表面处理对螺栓@@拧紧有什么影响@@

从理论上分析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@@。

▲图@@1 平面摩擦和@@槽面摩擦受力分析@@

▲图@@2 三角形螺旋转副受力分析@@

摩擦系数对扭矩系数影响的理论分析@@

螺栓@@连接拧紧力矩@@：三角形螺纹螺旋副中的摩擦@@

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@@) ，而将@@其摩擦力的计算式表达为@@式@@(1) 所示@@的统一计算公式@@:

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 = ut rt /( 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@@。

表面处理对扭矩系数影响实验分析@@

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@@[8] 为@@Fe /Ep · Zn5 · c2C、Fe /Ep·Zn12·c2C、Fe /Ep·Zn5·c2D、Fe /Ep·Zn12·c2D 的法兰面螺栓@@@@@@。将@@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@@@@:(1) 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@@5μm提高@@到@@12μm，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@@5μm提高@@到@@12μm，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@@。

▲图@@3 不同表面处理螺栓@@的摩擦系数@@

(2) 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@@。

表面处理对螺栓@@许用强度的影响分析@@

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求得@@：

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@@。

结论@@

( 1) 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@@。

( 2) 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@@。

( 3) 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@@。