緊固件摩擦系數(shù)的重要性

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)的大小和散差會嚴重影響緊固件的擰緊后預緊力。

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)生預緊力的扭矩占比，可能產(chǎn)生預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 摩擦力是黏著效應和犁溝效應產(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)生黏著效應的面積，滑動發(fā)生剪切；

· 犁溝效應作用的面積，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，導致接觸面磨損，螺栓擰緊轉(zhuǎn)速的不同會導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合受力的過程，螺栓所受拉應力由轉(zhuǎn)化的緊固軸向力產(chǎn)生，所受扭轉(zhuǎn)剪切應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)剪切應力相應小很多，扭矩更多地轉(zhuǎn)化為軸向預緊力。

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*低要求就認為是合格的，沒有嚴格控制鍍層上限。

實驗準備兩批螺栓，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)的標準差顯著減少，控制前扭矩系數(shù)的標準差為0.03416，控制后扭矩系數(shù)標準差為0.01531，扭矩系數(shù)的標準差降低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識一般按照GB/T 5267.1標準，該標準等同于ISO 4042標準。

按照標準要求，電鍍表面處理代號分為A類代號和B類代號標記方法。

· A類代號標記如下：

E.2 標記

標記示例:

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,并在標記中規(guī)定。

A類電鍍標記代號記為A2L，具體的電鍍層厚度等要求需要查找GB/T 5267.1標準中的相應表格，不便于記憶。

· B類似標記代號：

B類標記示例:

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

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

常見標識

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

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準中的電鍍代號一致，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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