緊固件摩擦系數(shù)的重要性

緊固件摩擦系數(shù)的重要性是目前大家都比較關(guān)注的,，摩擦系數(shù)的大小和散差會嚴(yán)重影響緊固件的擰緊后預(yù)緊力。

同樣的擰緊扭矩擰緊后,，不同的摩擦系數(shù)范圍,，會得到差別非常大的預(yù)緊力。

大家都比較熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原則,，也就是說摩擦系數(shù)變化小,，但是預(yù)緊力會變化非常大。

因為螺栓頭支撐面和螺紋副的扭矩占比非常大,，即使很小的摩擦系數(shù)變化,，對螺栓頭支撐面和螺紋副扭矩影響看似不是非常大，但是會影響產(chǎn)生預(yù)緊力的扭矩占比,，可能產(chǎn)生預(yù)緊力的占比因為摩擦系數(shù)的變化,，產(chǎn)生了5%的增減，*終就會較大的影響預(yù)緊力的占比,。

既然摩擦系數(shù)對于螺栓連接是這么重要,，那么，摩擦系數(shù)跟哪些因素有關(guān)系呢,？

我們從以前物理學(xué)等了解到摩擦系數(shù)跟接觸面積等沒有關(guān)系,，但是，在實際工作過程中又隱隱約約感覺到摩擦系數(shù)好像跟接觸面積還是有一定關(guān)系,，到底實際情況是怎么樣呢,？

我們通過前人的理論研究，并通過試驗來確定,。

螺栓扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性,，對于預(yù)緊力控制和連接點的可靠性至關(guān)重要。

螺栓扭矩系數(shù)由摩擦因數(shù)和螺紋尺寸參數(shù)共同決定,，對于特定的螺紋聯(lián)接副而言,，螺栓的螺紋常數(shù)是固定的，當(dāng)摩擦因數(shù)確定之后,，扭矩系數(shù)也就**確定了,。

對于螺紋尺寸參數(shù)對扭矩的影響有大量研究成果，而且螺紋尺寸參數(shù)對于扭矩系數(shù)的影響是規(guī)律性的,，但是對于摩擦因數(shù)影響的關(guān)鍵因素卻鮮有研究,。

本文，從理論上找出了可能影響電鍍鋅螺栓摩擦因數(shù)的因素,，然后通過螺栓的擰緊實驗對這些關(guān)鍵因素進行了實驗研究,；找出了影響螺栓摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素,；*后根據(jù)影響因素對摩擦因數(shù)影響的顯著性程度，選擇性地對這些關(guān)鍵因素進行了控制,，有效控制了摩擦因數(shù)的散差,。

01 影響摩擦因數(shù)的因素分析

前人經(jīng)過系統(tǒng)的實驗研究，建立了較完整的黏著摩擦理論,，對于摩擦磨損研究具有重要的意義,。黏著摩擦理論認(rèn)為整個摩擦分為3個過程：

① 摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)，實際接觸面都是以接觸峰點的形式存在,，接觸點應(yīng)力達到屈服極限就會產(chǎn)生塑性形變,，接觸點就只能依靠增加接觸面來承受繼續(xù)增加的載荷。

② 接觸點摩擦過程中還可能產(chǎn)生瞬時高溫,，接觸點會產(chǎn)生黏著,，在隨后摩擦的剪切力作用下，黏著點會被剪切產(chǎn)生滑動,。

③ 摩擦力是黏著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和,，接觸面中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，接觸面分兩部分組成：

· 發(fā)生黏著效應(yīng)的面積,，滑動發(fā)生剪切；

· 犁溝效應(yīng)作用的面積,，滑動時硬峰推擠軟材料,。

金屬黏著摩擦理論中，摩擦系數(shù)f的計算公式如下:

式中：

F為接觸面的剪切力,；

W為接觸面的正壓力,；

A為摩擦面實際接觸面積；

τ_b為剪切強度極限,；

S為粗糙峰在垂直面上的投影面積,；

σ_s為屈服強度極限。

從以上摩擦過程分析可知,，微觀上摩擦跟接觸面積是存在一定的關(guān)系,，這與我們實際生活中的感覺有點接近。

例如,，我們穿著一個帶凸點的鞋子,，如果突然某個時候，只有很小的一個凸點著地,，這時候會一下子感覺被晃了一下,，感覺這時候的摩擦力非常低。不知道大家是否也有這種感覺,？

螺栓在擰緊過程中,，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,，螺栓擰緊轉(zhuǎn)速的不同會導(dǎo)致摩擦面的溫度的變化,。

支撐面硬度、螺栓強度等級會影響接觸點的屈服強度和剪切強度,。

螺栓表面膜的摩擦副滑動時,黏著點的剪切發(fā)生在膜內(nèi),其剪切強度會改變,，又由于表面膜很薄，實際接觸面積由基體材料的屈服極限決定,。

所以擰緊速度,、螺栓強度等級、鍍層厚度,、鈍化層,、支撐面硬度可能會改變螺栓的摩擦因數(shù)。

02  影響螺栓摩擦因數(shù)關(guān)鍵因素的實驗研究

實驗采用德國先進的多功能螺栓緊固分析系統(tǒng),，擰緊機自帶一個測定總扭矩T_f的扭矩傳感器,，同時在螺紋裝配夾具內(nèi)安裝了測定螺紋扭矩T_s的傳感器和測定夾緊力F的力傳感器。

端面摩擦扭矩：T_w=T_f-T_s

根據(jù)緊固扭矩與夾緊力的比值,，總摩擦因數(shù)μ_tot,，螺紋摩擦因數(shù)μ_s，支撐面的摩擦因數(shù)μ_w用如下公式計算確定：

擰緊速度對螺栓摩擦因數(shù)的影響是必然的,，前人也進行了大量的研究,，本文中不作為研究對象。

以螺栓強度等級,、鍍層厚度,、鈍化層、支撐面硬度為研究對象進行實驗,，實驗螺栓統(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6H/6g配合,。墊塊板厚為3 mm，機械加工后表面粗糙度為3.2 μm,，銳角倒鈍,。

對不同螺栓強度等級、鍍層厚度,、鈍化層,、支撐面硬度的螺栓進行擰緊實驗，螺栓的扭矩系數(shù)分布如下表。

將扭矩系數(shù)實驗數(shù)據(jù)制成分圖,。

不同轉(zhuǎn)速螺栓扭矩系數(shù)分布圖

不同強度等級螺栓扭矩系數(shù)分布圖

不同硬度墊塊的扭矩系數(shù)分布圖

不同表面處理螺栓扭矩系數(shù)分布圖

在實際中,，許多問題都涉及多個因素的作用，但是這些因素對所考察的指標(biāo)影響“是否大”的主要方法是方差分析法,。

它的實質(zhì)是通過分析數(shù)據(jù)的誤差來源,，進而檢驗多個總體的均值是否相同，把實驗數(shù)據(jù)的波動分解為由研究對象的變差和隨機因素引起的波動,，通過分析比較這些變差來推斷這些因素對所考察指標(biāo)的影響是否顯著,。

利用MATLAB的ANOVA1函數(shù)可以進行各影響因素的F檢驗。

將螺栓摩擦因數(shù)的實驗數(shù)據(jù)進行ANOVA1函數(shù)求解,，得到計算結(jié)果下表所示,。

從計算結(jié)果可以看出螺栓強度、鍍層厚度和鈍化層對螺栓摩擦因數(shù)影響很大,，但是支撐面硬度對螺栓摩擦因數(shù)影響不大,，不同支撐面硬度進行擰緊實驗，摩擦因數(shù)均值有24.9%的概率是相等的,。

在緊固實驗過程中,，發(fā)現(xiàn)D級鈍化層螺栓屈服緊固軸向力要遠大于C級鈍化層，D級鈍化層螺栓與C級鈍化層緊固屈服軸向力實驗數(shù)據(jù)均值對比如圖所示,。

擰緊過程是一個拉扭復(fù)合受力的過程,，螺栓所受拉應(yīng)力由轉(zhuǎn)化的緊固軸向力產(chǎn)生，所受扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力由螺紋間和支撐面的摩擦扭矩產(chǎn)生,。

D級鈍化層的螺栓由于表層有一層較軟的薄膜層,，可以起到薄膜潤滑的作用，所以摩擦因數(shù)小,，對螺栓產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力相應(yīng)小很多，扭矩更多地轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力,。

03影響摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素的控制

從上表的計算數(shù)據(jù)可以看出,，螺栓強度等級、鍍層厚度,、鉻酸鹽處理,、支撐面硬度對摩擦因數(shù)的影響程度是不同的，鈍化層處理對螺栓摩擦因數(shù)影響*大,，支撐面的硬度對摩擦因數(shù)的影響*小,。

對支撐面的硬度控制是非常困難的，*終對于摩擦因數(shù)控制的貢獻也不大,，是沒有意義的,，對摩擦因數(shù)的控制要抓住重點。

不同場合需要不同特性的螺栓,，對于不同強度等級,，不同鈍化層的螺栓,，關(guān)系到連接點的受力和防腐性能的要求，不能從螺栓本體特征來進行控制,，只需要根據(jù)強度等級和鈍化層的不同區(qū)別對待,，通過實驗數(shù)據(jù)測定，使用不同的摩擦因數(shù),，對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制,。

傳統(tǒng)的緊固件生產(chǎn)并沒有考慮鍍層和鈍化層對扭矩系數(shù)的影響，鍍層厚度只要大于*低要求就認(rèn)為是合格的,，沒有嚴(yán)格控制鍍層上限,。

實驗準(zhǔn)備兩批螺栓，鍍層厚度都要求為5μm,鈍化層為c2C,，一批要求對鍍層厚度進行控制,，控制范圍為5～7μm，另外一批不進行控制,，只要鍍層厚度大于5μm就行,。

重新進行對比實驗，控制前后扭矩系數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)如圖8所示,。

可以看出,，控制螺栓鍍層厚度對螺栓扭矩系數(shù)的影響不大，控制前扭矩系數(shù)均值為0.3785,，控制之后扭矩系數(shù)均值為0.3612,，螺栓扭矩系數(shù)略有減小。

但是控制前后扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差顯著減少,，控制前扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.03416,，控制后扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.01531，扭矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差降低55.18%,。

這說明控制鍍層厚度可以顯著地控制螺栓摩擦因數(shù),，這對提高螺栓連接點的可靠性意義重大。

04知識延伸-表面處理代號

對于電鍍的表面處理代號標(biāo)識一般按照GB/T 5267.1標(biāo)準(zhǔn),，該標(biāo)準(zhǔn)等同于ISO 4042標(biāo)準(zhǔn),。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，電鍍表面處理代號分為A類代號和B類代號標(biāo)記方法,。

· A類代號標(biāo)記如下：

E.2 標(biāo)記

標(biāo)記示例:

o 六角頭螺栓GB/T 5782 M10X60 8.8

o 電鍍鋅層(表E.1的A)

o *小鍍層厚度5 μm(表E.2的2)

o 光飾狀態(tài)為“光亮”并經(jīng)銘酸鹽處理成黃彩虹色(表E.3的L)的標(biāo)記:六角頭螺栓 GB/T 5782 M10X60 8.8 A2L

注1:如未明確要求*小鍍層厚度,則按表E.2,該鍍層厚度的標(biāo)記代號為“0”,例如“AOP”,以便該代號包括在完整的技術(shù)要求中,。

代號“0”適用于小于M1.6的螺紋零件或其他小零件。

注2:如要求其他處理,如涂抹油脂或油,則需協(xié)議,并在標(biāo)記中規(guī)定,。

A類電鍍標(biāo)記代號記為A2L,，具體的電鍍層厚度等要求需要查找GB/T 5267.1標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)表格，不便于記憶。

· B類似標(biāo)記代號：

B類標(biāo)記示例:

o Fe/Zn8c2C (或Fe/Zn8. c2C)

o 其中Fe-金屬基體

o Zn-鍍層金屬

o 8-*小鍍層厚度

o c- 銘酸鹽處理

o 2-銘酸鹽處理等級

o C-銘酸鹽處理類型

同樣該標(biāo)識也需要按照標(biāo)準(zhǔn)查找相應(yīng)的代號對應(yīng)的中性鹽霧試驗要求,，直接從標(biāo)識中無法判斷出具體的技術(shù)要求,。

常見標(biāo)識

以上是標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)識要求，還有一種大家比較常見的標(biāo)識,，特別是日韓系主機廠比較常用,，例如Fe/Ep.Zn5.c2C，該標(biāo)識與標(biāo)準(zhǔn)中的B類標(biāo)識基本一致,。

主要是增加了一個Ep的代號,，該Ep就是電鍍Electro Plating的英文縮寫。

其他代號的意思都與標(biāo)準(zhǔn)中的電鍍代號一致,，不再贅述,。

一  對摩擦因數(shù)進行理論分析，得出擰緊過程中能量的分配比例,。
螺栓緊固軸向力對摩擦因數(shù)的變化極為敏感,，必須進行摩擦因數(shù)的控制來提高連接點的可靠性。

二  對不同螺栓強度等級,、鍍層厚度,、鉻酸鹽處理、支撐面硬度的螺栓進行了擰緊實驗,，利用單因素分析法進行F檢驗發(fā)現(xiàn)螺栓強度等級,、鍍層厚度、鉻酸鹽處理對螺栓扭矩系數(shù)影響較大,，支撐面硬度對螺栓扭矩系數(shù)影響不大,。

同時發(fā)現(xiàn)D級鈍化層鍍鋅螺栓可以有效提高螺栓緊固軸向力，對于充分發(fā)揮螺栓使用效能是很有意義的,。

三  不同場合需要不同特性的螺栓,，對于影響螺栓摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素不能全部從本體特征來進行控制。
對于不同強度等級,，不同鈍化層的螺栓,，只需要根據(jù)強度等級和鈍化層的不同來區(qū)別對待通過實驗測定，使用不同的摩擦因數(shù),。
對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制，研究表明控制后螺栓摩擦因數(shù)散差顯著減小,。

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