1、1螺纹紧固件摩擦性能评述熊云奇 张琼敏 濮进 卢海波东风汽车公司制造工程部摘要本文综合大量试验结果，对螺纹紧固件的摩擦性能概念、试验方法、影响因素以及摩擦性能与螺栓等效强度、轴向预紧力、拧紧扭矩等之间的相互影响关系进行了分析探讨。关键词：螺纹紧固件 摩擦性能 轴向夹紧力 扭矩1 引言具有可互换性从而可批量应用于工业生产的螺纹紧固件已诞生整整两个世纪，在今天的汽车制造厂里很难有人没有接触过螺纹紧固件。但是，有关调查表明，真正对看似简单的“拧螺丝”的装配工艺技术有着全面认识并懂得在工业生产中实现完美装配的专业技术人员却并不多见。由于各汽车公司对装配技术的重视程度及技术水平的不同，使得它们生产出的同
2、类产品的性能、质量、可靠性等技术经济指标呈现千差万别。统计调查表明，我国各主要汽车整车及发动机等大总成的装配质量、路试无故障里程、平均紧固件缺陷间隔里程等指标较之国外类似产品尚有较大差距，亟待提高。为此，有识之士纷纷提出加强“扭矩控制”。我们知道，只有适当的轴向夹紧力才能保证螺栓可靠服役,因此，扭矩控制的实质是要控制螺栓的轴向夹紧力。但是，目前在工艺上只能通过控制扭矩（或扭矩/转角）来间接实现轴向力控制，而螺栓轴向力与扭矩之间的对应关系严重地受到摩擦条件的影响。摩擦的存在一方面是螺栓自锁防松的必要条件，另一方面摩擦则要消耗大量扭矩（能量）并直接影响螺栓轴向力。因此，在研究扭矩控制问题时，必须对
3、拧紧扭矩、轴向夹紧力、摩擦性能及它们之间的相互关系进行探讨。2 摩擦性能及摩擦性能试验2.1 螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。通常情况下，装配扭矩的约90%都由于螺纹副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有约10%转化为螺栓轴向夹紧力。理论上，螺栓拧紧过程中拧紧扭矩T、螺栓轴向力F与摩擦系数及螺纹形状尺寸之间有(1)式关系 1：2(1) wdpsdpwdssdp tgF21tg12FTcoco式中： s为螺纹副摩擦系数； w为端面摩擦系数；d p为螺栓有效直径,粗牙螺纹，d p0.906d, 细牙螺纹，d p0.928d；d w为
4、端面摩擦圆等效直径， dw= 1.3d；d u2iu3、d i分别为摩擦圆的外径及内径；d为螺纹公称直径；为螺纹升角,粗牙螺纹250，细牙螺纹210；为垂直截面内的螺纹牙形半角，约为2958(1)式右侧第1、2、3项可分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长（产生轴向预紧力）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。若取 s=w=0.15,则可求得粗牙螺纹与细牙螺纹中各部分的扭矩消耗如表1。表1、螺栓拧紧过程中的扭矩消耗(理论计算)总扭矩 端面摩擦 螺纹摩擦 螺栓伸长粗牙螺纹 100% 49.1% 39.5% 11.4%细牙螺纹 100% 49.9% 41.1% 9.0%当然，由于摩擦条件（摩擦系数、
5、几何尺寸等）的不同，螺栓拧紧过程中的扭矩消耗比例会有所区别，如对于镶有尼龙衬垫或具有异形螺纹的紧固件，在拧紧（或松开）时还会消耗一定的自锁扭矩（Prevailing Torque）。某8.8级M10普通粗牙螺栓( s=0.11,w0.16)在采用普通螺母和具有自锁扭矩的异形螺母时，其拧紧扭矩的消耗比例 2如表2。表2、某螺栓拧紧过程中的扭矩消耗总扭矩 自锁扭矩 端面摩擦 螺纹摩擦 螺栓伸长普通螺母 53Nm 0 57% 30% 13%异形螺母 55Nm 19% 46% 24% 10%2.2 摩擦系数与扭矩系数摩擦系数是通常意义上的物理概念，是摩擦力与正压力的比值。在螺纹联接中，摩擦可分为螺纹副
6、摩擦及端面摩擦两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同，因而存在螺纹副摩擦系数 s及端面摩擦系数 w。摩擦系数根据材质、表面状况及润滑条件的不同而不同。一般钢材结合面的平均摩擦系数 3如表3，常见螺纹联接副的摩擦系数 1见表4。表3、一般钢材结合面的平均摩擦系数3表面处理 摩擦系数 表面处理 摩擦系数未加工（有氧化皮） 0.32 热镀锌 0.19精加工表面 0.13 冷镀锌 0.30粗磨光表面 0.28 镀锌后喷沙 0.34喷丸处理 0.49 涂红丹漆 0.07喷丸处理后时效 0.53 涂覆聚乙烯 0.28喷沙处理 0.47 涂防锈漆 0.60喷沙后涂亚麻子油 0.26 涂覆铝粉 0.15喷涂金属
7、 0.48 涂润滑油 0.08表4、常见螺纹联接副的摩擦系数表 面 状 态 润 滑 状 态螺 栓 螺 母 无 润 滑 润 滑 油 MoS2润滑脂锰磷酸盐 0.140.18 0.140.15 0.100.11无处理 0.140.18 0.140.17 0.100.12锌磷酸盐 0.140.21 0.140.17 0.100.12镀锌（约厚8）0.1250.18 0.1250.17 /镀镉（约厚8）无处理0.080.12 0.080.11 /镀锌（约厚8）镀锌（约厚8）0.1250.17 0.140.19 /镀镉（约厚7）镀镉（约厚7）0.080.12 0.100.15 /扭矩系数K是宏观上直接反
8、映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验系数，由(2)式给出。T=KdF (2)式中：T为拧紧扭矩(N.m)；d为螺纹公称直径(mm)；F为螺栓轴向夹紧力(kN)。对比(1)、(2)式可知，扭矩系数是由摩擦系数和螺纹形状共同决定的参数，对特定的理想的螺纹联接副而言，当摩擦系数确定后，扭矩系数K值也就确定了，如(3)式。(3) wdpsdpwdssdp tg21tg12coco如取 s=w=0.15，则由(3)式可求得粗牙螺纹和细牙螺纹的扭矩系数K都约为0.2。应该特别指出的是它们的物理概念和求得的方法是不同的。摩擦系数有明确的物理意义，可理解为一个材料常数，当摩擦面的材质、表面状态和润
9、滑条件确定后，摩擦系数也就随之确定（严格地说，金属间的摩擦系数会随相对滑动速度或温度4的升高而降低 4。）；而扭矩系数则是经验参数，它不仅取决于摩擦面的摩擦系数，主要取决于螺纹联接副的几何形状。如前所述，对特定的理想的螺纹联接副而言，当摩擦系数确定后，扭矩系数也就确定了，但实际的螺纹联接副不可避免地存在制造公差，有时甚至存在铁屑、螺纹碰伤、螺纹乱扣干涉等缺陷，此时，即使一批螺栓（螺母）的摩擦系数保持恒定，其扭矩系数也将不可避免地存在一定的散差，而并非与摩擦系数相对应的某一常数。在极端情况下，当发生干涉时，尽管拧紧扭矩足够大，螺栓的轴向力可能很小（F0），此时K。通常情况下，根据螺纹联接方式、表
10、面摩擦条件以及螺纹制造质量的不同，K值通常可在0.10.4甚至更宽的范围内变化。总之，摩擦系数仅仅能反映特定接触面之间的摩擦情况，扭矩系数则是反映螺纹副摩擦性能的综合经验参数。扭矩系数必需结合具体联接条件通过试验实测，不可简单地根据摩擦系数进行推算。2.3 摩擦性能试验摩擦性能试验能测定螺纹联接副的拧紧扭矩与螺栓轴向夹紧力之间的关系包括摩擦系数、扭矩系数等，通常应用于螺纹紧固件的综合质量鉴定、表面处理、表面涂层质量评定以及确定具体工况下装配工艺参数等。摩擦性能试验是按规定的转速向特定螺纹联接副的螺栓头或螺母施加扭矩并记录该联接副的扭矩轴向力曲线，从而求出给定轴向力下的扭矩范围或给定扭矩下的轴向
11、力范围，计算出扭矩系数K和摩擦系数及其散差。扭矩系数K和摩擦系数的简略计算公式分别如下：（4）FdT（5）ps580P16.（6）wdFT2当 s=w=时，= (7)wpd508P16式中：T为拧紧扭矩(N.m)；T s为螺栓杆部受到的扭矩(N.m)；T w为端面摩擦消耗的扭矩(N.m)；d为螺纹公称直径(mm)；d p为螺纹有效直径(mm)；d w为端面摩擦圆等效直径；F为螺栓的轴向预紧力(kN)；P为螺纹牙距(mm)。摩擦性能试验一般有如下要求 5：(1)轴向力及拧紧扭矩的测量精度均优于1%；(2)拧紧系统能控制较低的恒定拧紧转速（1030转 /分不等）将螺栓拧紧至屈服，并自动记录扭矩及轴
12、向力曲线；(3)每件试件要配一套未曾使用过的配用螺纹件及垫片，其材质、性能等级、尺寸公差、表面状态等必需与试验件相匹配；(4)试验过程中5，只有试验件旋转，配用螺纹件及垫片等应固定不动；拧紧套筒不能接触垫片等其它可能导致扭矩消耗的物件；(5)试验时应严格按试验要求控制润滑条件；(6)试验件数的多少根据试验目的而不同，对于工艺试验及货源鉴定试验，为便于统计分析，一般要求试验件数在25件左右。3 摩擦性能对螺栓轴向力的影响螺纹联接，特别是承受动载荷的重要螺纹联接，其根本目的是要利用螺纹紧固件将被联接件可靠地联接在一起，装配拧紧的实质是要将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围。大量研究表明，螺栓的轴向预
13、紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，螺栓拧紧至屈服时效果最好；反之，若轴向力小而分散，则必然导致材料浪费，联接结构笨拙而且可靠性差。螺栓轴向力范围取决于结构功能、零件强度、工艺控制方法及控制精度等多方面因素，它们同时都受到联接副的摩擦性能的影响。3.1 摩擦性能对对螺栓强度的影响螺栓在拧紧时受到的是拉-扭复合应力，当此复合应力所产生的等效应力超过许用强度时，螺栓即会发生破坏。根据第三强度理论，螺栓许用的等效应力 v可按(8)式求得。(8)2v3式中： 为螺栓的轴向夹紧力 F 产生的拉应力, ；)(2sd41F 为螺栓杆部承受的扭矩 Ts所产生的切应力, 。)(3ssd6T将 ，并取 tg=0.
14、05(粗牙螺纹)、d p=1.05ds代入(8)式可得：)cos(tgFd21Tps(9)2ssv 6175301若假设 Ts=50%T，并取 ds=0.863d,dp=0.906d1,则(8)式可改写为：(10)2vK6.由(9)、(10)式可知，螺纹副的摩擦系数或扭矩系数越大，则螺栓在相同轴向力下的等效应力也就越大。换言之，螺栓强度选定后，摩擦系数或扭矩系数越大，则其所能承受的轴向力越小。当取 s=0.15，K=0.2 分别代入(9)、(10)式可求得普通粗牙螺纹的等效应力 v1.28,即当螺栓在拧紧时的轴向应力达到螺栓单调拉伸屈服应力的约 78%时，螺栓即会屈服。当然，这一比例关系会随螺
15、纹副摩擦条件的变化而变化。有关螺栓的 K 值对其拧紧断裂轴向力的影响如表 5。6表 5、K 值对螺栓拧断轴向力的影响螺栓 规格 K 值 Fb(kN) Ft(kN) Ft/FbM121.25(10.5 细杆) 0.18 117 90.1 0.770连杆螺栓12.9 级 M121.25(10.0 细杆) 0.32 106 72.9 0.6870.14 57.6 48.5 0.842连杆螺栓12.9 级 M91 0.19 60.8 49.1 0.8080.32 17.7 0.564M81.250.20 31.4 24.3 0.774底盘螺栓8.8 级M101.5 0.28 53.0 35.2 0.6
16、64注：表中试验数据为平均值，F b、F t分别为螺栓单调拉伸和拧紧断裂时的轴向载荷。3.2 摩擦性能对装配轴向力的影响扭矩控制拧紧条件下，摩擦性能对螺栓轴向预紧力的影响如图2。扭矩KU KLTUTLFL FU 轴向力图2、扭矩系数对轴向预紧力的影响图2表明，当装配扭矩给定时，K值范围越宽，则螺栓轴向预紧力越分散。某发动机缸盖螺栓（M14）在147Nm拧紧时，润滑条件对其轴向夹紧力的影响如表6。表6、某发动机缸盖螺栓147N.m拧紧数据干 燥 30#机械油润滑 极化齿轮油润滑K值范围 0.1970.536 0.2020.328 0.1540.229K值平均 0.336 0.256 0.190轴
17、向力范围(kN) 20.054.4 32.753.0 46.869.4由表中可以看出，仅仅是润滑条件不同，轴向预紧力可在20.0至69.4kN之间变化，达3.47倍。由表中还可以看出，不同润滑条件下的轴向力散差也大不相同，用极化齿轮油润滑时轴向力散差小，而不润滑时散差大。可见，摩擦条件的变化将极7大地影响螺栓地轴向夹紧力的大小。为了克服摩擦性能对螺栓轴向预紧力的影响，最大限度地利用螺栓的强度，现在发动机连杆螺栓等上广泛采用了扭矩转角法这一先进的拧紧工艺。扭矩转角法（有时也称“螺母转角法”）的拧紧原理与常用的扭矩法有着本质的区别。扭矩法仅适用于弹性范围，弹性范围内的轴向力与拧紧扭矩成正比。当超出
18、弹性范围以后，扭矩与轴向力之间不再有正比关系，若继续按扭矩控制拧紧，则可能在扭矩不增加甚至降低的情况下将螺栓拧断。而扭矩转角法的实质是控制螺栓的轴向伸长量。在螺栓贴合以后的整个拧紧过程中（包括弹性变形和塑性变形阶段），螺栓伸长量始终与螺栓头或螺母的转角成正比（每增加1转角则螺栓伸长约1/360个螺距）。在弹性范围内，螺栓轴向力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力；螺栓开始塑性变形后，虽然伸长量与轴向力之间不再有正比关系，但根据螺栓在受拉伸时的力学性能特点可知，只要伸长量在其形变强化容量范围以内，螺栓的轴向力就稳定在其屈服载荷附近（螺栓不会发生断裂或局部伸长）。即使在K值较为分散的情况下，扭
19、矩转角法也能精确地将螺栓的轴向力控制在其屈服点附近，扭矩转角法拧紧的螺栓的轴向预紧力主要取决于螺栓强度，而不取决于K值。某发动机缸盖螺栓（M121.5）的拧紧试验结果如表7。表7、某发动机缸盖螺栓(M121.5)的拧紧试验结果螺栓强度级别（标称） 9.8级(国产） 9.9级(进口) 10.9(级国产)平均抗拉载荷(kN) 92.0 83.4 99.7平均值 0.166 0.187 0.171K值标准差 0.008 0.010 0.006平均值 40.4 35.7 38.9标准差 1.93 2.03 1.1780Nm拧紧时的轴向力(kN)变异系数 0.048 0.057 0.030平均值 73.
20、0 63.2 80.3标准差 2.30 0.79 1.8480Nm在转90度角拧紧时的轴向力(kN) 变异系数 0.032 0.013 0.023表7数据表明，同种螺栓在控制扭矩拧紧时的轴向力散差（变异系数）大，而扭矩转角控制拧紧时的轴向力散差小；无论何种螺栓，扭矩转角法控制拧紧时，其最终轴向力的大小与K值大小及散差无直接关系，但与其强度高低相对应。扭矩转角法对工艺参数要求严格，对拧紧工具的功能和控制精度要求高，与一般扭矩控制拧紧法相比，工装设备价格要高出数倍甚至数十倍，而通常只用于发动机连杆螺栓等重要螺栓的装配。4 摩擦性能对拧紧扭矩的影响8目前，大量采用的扭矩法拧紧工艺是根据(2)式的基本
21、关系，通过控制装配拧紧扭矩的方法来间接地实施轴向力控制。当轴向预紧力设计上下限（F U、F L）确定之后，螺栓（螺母）的装配拧紧扭矩的上下限（T U、T L）与 K 值上下限(K U、K L)之间有如下关系：TU=KLdFUTL=KUdFL (11)上式关系说明，当螺纹联接设计确定后，K 值散差越大（K U-KL越大），则对装配扭矩的要求就越严（T U-TL越小）。总之，螺栓的轴向力、拧紧扭矩及扭矩系数之间相互关联，此消彼长。为有效实施轴向力控制，必须扭矩控制与 K 值控制双管齐下。拧紧扭矩的控制主要依靠具有相当精度的控扭工具和合理的工艺方法来保证。就目前状况而言，最终的扭矩控制精度最高只能达
22、到 3%5%的水平，较为经济合理的扭矩控制精度是 10%20%；K值控制，主要是要控制 K 值散差，必须从螺纹质量（精度、材质及表面状况等）、联接结合面的状况及润滑条件等相关工艺因素加以控制。K 值散差小，一方面可以放宽对扭矩控制精度的要求，节省装配工艺投资；一方面还可以提高螺栓的轴向力，提高螺栓强度利用率和联接可靠性。因此，K 值控制与扭矩控制相比，具有更大的经济价值和技术进步意义。为了严格控制轴向预紧力，一些桥梁等钢结构的重要螺栓联接副通常都对 K 值有严格的规定。神龙轿车上有很多螺栓都提出了对 K 值的要求，康明斯发动机飞轮螺栓等也有 K 值参考指标。为此，我们也应该逐步提出对重要螺纹紧
23、固件的 K 值要求并研究讨论 K 值控制的可行途径。5 结束语装配扭矩的检查是评定螺纹紧固件装配质量的重要手段。装配扭矩虽可以使用能显示扭矩值的拧紧工具在拧紧时进行实时检测，但通常免不了要在螺纹紧固件拧紧之后进行静态检查，其检查结果同样受到摩擦性能的影响。摩擦性能对装配扭矩的影响主要来自如下两各方面：(1)螺栓(螺母)的实际装配扭矩是由旋转到停止时的扭矩，是动摩擦条件下的扭矩；而静态检查扭矩是使预紧螺栓（螺母）由静止开始转动时的扭矩，螺栓开始转动时必需克服静摩擦的作用，因此，静态检查扭矩是静摩擦条件下的扭矩。静摩擦扭矩显然大于动摩擦扭矩。(2)预紧螺栓在受到力或热的作用后，往往会发生松弛、咬合
24、等，导致摩擦条件变化，因此，检查扭矩会随检查时机不同而不同。另外，联接刚度也会对检查扭矩产生较大影响 6。总之，螺纹紧固件的摩擦性能是取决于螺栓材质、制造精度、表面处理、实际装配工艺条件的综合参数；同时，螺纹紧固件的摩擦性能的好坏又决定了螺栓强度利用率的高低、轴向预紧力的分散程度、对扭矩控制手段的要求以及对装配质量的评定等。因此，螺纹紧固件的摩擦性能是决定螺纹联接质量和可靠性的重要方面，9也是机械产品设计、材料及制造工艺技术水平的综合体现，在我国相关技术水平还较落后的今天，尤其值得我们加以认真研究。参考文献1 日山本晃著，郭可谦等译. 螺纹联接的理论与计算，上海科学技术出版社，1984 年 1 月2 Willan Eccles. Design guidelines for torque controlled tightening of bolted joints, SAE9305873 卜炎编. 螺纹联接设计与计算，高等教育出版社，1995 年 7 月4 齐毓霖. 摩擦与磨损，高等教育出版社，1986 年 3 月5 EQY-262-97 螺纹紧固件摩擦性能试验方法6 熊云奇等.螺纹紧固件装配扭矩检查方法探讨，螺纹紧固件拧紧技术专题资料，东风汽车公司科学技术部制造工程部编印，1997 年 9 月
