汽车总装制造的主要任务是将汽车各组成部分零部件组装成为整车，其中拧紧力矩问题一直被认为是汽车总装制造的核心问题，但由于国内企业对紧固件控制的重视不够，导致了扭矩系数散差较大，这给螺栓连接的可靠性带来了重大的安全隐患。为了减少扭矩系数的分散误差和提高防腐性能，紧固件通常都要进行表面处理。然而，不同表面处理对螺纹紧固件的摩擦系数有很大影响，最终影响螺栓的拧紧特性。本文从理论上分析了摩擦系数对拧紧过程中能量在螺栓头摩擦消耗、螺纹摩擦消耗、预紧力做功消耗的影响。对不同表面处理与螺纹紧固件摩擦系数和扭矩－预紧力的关系进行了实验分析，得出了镀锌层厚度以及不同铬酸盐处理对摩擦系数和扭矩系数的影响规律，同时发现降低摩擦系数可以有效地提高螺栓轴向拉力，对于提高螺栓的使用效能具有非常重要的意义。移动副摩擦按照接触面的形状可分为平面摩擦、斜面摩擦和槽面摩擦。为了简化移动副摩擦力的计算，不论移动副的两运动副元素的几何形状如何，均可将两构件不同几何形状的接触看作是沿单一平面接触的移动副( 如图1所示) 。
图1 平面摩擦和槽面摩擦受力分析 而将其摩擦力的计算式表达为式(1) 所示的统一计算公式:式中: f 为摩擦系数; FN 为接触面的正压力; fυ 为当量摩擦系数。槽面摩擦 FN = G /sin θ，fυ = f /sin θ。三角形螺纹旋转副可以把螺母在螺杆上的运动近似地看作楔形滑块在斜槽面的运动，即槽面摩擦加斜面摩擦的组合形式，此时槽面夹角等于 90° － β ( 如图 2 所示) 。则当量摩擦系数为 fυ = f /sin( 90°－ β) = f /cos β ，当量摩擦角为 φυ = arctan fυ。Mt = Fd2 tan( α + φυ ) /2 (2)式中: F 为螺栓轴向预紧力; d2 为螺栓螺纹中径; α 为螺纹螺旋升角。螺栓拧紧过程中所需要的总力矩 M 为两个部分: 克服螺纹副摩擦的拧紧力矩 Mt 和螺栓头或螺母与支撑面间的摩擦力矩 Mb，即:M = Fd2 tan( α + φυ ) /2 + Fub rb (4)式中: ub 为螺栓头或螺母与支撑面间的摩擦系数; rb 为螺栓头或螺母与支撑面间的摩擦半径。又有 则:  (5)又由于 tan α tan φυ 非常小，tan( α + φυ ) 可近似等于 tan α + tan φυ，误 差 为 E =  ( 一 般 α 为 1° ～ 3°，φυ 为 6° ～ 10°，误差约为0．0018 ～ 0.0093) ，因此做近似运算有: （6） （7）式( 7) 为拧紧力矩、预紧力、摩擦系数三者之间的关系式。 （8）从式( 8) 可以看出，总力矩分为 3 个部分，即螺栓支撑面摩擦消耗 Mb = Fub rb、螺纹摩擦消耗 、预紧力消耗 Mp = Fp/2π。国家标准 GB/T 16823．3 － 2010《螺纹紧固件紧固通则》中指出，扭矩的计算公式为 M = KFD，则各自扭矩系数为 Kb = ub rb /( 2r) 、Kt = utrt /( 2cos βr)、Kp = p /( 2πd) 。取 d = 10 mm，β = 30°，p = 1．25 mm，rb = 6.4 mm，rt = 4．59 mm。分别计算 ub = ut = 0．10， ub = ut = 0．15，ub = ut = 0．20，ub= ut = 0．30 时扭矩的分布情况如表 1 所示。从表 1 可以看出，拧紧过程中能量在螺栓支撑面摩擦消耗约 50% 、螺纹摩擦消耗约 40% 、预紧力做功消耗约 10% 。在相同的拧紧扭矩下，当摩擦系数变化 0． 05 时，预紧力的变化幅度高达 43.1%，也就是说如果螺栓表面处理状况出现一点点的不同，假设使摩擦系数增大 0.05，轴向预紧力就只有原来的57% ，这会给螺栓连接的可靠性带来重大的安全隐患，因此必须充分重视螺纹副摩擦系数的研究。德国 Schatz 公司研制的多功能螺栓紧固分析系统，可以测量出螺栓拧紧过程中的夹紧力、总扭矩和螺纹副上的扭矩，对夹紧力与扭矩的关系能够精确实时地反映，同时可以测出螺栓螺纹和螺栓头支撑面的摩擦系数。笔者对某公司常用镀锌层厚度、铬酸盐处理的螺栓进行了实验研究。实验的对象是 M10 × 1．25 × 60，强度等级均为 10．9 级，表 面 处 理 方 式 为 Fe /Ep · Zn5 · c2C、Fe /Ep·Zn12·c2C、Fe /Ep·Zn5·c2D、Fe /Ep· Zn12·c2D 的法兰面螺栓。Fe /Ep·Zn5·c2C、Fe /Ep·Zn12·c2C、 Fe /Ep·Zn5·c2D、Fe /Ep·Zn12·c2D 这 4 种表面处理的螺栓各 20 组实验数据求平均值，其结果如表 2 所示。不同的镀锌层厚度和铬酸盐处理的螺栓实验数据对比如图 3 所示，可以得出以下结论:- 对比 M10 × 1．25 × 60 强度等级均为10．9 级，经过 c2C 铬酸盐处理的螺栓，镀锌层厚度从5 μm提高到 12 μm，螺栓头部摩擦系数基本不变; 螺纹摩擦系数从 0.331 升高到 0.372，提高 12.4% ; 同时扭矩系数也从 0.494 增大到0.518， 增大 4.75% 。
- 对比 M10 × 1.25 × 60 强度等级均为 10.9 级，经过 c2D 铬酸盐处理的螺栓，镀锌层厚度从 5 μm 提高到 12 μm，螺栓头部摩擦系数基本不变; 螺纹摩擦系数从 0.148 升高到 0.178，提高 20.34% ; 同时扭矩系数也从 0.277 增大到0.292，增大5.23% 。
从以上数据分析可以得出，镀锌层厚度对螺栓头部摩擦系数影响不大，但是对螺纹摩擦系数影响较大，最终也对扭矩系数造成较大的影响。- 对比 M10 × 1.25 × 60 强度等级均为10.9 级，镀锌层厚度为 5 μm 的螺栓: 铬酸盐处理为c2C 比铬酸盐处理为 c2D，螺栓头部摩擦系数从0.355 降低到 0.210，降低 40.7% ;螺纹摩擦系数从 0.331 降低到 0.148，降低 55.4% ; 同时扭矩系数也从 0.494 降低到 0.277，降低 43.7% 。
- 对比M10 × 1.25 × 60 强度等级均为 10.9 级，镀锌层厚度为 12 μm 的螺栓: 铬酸盐处理为 c2C 比铬酸盐处理为 c2D，螺栓头部摩擦系数从 0.355 降低到0.211，降低 40.6% ; 螺纹摩擦系数从0.372降低到 0.178，降低52.3% ; 同时扭矩系数也从0.518 降低到 0.292，降低 43.6%。
从以上数据分析可以发现，同种镀锌层厚度，铬酸盐处理为 c2D 比铬酸盐处理为 c2C 的螺栓头部摩擦系数和螺纹摩擦系数都要小很多，对于镀锌层厚度为 5 μm 和 12 μm 的螺栓，摩擦系数变化规律非常一致: 螺栓头部摩擦系数降低40 %左右; 螺纹摩擦系数降低50%左右; 同时扭矩系数降低 40%左右。螺纹紧固件在拧紧的时候受到的是扭－拉复合应力作用，根据第三强度理论，螺纹紧固件许用的等效应力可按式( 9) 求得:  ( 9) 式中: σv 为等效拉应力; σ 为实际预紧力产生的拉应力; τ 为螺纹紧固件杆部承受扭转的剪应力。螺纹紧固件在拧紧的时候总力矩分为 3 个部分，即螺栓支撑面摩擦消耗、螺纹摩擦消耗、预紧力消耗。螺栓支撑面摩擦消耗、螺纹摩擦消耗使螺纹紧固件杆部承受扭转的剪应力，预紧力消耗使螺纹紧固件杆部产生实际拉应力，螺栓所能承受的等效拉应力是一定的，不能超出螺栓的屈服应力。因此降低螺纹紧固件杆部承受扭转的剪应力，可以提高实际预紧力产生的拉应力，即降低螺栓支撑面摩擦消耗和螺纹摩擦消耗使扭矩尽可能地转化为预紧力。从表 1 可以看出，摩擦系数从0.2 降低到 0.1，拧紧扭矩用于产生螺栓预紧力的力矩比例增大 43% ，从表 2 可以看出，Fe /Ep· Zn5·c2C 和 Fe /Ep·Zn12·c2C 这两种表面处理的螺栓，拧紧扭矩都达到 200 N·m 时，螺栓最大轴向拉力从40． 384 kN提高到 42.007 kN，提高 4% 。对比 Fe /Ep·Zn5·c2C、Fe /Ep·Zn5·c2D这两种表面处理的螺栓，总的摩擦系数从 0.344 降低到 0.187，螺栓的屈服扭矩从 200.02 N·m降低到 158.16 N·m，降低20.9% ，但是最大轴向力从 42. 007 kN 增大到58.357 kN，增大 38.9% 。这说明摩擦系数小的螺栓，只需加载一个很小的扭矩即可得到一个更大的轴向预紧力，这对于节省能耗和提高螺栓的使用效能是非常有意义的。- 通过一系列的理论和实验分析，得出了摩擦系数对拧紧过程中能量在螺栓支撑面摩擦消耗、螺纹摩擦消耗、预紧力做功消耗的影响规律，摩擦系数微小的变化，可以引起较大的预紧力变化。
- 对不同表面处理与螺纹紧固件摩擦系数和扭矩－预紧力的关系进行了实验分析，得出了镀锌层厚度以及不同铬酸盐处理对摩擦系数和扭矩系数的影响规律，即镀层厚度越大，摩擦系数越高; 铬酸盐处理为 c2C 比铬酸盐处理为 c2D 的摩擦系数要大很多。
- 使用铬酸盐处理为 c2D 的螺栓比 c2C 铬酸盐处理的螺栓，可以减少扭矩在螺栓支撑面摩擦消耗和螺纹摩擦消耗，获得更大的轴向预紧力，这对于节省能耗和提高螺栓的使用效能具有非常重要的意义。
钣金行业技术交流群：钣金行业从业人员及制造商技术交流、业务互助；宗旨：学习交流，信息分享，加下方小编微信入群，入群说明：钣金群
|
