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摘 ?要:螺紋緊固件廣泛應(yīng)用于機(jī)械和建筑等行業(yè),并對(duì)機(jī)械行業(yè)和建筑行業(yè)的發(fā)展起著重要作用。文章主要研究螺紋緊固件扭矩系數(shù)的影響因素,并加以簡(jiǎn)單的分析。
關(guān)鍵詞:扭矩;摩擦系數(shù);扭矩系數(shù);轉(zhuǎn)角
螺紋緊固件廣泛應(yīng)用于機(jī)械和建筑等行業(yè),螺紋緊固件安裝有三種安裝方法,扭矩法,扭矩轉(zhuǎn)角法以及扭矩斜率法。其中扭矩控制法因操作方便,安裝工具便宜,且容易監(jiān)測(cè)和控制而被廣泛使用。但不同批次的螺栓螺母安裝,扭矩系數(shù)差別較大,而同批次的螺栓螺母扭矩系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。因此,穩(wěn)定的扭矩系數(shù),并施加穩(wěn)定的緊固力矩才能得到穩(wěn)定的預(yù)緊力。文章主要討論影響扭矩系數(shù)所涉及到的因素,并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
首先力矩法安裝的計(jì)算公式:
T=K*F*D
扭矩系數(shù)K是力矩T和預(yù)緊力F的一個(gè)綜合系數(shù),扭矩系數(shù)K決定了在擰緊過(guò)程中,扭矩轉(zhuǎn)化為軸向力的一個(gè)比例。如果扭矩T不變,K越大,轉(zhuǎn)化為夾緊力F的比例就會(huì)越小,反之,K越小,扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力F的比例就會(huì)越大。
扭矩系數(shù)計(jì)算公式
K=(+μSd2secα'+μwDW)
P-螺距;μS-螺紋摩擦系數(shù);μw-支撐面摩擦系數(shù);d-螺紋公稱直徑;d2-螺紋中徑;DW-支撐面等效直徑;α'-螺紋牙側(cè)角。
從公式中可以看出,扭矩系數(shù)K由一些螺紋常數(shù)和摩擦系數(shù)來(lái)決定的,對(duì)于具體的螺紋連接副來(lái)說(shuō),螺紋摩擦系數(shù)和端面摩擦系數(shù)是需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到的。而影響摩擦系數(shù)的因素有很多,下面我們就來(lái)一一進(jìn)行分析。
影響扭矩系數(shù)的因素:
1 被連接件材料、硬度和剛度的影響
螺紋連接件和被夾緊件之間一般都是金屬接觸,但不同金屬接觸產(chǎn)生的摩擦系數(shù)不同。在表面光潔度相同的情況下,相同金屬或互溶性大的金屬摩擦副容易發(fā)生粘著現(xiàn)象,使摩擦系數(shù)增大;不同金屬或互溶性小的金屬摩擦系數(shù)較低。
材料的硬度和剛度,硬度和剛度高的材料之間,摩擦系數(shù)偏小,且不易發(fā)生粘著現(xiàn)象;反之硬度和剛度低的材料,摩擦系數(shù)偏大,容易發(fā)生粘著現(xiàn)象。
2 螺紋加工精度、牙側(cè)粗糙度、支撐面的大小和粗糙度
螺紋的加工精度、牙側(cè)粗糙度和支撐面的粗糙度影響到螺紋及支撐面的摩擦系數(shù),加工精度越高,表面越光潔,摩擦系數(shù)越小;和墊圈配合使用的則看墊圈的表面狀態(tài)。
支撐面摩擦面積的大小雖然不會(huì)影響到支撐面摩擦系數(shù),但擰緊過(guò)程中,支撐面摩擦面積越大,在擰緊過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)越大,會(huì)加大扭矩系數(shù)的值。
3 表面處理
表面處理對(duì)扭矩系數(shù)的影響很大,螺栓螺母的表面處理,改變了螺紋之間及螺母和支撐面之間的摩擦系數(shù),現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的表面處理整體可以分為兩大類,一類是干態(tài),一類是濕態(tài)。干態(tài)指的是表面無(wú)潤(rùn)滑的干燥狀態(tài),如鍍鋅、發(fā)黑發(fā)藍(lán)處理;濕態(tài)指的是表面有潤(rùn)滑層和防銹油,如磷化處理。
以鍍鋅和磷化為例,作者做了一個(gè)試驗(yàn),對(duì)鍍鋅和磷化的扭矩系數(shù)進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)鍍鋅處理的扭矩系數(shù)均值為0.252,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.033,磷化處理的扭矩系數(shù)均值為0.169,標(biāo)準(zhǔn)差為0.010。磷化狀態(tài)的螺栓螺母扭矩系數(shù)相對(duì)于鍍鋅的扭矩系數(shù)較小,標(biāo)準(zhǔn)差也小。
由上面數(shù)據(jù)可以看出,磷化狀態(tài)的螺栓螺母扭矩系數(shù)相對(duì)于鍍鋅的扭矩系數(shù)較小,標(biāo)準(zhǔn)差也小。磷化狀態(tài)的扭矩系數(shù)一致性較好。
總之,表面處理對(duì)扭矩系數(shù)的影響是明顯的,不同的表面處理的螺紋連接副之間摩擦系數(shù)是不同的,在實(shí)際使用過(guò)程中,要根據(jù)不同的表面處理試驗(yàn)得出扭矩系數(shù),才能加載適當(dāng)?shù)牧貜亩_(dá)到預(yù)期的夾緊力。
4 表面介質(zhì)的影響
我們將擰緊狀態(tài)分為正常狀態(tài)、加機(jī)油和加蠟三種狀態(tài)來(lái)分析表面介質(zhì)對(duì)扭矩系數(shù)的影響情況。作者做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn),在其他條件一樣的情況下,對(duì)三種狀態(tài)的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。
正常狀態(tài)下螺栓摩擦系數(shù)為0.11,加機(jī)油狀態(tài)下螺栓摩擦系數(shù)為0.09,加蠟狀態(tài)下螺栓的摩擦系數(shù)為0.06。
可見(jiàn)在不同的介質(zhì)下,摩擦系數(shù)發(fā)生了改變,施加同樣的力矩,得到的預(yù)緊力是完全不同的。
這里所說(shuō)的蠟指的是螺絲潤(rùn)滑劑,這種潤(rùn)滑劑在緊固件表面形成一層非常薄的、透明的潤(rùn)滑層,起到降低和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用。
5 溫度的影響
溫度對(duì)扭矩系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生較大影響,這里指的是環(huán)境的溫度,隨著地域和氣候的差異,測(cè)試出來(lái)的扭矩系數(shù)是會(huì)不同的,因此,在溫度差別較大的地方,要重新檢測(cè)螺紋的摩擦系數(shù),根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況確定安裝扭矩。
隨著溫度的升高,扭矩系數(shù)會(huì)有下降的趨勢(shì);而溫度降低,扭矩系數(shù)會(huì)有所上升。
6 擰緊速度的影響
擰緊過(guò)程中,螺紋連接副和支撐面會(huì)產(chǎn)生摩擦,致使接觸面磨損,改變摩擦面的溫度。擰緊速度較低時(shí),摩擦面的磨損主要是輕微塑性變形和犁溝,此時(shí)接觸表面的溫度較低,在擰緊時(shí)接觸表面容易粘著,摩擦系數(shù)較大;擰緊速度較高時(shí),摩擦接觸面產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損,接觸面因大量的摩擦熱使的表層產(chǎn)生分子熱運(yùn)動(dòng),以及氧化膜的生成致使表面的接觸狀況發(fā)生了改變,擰緊速度越高,摩擦接觸面的溫度就會(huì)越高,接觸面金屬的變形將更容易,達(dá)到穩(wěn)定且相對(duì)較低的一個(gè)摩擦系數(shù)。
另外還有沖擊施擰對(duì)扭矩系數(shù)的影響,由于人工施加力矩時(shí)不是勻速施加,或多或少有沖擊施擰的情況。而靜摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)要大,當(dāng)沖擊施擰和勻速擰緊達(dá)到的力矩一樣時(shí),沖擊施擰得到的夾緊力會(huì)有回落,實(shí)際的夾緊力會(huì)相對(duì)小一些,測(cè)出的扭矩系數(shù)也要偏小一些。
7 重復(fù)裝配對(duì)摩擦系數(shù)的影響
現(xiàn)在汽車行業(yè)中,合資品牌的大眾、通用等對(duì)重復(fù)裝配的摩擦系數(shù)的變化也提出了要求,例如第一次裝配時(shí)摩擦系數(shù)為0.08~0.15,那么重復(fù)五到六次裝配后,摩擦系數(shù)要求在0.09~0.16之間。這就對(duì)螺紋擰緊提出了更高的要求。
重復(fù)裝配主要是看表面處理的附著力和穩(wěn)定性,重復(fù)裝配過(guò)程中,如果表面處理層被破壞,那么螺紋和支撐面的原來(lái)表面處理所起的潤(rùn)滑作用就會(huì)下降,螺紋摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)會(huì)加大,總的扭矩系數(shù)就會(huì)加大,在相同的力矩下,夾緊力會(huì)變小,產(chǎn)生欠擰的風(fēng)險(xiǎn)。
我們舉例來(lái)說(shuō)明下重復(fù)裝配的情況。作者曾經(jīng)對(duì)鍍鋅和磷皂化的螺紋連接副做了一組實(shí)驗(yàn),在扭矩試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)鍍鋅和磷皂化的螺栓螺母進(jìn)行重復(fù)裝配試驗(yàn),并測(cè)定扭矩系數(shù),發(fā)現(xiàn)鍍鋅在第一次裝配時(shí),扭矩系數(shù)為0.23,重復(fù)裝配了五次以后,扭矩系數(shù)明顯增大到了0.3左右,拆下來(lái)后鍍層表面會(huì)出現(xiàn)脫落;磷皂化的螺栓螺母在第一次裝配時(shí)扭矩系數(shù)為0.15,重復(fù)裝配了十五次后,扭矩系數(shù)仍在0.17左右??梢?jiàn)不同表面處理的重復(fù)使用時(shí)摩擦系數(shù)存在差別。這只是在新造狀態(tài)下的一個(gè)對(duì)比測(cè)試,實(shí)際應(yīng)用時(shí)表面處理隨著時(shí)間、溫度、環(huán)境等因素的影響,會(huì)發(fā)生變化。
除了上面提到的一些因素外,外螺紋由于在搬運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的牙紋碰傷、螺紋內(nèi)夾雜雜質(zhì)等,也會(huì)影響安裝時(shí)的扭矩系數(shù)。
綜上所述,在螺紋緊固件的裝配過(guò)程中,扭矩系數(shù)的影響因素有很多,且影響的程度各不相同,主要有表面粗糙度、表面處理、表面介質(zhì)、擰緊速度及溫度等。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)改善這些影響條件,提高摩擦系數(shù)的一致性,就能很好地提高螺紋緊固件的裝配質(zhì)量。