在實(shí)際的操作過(guò)程中，螺紋擰緊應(yīng)注意以下問(wèn)題。

（1）螺紋有公制和英制之分，緊固螺紋時(shí)應(yīng)注意工具的選用，不同規(guī)格的螺釘頭應(yīng)選用相應(yīng)規(guī)格的扳手。

（2）安裝螺釘時(shí)，注意螺釘頭與貼合的表面之間應(yīng)保持光潔、平整，螺孔內(nèi)的異物、油脂等應(yīng)清理干凈。

（3）螺釘成組裝配時(shí)，應(yīng)根據(jù)被聯(lián)接件的形狀和螺釘?shù)姆植记闆r合理地分幾次進(jìn)行擰緊（一般為2～3次）。長(zhǎng)方形布列的成組螺釘，擰緊時(shí)應(yīng)該從中間開始，逐漸向兩邊對(duì)稱地?cái)U(kuò)展，圓形或方形布列的成組螺釘，應(yīng)對(duì)稱擰緊。

（4）聯(lián)接件在工作中有震動(dòng)或沖擊時(shí)，必須有可靠的防松裝置，且要注意控制好同一結(jié)構(gòu)中各個(gè)部位的力矩一致性。

（5）在螺釘擰緊的過(guò)程中，為了避免出現(xiàn)漏緊的問(wèn)題，建議在螺釘擰緊到規(guī)定要求后，在相關(guān)的部位做標(biāo)記，以確保不會(huì)出現(xiàn)漏緊或隨意變動(dòng)的問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)螺釘?shù)臄Q緊力矩選擇原則進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)，意在為目前尚無(wú)統(tǒng)一螺釘擰緊力矩選取標(biāo)準(zhǔn)的裝配行業(yè)提供一個(gè)較為可靠的參考標(biāo)準(zhǔn)。但本文提供的數(shù)據(jù)僅限于普通螺釘?shù)某Ｒ?guī)緊固連接，特殊連接的預(yù)緊力計(jì)算和擰緊力矩的選擇標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步研究和探討。