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摩擦系数对螺栓装配质量影响的探讨

来源: 上海百若试验仪器有限公司 日期:2017年11月01日  点击数:载入中...

0.前言

螺纹联接是目前应用最为广泛的联接方式之一,尤其是在汽车制造业中,其联接质量直接影响着汽车装配质量及可靠性。要提高螺纹联接件的疲劳寿命、联接可靠性及联接质量,关键在于合理的控制预紧力的大小。从目前的装配工艺来看,最经济可行的方法是通过控制扭矩来实现对轴向夹紧力的控制;预紧力的大小是保证联接质量的重要因素。实际上,螺栓拧紧的过程是一个克服摩擦的过程,在这一过程中存在端面摩擦和螺纹副的摩擦。

 

本文针对摩擦系数对螺纹联接的影响进行一定的理论分析,定性的得出摩擦系数对装配质量的影响,并结合一定的试验研究及案例分析,定量的确定摩擦系数对装配质量的影响程度,从而更好的去控制预紧力,提高螺栓连接的可靠性。

 

1.摩擦性能及理论分析

1.1螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩分配

螺栓拧紧是克服螺纹副摩擦和端面摩擦的过程,通常情况下装配时的拧紧扭矩约90%都被螺纹摩擦副和端面摩擦副消耗掉了,只有约10%转化为螺栓轴向夹紧力(见图1)。

理论上,拧紧过程拧紧扭矩T,螺栓轴向力F与摩擦系数及螺纹规格之间有(1)式关系:

(1)



           (2)

其中d0—螺纹公称直径,mm

     Fv—预紧力,N

     K—扭矩系数

     T—拧紧力矩,N·mm

     ϕ—螺纹螺旋角

     ρv—螺纹摩擦角

     α—螺纹侧面角

     d2螺纹中径,mm

     Dw螺栓头或螺母支撑面有效直径,mm

 

从式(2)右侧三项可以分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长(产生轴向力)消耗的扭矩及端面摩擦消耗的扭矩。假定μs=μw=0.15,计算可得粗牙、细牙螺栓在拧紧过程中所消耗的扭矩(见表1)。

考虑到摩擦条件(摩擦系数、规格)的不同,螺栓在拧紧过程中扭矩消耗的比例也会不同,例如,有衬垫的或异形螺纹紧固件在拧紧过程中还要消耗一部分自锁扭矩。采用自主开发的NZA-1000型多功能紧固分析装置,对某10.9级普通粗牙螺栓(μs=0.11,μw=0.15)配合普通螺母和具有自锁功能的异形螺母进行拧紧试验,扭矩消耗比例见表2。

1.2摩擦系数对装配过程的影响的理论分析

我们知道,由于受到装配位置、装配工具等多种因素的影响,在生产线上直接控制预紧力来装配螺栓联接是很难实现的,所以只能通过控制和预紧力相关的其他参数(如扭矩、螺栓头或螺母转角、螺栓伸长量等)来间接控制预紧力。而目前常用的装配工艺有以下几种:扭矩法、扭矩-转角控制法、屈服点控制法和螺栓长度法;最常用的是“扭矩法”和“扭矩-转角控制法”,而这两种拧紧方式均会受到摩擦系数的影响,从而影响螺栓紧固时的预紧力。

1.2.1 扭矩装配法

使用扭矩装配法时,达到规定扭矩就停止,只对某一确定的紧固力矩进行分析,操作简单,复检也容易。但经过大量的试验和实践经验发现,在实际拧紧过程中受摩擦系数等影响,仅仅5%~10%的扭矩转换成了预紧力。倘若支撑面摩擦系数降低20%,那么支撑面摩擦消耗的扭矩降为40%,轴向预紧力将提高20%。由此可见,扭矩装配法受螺栓摩擦系数的影响之大。

2 扭矩装配法

 

1.2.2 扭矩-转角控制装配法

在拧紧螺栓时,先设定扭矩将螺栓拧紧,然后再将螺栓旋转至一个规定的角度,利用螺栓的弹性变形来确保联接力达到规定的要求。该方法可分为弹性区域拧紧法和塑形区域法。

该方法能够准确的控制预紧力,螺栓材料完全被利用,仅与螺纹副摩擦及螺栓屈服强度有关,设定的扭矩值常取所需拧紧扭矩值的25%左右。虽然螺纹的摩擦系数对达到较小的扭矩产生的“阶段预紧力”有一定的影响,但影响较小,而螺纹的摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力没有影响,因为在弹性区或塑性区,如果弹性模量恒定,预紧力仅与螺栓伸长量有关,而伸长量与螺栓旋转角度成正比。

3 扭矩-转角控制装配法

 通过以上分析可知,扭矩系数K是拧紧扭矩转化成预紧力的中间系数,其大小直接影响预紧力的大小,而K值是由螺纹常数和摩擦系数共同决定的,由式(1)(2)不难看出,当螺纹常数一定的情况下,摩擦系数的平均偏差大,就会导致预紧力产生大的波动;倘若摩擦系数太低,拧紧扭矩转换成夹紧力比例就大,导致预紧力过大,造成螺栓的损伤;反之,大部分拧紧扭矩就会用于克服摩擦,导致达不到所需要的螺栓夹紧力。因此,为更好的控制轴向预紧力,保证装配质量,就要严格控制螺栓的摩擦系数。

 

2.摩擦系数对装配质量影响的试验及结果分析

2.1摩擦系数对扭矩系数稳定性的影响

通过理论分析可知摩擦系数是影响扭矩系数稳定性的主要因素之一;但扭矩系数是一个经验值,影响因素较多,即使同一批螺栓摩擦系数恒定,扭矩系数也不可避免的出现散差。是否要对摩擦系数进行控制,控制到何种程度才能保证扭矩系数的稳定,需要通过试验进一步探索。

 

采用NZA-1000型多功能紧固分析系统(见图4)进行试验,以探究摩擦系数对扭矩系数稳定性的影响。该系统能够测量出螺栓的极限强度、螺栓拧紧过程中的夹紧力、螺纹副上的扭矩等,严格按照GB/T 16823.3-2010实施。


4 NZA-1000型多功能螺栓紧固分析系统

试验对象为控制摩擦系数在0.13±0.03范围的镀锌螺栓和未控制摩擦系数的镀锌螺栓;通过紧固件拧紧试验分析两种螺栓扭矩系数的散差。试验螺栓均为六角头螺栓(M10×1.25×60,10.9级),螺母为六角法兰面螺母(M10×1.25,10级)。试验过程中的配合为6H/6g;垫板厚度为3mm,表面粗糙度3.2μm,棱边倒钝。

每组螺栓按不同的联接部位进行50次实验,通过软件进行数据记录和分析,并进行正态分布拟合(见图5(a)(b)),并计算两种螺栓的扭矩系数和强度极限的均值、标准值和变异系数(见表3),并将扭矩系数和极限强度制成分布盒图(见图6(a)(b))。

5 (a)扭矩系数正态分布曲线 (b)强度极限正态分布曲线

6 (a)扭矩系数分布盒图 (b)强度极限分布盒图

图5(a)和图6(a)可以看出控制摩擦系数后扭矩系数的正态分布更为集中,未控制摩擦系数的螺栓扭矩系数则分散。从表3可以知道,控制前扭矩系数大多分布在0.43左右,控制后则分布在0.23左右,扭矩系数显著减小(降幅达46.5%);标准差和变异系数反映了扭矩系数的散差,控制后扭矩系数的标准差和变异系数分别降低了60.7%和27.2%;说明摩擦系数散差对扭矩系数散差的影响大,控制摩擦系数有利于控制扭矩系数的稳定性。

而图5(b)和图6(b)可以看出控制摩擦系数后的极限强度的正态分布更为集中;控制后的极限强度较控制前高出59.7%;表6显示控制摩擦系数后,极限强度的标准差和变异系数分别降低了34.5%和59.0%。

 

综上可得,控制摩擦系数可以显著提高螺栓联接性能的稳定性。

 

2.2 摩擦系数对螺栓防松性能的影响

横向振动相对与轴向振动更容易导致产生螺纹联接的松动,直接测量工作过程中螺栓摩擦系数的动态变化难度很大,可通过测试预紧力的衰减,衡量不同摩擦系数的螺栓的防松性能。

参考武汉理工大学摩擦学研究所的试验方法,采用FPL-600型横向振动试验机(见图7,夹紧力误差±1%,横向位移测量误差±1%),按照GB/T 10431-2008的要求,连续记录螺栓预紧力的变化,来分析摩擦系数对螺栓联接防松性能的影响。

7 FPL-600型防松试验台

4种不同摩擦系数的六角头法兰面螺栓,表面处理方式分别为Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系数为0.25)、Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系数为0.15)、Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系数0.20)、达克罗;与之相配合(6H/6g)的螺母表面处理方式相同,每组10颗,计算均值,振动30、60、90、120次后记录轴向力,试验结果见表4和图8。


8 不同摩擦系数的螺栓横向振动过程中的残余夹紧力

试验结果表明,摩擦系数对于螺栓的防松性能影响大,摩擦系数越小越不利于防松。但是,为保证螺栓联接的装配质量,摩擦系数的要进行综合的考量。

 

3.摩擦系数对装配质量影响的案例

为保证螺栓联接装配质量需要严格控制螺栓的摩擦系数,因此摩擦系数试验显得尤为重要,以下是国内某螺栓生产厂家通过摩擦系数试验来解决实际工程问题的案例。该公司为某主机厂提供六角头与平垫圈组合螺栓(见图9,材料为SCM435,强度等级为11T),装配路试过程中产生异响,采用轴力仪(摩擦系数试验机)测试测试其工艺改进前后的摩擦系数见表5。



:1.原状态是指平垫和螺栓六角支撑面未做任何处理,其他三种状态均增加了内孔倒角、六角支撑面倒角去毛刺。

 

从上表数据对比发现:1)产品改进前后的试验数据有明显变化,特别表现在轴向预紧力、总摩擦系数和端面摩擦系数;2)产品改进前后各项实验数据与CKD件比较一致,垫片单面磨并涂0.11摩擦系数稳定剂的一组最为接近;3)实际摩擦系数受产品表面状况和摩擦系数稳定剂综合影响,但产品表面状况起决定性作用;4)造成产品装配后产生异响的主要原因是螺栓在90Nm的扭矩装配下,产生轴向预紧力不足。而在相同装配扭矩下,影响轴向预紧力的主因是产品摩擦系数的差异。

综上,需减小产品的摩擦系数以便增加轴向预紧力,为此可采用一下措施:1)对已生产的未组合垫片的半成品增加垫片单面磨(拟改态2);2)后续修整模具(拟改态3)。

其中表3是按照主机厂要求(垫片冲压成形、单面倒角、定向床垫)改进后螺栓产品的试验数据,从而达到了技术指标。

6 改进后的摩擦系数试验数据

项目

摩擦系数稳定剂

轴向力/kN

μtot

μs

μw

模具改进后状态

1

0.09

64.55

0.09

0.11

0.07

2

0.11

75.95

0.07

0.09

0.05

3

0.11

64.36

0.09

0.11

0.07

产品改进前摩擦系数较大,相同装配扭矩下轴向预紧力相对较小,导致螺栓松脱产生异响;改进模具和加工工艺(内孔单面倒角、定向穿垫)后,产品的摩擦系数降低了,相同的装配扭矩下轴向预紧力增大至所要求的值。装配路试后,发现该改进措施是有效的,螺栓不再松脱产生异响。

 

4.结论

1)通过理论分析,定性的分析了摩擦系数的不同造成扭矩转化成预紧力的不同,从而发现摩擦系数是影响装配质量的关键因素之一;

2) 通过试验分析,定量的得出摩擦系数很大程度上影响了螺栓的联接效能;

3)通过案例分析和试验分析,得出在有效范围内,摩擦系数与螺栓联接的可靠性成反比关系;螺纹紧固件的选用和设计务必要坚持可靠性理论原则,才能够充分发挥紧固件的效能,提高装配质量。

 


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