螺纹紧固件拧紧力矩控制与试验研究

螺纹紧固件拧紧力矩控制与试验研究

陆文超

中国电子科技集团公司第三十八研究所

安徽省合肥市 230000

摘要：螺纹紧固件在工业生产及生活中随处可见，因结构简单、连接可靠、操作便捷和装拆方便等特点而被广泛应用于机械、电子、交通、家具、建筑、化工、船舶、玩具等领域。螺纹紧固件是机械设计中最常见、最标准化的一种零部件，被称为“工业之米”。螺纹紧固件的螺距、小径、旋合长度、拧紧力矩是螺纹紧固件的关键参数，正确应用这些参数对提高连接可靠性和工作效率具有重要作用。

关键词：螺纹紧固件；拧紧力矩控制；研究

前言

螺纹连接由于其装配简单、拆卸便利、标准化程度高等优点，已成为机械装配过程中最基础、应用最广泛的连接技术，螺纹紧固件也随之成为汽车装配制造过程中大量使用的零部件之一，每辆汽车整车装配过程中约使用1500个螺纹紧固件。因此，螺纹连接质量对整车的安全性、可靠性具有重大影响。对螺纹连接系统而言，除了螺纹紧固件几何参数、机械强度、拧紧力矩外，摩擦系数是螺纹连接系统中又一重要参数，对螺纹连接质量及拧紧过程具有重大影响。本文将从螺纹连接的力学原理出发，分析摩擦系数对螺纹连接系统的影响及螺纹拧紧过程中对螺纹摩擦系数异常的监控方法。

1螺纹连接的力学原理

螺纹连接的原理为胡克定律，其是在螺纹紧固件拧紧过程中，螺纹连接系统受到拧紧力矩的作用下发生形变。螺栓拧紧过程中，螺栓受到拉伸力的作用下拉伸变形，而被连接件在螺纹紧固件作用下相互挤压，二者受到的力大小相等，方向相反，此时螺栓施加给被连接件的作用力被称为螺栓的轴向预紧力。被连接件在螺栓轴向预紧力的作用下被夹紧，进而实现对被连接件的固定。

2摩擦系数对螺纹连接系统的影响

通过对螺纹连接系统的力学分析可以看出，摩擦系数是螺纹连接的力学关系中一个重要参数，其对螺纹连接系统影响重大，其主要影响螺栓的轴向预紧力、屈服轴力、防松性能等。

2.1影响

螺栓轴向预紧力螺栓拧紧过程中的扭矩分别用来克服螺纹连接副之间的摩擦扭矩、螺纹紧固件头部与被连接件之间的摩擦扭矩以及获得螺栓的轴向预紧力。当μs=μw=0.15时，可计算出这三者的比例关系约为4:1:5，此时说明拧紧螺栓过程中只有一小部分的扭矩用来获得螺栓的轴向预紧力。在相同拧紧力矩下，摩擦系数越大，获得的夹紧力越小。因此，在使用扭矩法拧紧过程中，若摩擦系数过小，拧紧至目标扭矩T时，所获得的轴向预紧力将可能超出设计极限，会造成螺栓拧紧断裂或者被连接件压溃。而若摩擦系数过大，拧紧至目标扭矩T时，所获得的轴向预紧力将可能小于设计的最低要求，则会导致零件松动、异响。

2.2影响螺栓的的屈服轴力

在螺纹紧固件拧紧时，螺栓除受到预紧力产生拉伸应力外，也将受到螺纹之间的摩擦力矩产生切应力，处于一种复合应力状态。

3拧紧力矩

在装配时，需要对螺栓施加一定的预紧力。预紧力可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性，防止受载后连接件之间出现缝隙或滑移"。。如果预紧力太小，作用在螺栓上的载荷会很快使螺栓松动。适当选用较大的预紧力，对螺栓连接的可靠性及连接件的疲劳强度都是有利的。如果预紧力过大，则会使整个连接件的结构尺寸增大，可能导致螺栓在预紧过程中因为偶然过载而被拉断M。。螺栓连接中产生的松动、断裂、连接零部件压陷、破坏等绝大多数问题，都是由于预紧力施加不正确而导致的。拧紧力矩为达到初始预紧力拧紧螺栓或螺母所需要的力矩一o。在螺栓拧紧过程中，通常采用力矩扳手对螺栓的拧紧力矩进行控制，实现螺栓与连接件之间的可靠连接-sJ。螺栓的连接可靠性完全依赖于合适的预紧力，通过控制拧紧力矩间接获得预紧力进而锁紧的方式，是目前常用的操作方法。螺栓拧紧力矩控制也是装配生产中的重要工艺，每个企业均有自己的螺纹紧固件拧紧力矩规范。对于拧紧力矩的大小，通过相应的计算得到理论参考值，然后根据企业产品及装配件的特点，并结合相关工程实践经验进行修订完善而确定。

4拧紧过程对摩擦系数异常的监控方法

对于弹性段的螺纹紧固件的拧紧过程而言，螺栓的拧紧扭矩与旋转角度呈线性关系，且两者比值与螺纹件摩擦系数及螺栓头部与被连接摩擦系数有关。对相同几何参数、机械性能的螺纹连接系统而言，摩擦系数越大，拧紧相同角度时，拧紧扭矩也就越大，故可以通过对拧紧过程的扭矩或者角度进行监控来识别螺纹连接系统的摩擦系数是否存在异常。分别使用摩擦系数控制在0.10-0.13、0.15-0.18和0.20-0.23的几何结构、机械性能完全一致的M8*1.25的螺母以20Nm+90°扭矩转角法参数，对同一结构的被连接件各进行100次拧紧，摩擦系数的差异导致在相同的扭矩转角拧紧参数下，螺纹紧固件的最终拧紧力矩产生了巨大差异。对于相同的扭矩转角拧紧策略，高摩擦系数的螺纹紧固件最终的拧紧扭矩更高。经计算得，对于摩擦系数在0.15—0.18的螺母其最终扭矩不在监控区间的概率为1.34%，对于摩擦系数在0.10—0.13的螺母其最终扭矩不在监控区间的概率为9.39%，而对于摩擦系数在0.20—0.23之间的螺母其最终扭矩不在监控区的概率为11.66%。即意味着，当摩擦系数出现异常时，拧紧合格率将出现大幅变化。故，可以对于扭矩转角法拧紧策略可以通过合理的扭矩监控窗口设置来识别摩擦系数的异常。同理，对于扭矩法拧紧策略可以通过对角度监控窗口设置来进行识别。

5扳手的选用

螺纹紧固件的拧紧、拆卸等工作往往需要使用相应规格的专用工具，如扳手。扳手因为使用方便，成为车间装配生产中最常见的工具之一，也是使用频率最高的螺纹拧紧工具。在装配过程中，不同的螺栓需要选用不同规格的扳手。快速选择正确的扳手，对提高车间工作人员装配熟练程度及提升工作效率有重要作用。通常，经验丰富的车间工作人员凭借工作经验，可迅速确定扳手的规格，而对于新人职的人而言，很难快速找到合适的扳手。由于螺栓规格众多，对应的扳手种类也很多，如果采用死记硬背的方式，不仅效率低，而且容易出错。因此，采用计算的方法可帮助车间工作人员快速选择正确的扳手。六角法兰面螺栓在实际生产中也有广泛应用。目前，六角法兰面螺栓和螺母均有小系列和加大系列之分。两种系列所对应的螺栓头和螺母宽度参数存在差异。加大系列的六角法兰面螺栓和螺母宽度参数与普通六角螺栓头和螺母一致。小系列六角法兰面螺栓和螺母需按以下方式确定：将普通六角螺栓头和螺母计算方法中的螺栓或螺母公称直径改为比所用螺栓公称直径小一个规格的公称直径。

结论

（1）通过对螺纹连接的力学原理的分析，发现摩擦系数将从多方面影响螺纹连接系统所获得的轴向力，进而影响螺纹连接质量，故在汽车生产制造过程中有必要对螺纹紧固件的摩擦系数进行管控。

（2）通过理论分析及试验验证可知，在拧紧过程中设置合理的角度或扭矩监控窗口将有利于识别出螺纹紧固件摩擦系数的异常波动。

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