影響螺栓預(yù)緊力因素的工藝研究

楊 華，張中元，王 龍，聶帥強(qiáng)

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西長治 046012）

0 引言

螺栓螺釘作為緊固件的重要組成部分，其螺紋連接質(zhì)量可靠程度對機(jī)械整體質(zhì)量具有重要的影響[1]。有資料統(tǒng)計(jì)表明，我國汽車整車及發(fā)動機(jī)等大總成的裝配質(zhì)量、路試無障礙里程、平均緊固件缺陷間隔里程等指標(biāo)較之國外類似產(chǎn)品尚有較大的差距[2]。但是實(shí)際工作中，對于螺紋連接質(zhì)量的檢測即對軸向預(yù)緊力的測量，由于工藝復(fù)雜，多數(shù)利用力矩扳手對擰緊力矩測量來間接檢測軸向預(yù)緊力，因此擰緊力矩的測量為間接檢測軸向預(yù)緊力，擰緊力矩與軸向預(yù)緊力的關(guān)系直接影響螺紋連接質(zhì)量[3]。

1 理想預(yù)緊力

預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。事實(shí)上，大量的試驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)證明：較高的預(yù)緊力對連接的可靠性和被連接的壽命都是有益的，特別對有密封要求的連接更為必要。當(dāng)然“物極必反”，過高的預(yù)緊力，如若控制不當(dāng)或者偶然過載，也常會導(dǎo)致連接的失效。因此，準(zhǔn)確確定螺栓的預(yù)緊力是非常重要的。

螺紋連接質(zhì)量可靠性的實(shí)質(zhì)是要將軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。以碳素鋼螺栓為例，預(yù)緊力大小為：

F′=0.65σsAs≈0.65Fp

式中：σs為螺栓材料的屈服應(yīng)力；As螺栓公稱應(yīng)力截面積；Fp為螺栓的保證載荷。

擰緊后的預(yù)緊力不得大于其材料屈服點(diǎn)σs的80%。

1.1 擰緊力矩選擇

一般在選用的擰緊力矩時(shí)，最先想到的是查找標(biāo)準(zhǔn)，選擇對應(yīng)的擰緊力矩，擰緊力矩對照表都是按照螺螺紋的性能等級、螺紋直徑等參數(shù)來選擇，但實(shí)際情況是，選用依據(jù)不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇出來的擰緊力矩大小是不一樣的。

擰緊力矩選擇依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種。

（1）依據(jù)JB/T5000.10-2007（重型機(jī)械通用技術(shù)條件第10部分：裝配）標(biāo)準(zhǔn)選擇T1=61 N·m，該結(jié)果獲得的條件為摩擦因數(shù)0.125，且涂抹潤滑劑，轉(zhuǎn)換為無潤滑劑時(shí)的擰緊力矩為：

T1′=61 × 1.33=81.33(N·m)

（2）依據(jù)JB/T5945-1991（重型機(jī)械通用技術(shù)條件第10部分：裝配）標(biāo)準(zhǔn)選擇T2=78～104 N·m。

（3）依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊P6-71經(jīng)驗(yàn)公式如下：

T=KFd

式中：T為擰緊力矩；K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑；F為預(yù)緊力。

以8.8級GB/T5783M12螺栓為例，使用條件為一般加工表面，裝配時(shí)無潤滑劑，取理想預(yù)緊力：

F′=0.65Fp

即F=31 785 N，K=0.195（依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊），d=12 mm。則：

T3=0.195×31 785×12/1 000=74.376(N·m)

（4）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T518-2007（汽車用螺紋緊固件緊固力矩） 選擇T4=70 N·m。該結(jié)果獲得的條件為預(yù)緊力F=35 000 N。

通過以上4種方法可以發(fā)現(xiàn)，8.8級M12螺栓擰緊力距范圍為61～104 N·m，變化范圍太大[4]，使用具體條件不明確，選擇起來比較困難。

1.2 擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系

通過擰緊力矩控制預(yù)緊力時(shí)，擰緊力與螺栓預(yù)緊力呈線性關(guān)系在，控制了擰緊力矩的大小，就可以通過實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算的方法得到預(yù)緊力值。但在實(shí)際中，由于受摩擦因數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的擰緊力矩下，預(yù)緊力變化比較大，所以通過擰緊力矩來控制螺栓預(yù)緊力的精度不高，存在較大的誤差，最大可達(dá)±40%。

根據(jù)螺栓的緊固原理，擰緊力距與軸向預(yù)緊力真正關(guān)系為：

式中：F為預(yù)緊力；?為螺紋升角；μv為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)；d2為螺紋中徑；μ為螺栓頭與被連接件支撐面的摩擦因數(shù)；DW為螺栓頭部內(nèi)切圓直徑；d0為螺栓連接孔直徑。摩擦因數(shù)和螺栓頭與被連接件支撐面的摩擦因數(shù)與預(yù)緊力成反比的關(guān)系[5]。

同樣以8.8級GB/T5786 M12d的螺栓為例，選定擰緊力矩T=70 N·m時(shí)，螺栓表面達(dá)克羅處理，摩擦因數(shù)μv為0.06～0.12；螺栓被連接件結(jié)合面為干燥加工面，μ=0.1～0.16，μv=0.06～0.16，T=70 N·m。選定螺栓后，?、d2、DW、d0即成為已知變量，假設(shè)擰緊力矩不變，可知F整體高于理想預(yù)緊力，甚至局部大于保證載荷Fp，且F變化幅度較大，F(xiàn)=32～50.4 kN，F(xiàn)/F′=1.01～1.59，F(xiàn)/Fp=0.65～1.03（圖1）。

圖1 F-μ、 μv變化圖（T=70 N·m）

令F′=31 785 N，μv=0.09，μ=0.13，依據(jù)公式計(jì)算可知T=56.8 N·m；計(jì)算各種摩擦因數(shù)下實(shí)際預(yù)緊力F變化范圍仍比較大（圖2）。

圖2 F-μ、 μv變化圖（T=56.8 N·m）

從以上分析可以看出，擰緊力矩T已知時(shí)，隨著摩擦因數(shù)的變化，F(xiàn)變化范圍過大，即T-F對應(yīng)一致性差。簡單參照標(biāo)準(zhǔn)選擇擰緊力矩，可能導(dǎo)致螺栓失效或預(yù)緊力F過小，防松效果差。為將預(yù)緊力F控制在合理范圍內(nèi)，關(guān)鍵在于選擇符合實(shí)際的摩擦因數(shù)和降低摩擦因數(shù)的離散度。

1.3 實(shí)際摩擦因數(shù)的選擇

摩擦因數(shù)除與材質(zhì)、螺紋精度有關(guān)外，還應(yīng)考慮以下幾方面的因素。

（1）表面粗糙度

粗糙度越大，摩擦因數(shù)越大，但是它們之間沒有具體的關(guān)系表達(dá)式。同時(shí)加工表面粗糙程度既可光滑如鏡面，也可肉眼可見。表面越粗糙，摩擦因數(shù)越大，反之會越小[6]。

（2）螺紋孔的機(jī)加方式

冷卻液的作用是提高加工精度、減少刀具磨損，同時(shí)具有防銹、防霧、潤滑功能[7]，目前國內(nèi)使用的冷卻液主要有完全水溶性、乳化性、油基型，其殘留對摩擦因數(shù)均有影響。

（3）防銹油

部件機(jī)加完成后，為防止金屬被大氣腐蝕，有時(shí)會在機(jī)加表面涂抹防銹油，螺紋裝配前若不清洗或清洗不凈，螺紋摩擦因數(shù)與支撐面間摩擦因數(shù)均會減小[8]。

（4）其余涂覆物

螺紋等緊固件的裝配一般是在連接表面處理完成進(jìn)行。表面處理的殘余物如油漆、磷酸鹽、油脂等，均會對摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響。

1.4 降低摩擦因數(shù)的離散度

降低摩擦因數(shù)的離散度除提高螺紋精度外，還要采取以下措施：

（1）選擇螺栓、支撐面表面處理方式時(shí)，在考慮價(jià)格因素的同時(shí)，應(yīng)考慮其緊固性能，涂覆層厚度應(yīng)一致，摩擦因數(shù)低且變化范圍窄；

（2）加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，取得摩擦因數(shù)的精確范圍及適用條件；

（3）完善裝配工藝，裝配前應(yīng)清洗干凈結(jié)合處的殘留冷卻液、防銹油、油漆等，然后在結(jié)合處重新涂抹潤滑油，減小摩擦因數(shù)離散程度。

2 結(jié)束語

本文通過4種螺紋擰緊力矩的選擇，分析擰緊力矩T與預(yù)緊力F的關(guān)系，指出T-F對應(yīng)一致性差的原因，提出了螺紋預(yù)緊力矩根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的選擇方法，將預(yù)緊力F控制在合理范圍的關(guān)鍵在于選擇符合實(shí)際的摩擦因數(shù)和降低摩擦因數(shù)的離散度，為以后螺栓擰緊力矩的實(shí)際選擇提供了理論依據(jù)。