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        表面處理工藝對螺紋緊固件裝配性能影響的研究


        通過對不同表面處理的螺栓進行扭矩-夾緊力試驗,獲得摩擦性能與扭矩/夾緊力的關系,研究不同表面處理工藝對螺紋緊固件裝配性能的影響。結果表明,采用先進的表面處理技術可以控制螺栓的摩擦系數和散差,提高螺栓的軸向夾緊力。

        1 、前言

              螺紋連接(特別是承受動載荷的重要螺紋連接)的根本目的是利用螺紋緊同件將被連接件可靠地裝配連接在一起,裝配的實質是將螺栓的軸向夾緊力控制在合適的范 圍。螺栓軸向夾緊力范圍取決于連接結構的功能、零件強度、工藝控制方法及控制精度等多方面因素,軸向夾緊力同時受到聯接副摩擦特性的影響。螺栓緊同件的擰 緊是克服支撐面摩擦和螺紋間摩擦的過程,對六角頭螺栓而言,擰緊時總能量的90%,用于克服摩擦,只有約10%的能量用于提供軸向夾緊力螺紋緊同件的摩擦 系數受其材質、表面處理工藝、制造流程和螺紋精度等諸多因素的影響,世界各主要汽車公司對螺紋緊同件摩擦系數的控制范圍是,BMW: 0.09~0.15, Ford:0.11~0.17,GE:0.10~0.16,VW:0.09~0.15,FAW:0.08~0.14。

        2、試驗研究

              以M16×1.5(10.9級)螺栓為研究對象,制造丁藝流程采用熱(處理)前滾絲和熱(處理)后滾絲兩種,表面處理工藝分別為電鍍、電鍍+涂膜、環保電 鍍(C347)和鋅鋁涂層(T647),螺栓的摩擦性能試驗在SCHATZ摩擦性能試驗機上進行,試驗依據為GB/T16823.3《緊同件扭矩-夾緊力 試驗》。

        試驗規范:擰緊至240 N?m;擰緊至屈服;

            樣品數量:25件。

        3、分析與討論

        3.1擰緊至240 N?m時的總摩擦系數

        不同表面處理的螺栓擰緊至240 N?m時的總摩擦系數見圖1。

        由圖1得出以下結論。

        a.電鍍螺栓的總摩擦系數最大,算術差也最大;采用電鍍+涂膜、環保電鍍和鋅鋁涂層處理時,螺栓的總摩擦系數減小,摩擦系數算術差也減小。

        b.對電鍍螺栓而言,制造工藝采用熱處理前滾絲的螺栓的總摩擦系數大于熱后滾絲的,該規律同樣適用于鋅鋁涂層處理的螺栓。

        c. 螺栓在進行熱處理過程中,螺紋表面會產生磕碰傷,局部表面變得凹凸不平。如果螺紋滾絲在熱處理前已經完成,則熱處理時產生的磕碰傷會一直存在,而表面處理 不能降低磕碰傷的影響,故熱前滾絲螺栓經表面處理后的總摩擦系數較大;而熱后滾絲會減輕熱處理過程中產生的磕碰傷,減少螺紋局部表面的凹凸不平,因此螺栓 總摩擦系數降低。

        3.2擰緊至240N?m時的軸向夾緊力

        經不同表面處理工藝處理的螺栓擰緊至240N?m時的軸向夾緊力如圖2所示。



         

        由圖2得出以下結論。

        a.經普通電鍍的螺栓,熱前滾絲的軸向夾緊力最小,熱后滾絲的夾緊力稍有增加。

        b.經電鍍+涂膜處理以及環保電鍍(C347)后,軸向夾緊力增大;采用鋅鋁涂層(T647)處理時,螺栓的軸向夾緊力顯著增加,其中熱后滾絲+鋅鋁涂層處理的軸向夾緊力最大。

        3.3總摩擦系數μ與緊固扭矩T、軸向夾緊力F的關系

        螺栓總摩擦系數μ與緊同扭矩T軸向夾緊力F之間的關系如式(1)所示。

        式中,P為螺距,mm;d2為螺紋中徑,mm;Db為螺栓頭下支撐面的摩擦直徑,mm。

        軸向夾緊力F可用式(2)表示如下                     

                                                                                                                             
              當選定試驗螺栓后,d2和從是同定的。緊同扭矩T一定時,總摩擦系數越大,作用在螺紋上的軸向夾緊力F越小。因此,當試驗螺栓擰緊至240N?m時,熱前 滾絲+電鍍螺栓的總摩擦系數最大,軸向夾緊力最??;而熱后滾絲+鋅鋁涂層處理螺栓的總摩擦系數最小,作用在螺栓上的軸向夾緊力最大。

        3.4 擰緊至屈服時的扭矩

        試驗螺栓擰緊至屈服時的扭矩如圖3所示。

        由圖3得出以下結論。

        a.電鍍螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大;采用電鍍+涂膜、環保電鍍和鋅鋁涂層處理時,螺栓的擰緊至屈服時的扭矩減小。

        b.熱前滾絲電鍍螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大,扭矩散差也較大;采用先進的表面處理工藝后,螺栓擰緊至屈服時的扭矩降低,其中熱后滾絲+鋅鋁涂層處理螺栓擰緊至屈服時的扭矩最小、扭矩散差也最小。

              螺栓擰緊過程是一個克服摩擦(包括螺紋副摩擦及支撐面摩擦)的過程。通常情況下,約90%,的裝配扭矩都被螺紋副摩擦及支撐面摩擦消耗掉了,只有約 10%,的裝配扭矩轉化為螺栓軸向夾緊力。因此,螺栓的摩擦系數越大,擰緊螺栓時因摩擦消耗的扭矩也越大,相應地總扭矩也就越大,故熱前滾絲+電鍍處理的 螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大;而熱后滾絲+鋅鋁涂層的螺栓因摩擦系數最小,故擰緊至屈服時所需的扭矩也最小。

        3.5擰緊至屈服時的軸向夾緊力
        經不同表面處理工藝處理的螺栓,擰緊至屈服時的軸向夾緊力如圖4所示。

               由圖4可知,擰緊到屈服時,對普通電鍍處理的螺栓而言,熱前滾絲的軸向夾緊力最??;采用先進的表面處理工藝后,螺栓軸向夾緊力增加;采用熱后滾絲+鋅鋁 涂層處理時,螺栓的軸向夾緊力最大。另外,不同表面處理工藝處理的螺栓,無論擰緊至240 Nm還是屈服時,其軸向夾緊力的變化趨勢與總摩擦系數變化趨勢正好相反。

        3.6緊固扭距T、軸向夾緊力F、摩擦系數、螺紋公稱直徑d的關系

        理論上,螺栓擰緊過程中緊同扭矩T螺栓軸向夾緊力F、摩擦系數及螺紋形狀尺寸之間的關系見式(3).

              式中,μs為螺紋副摩擦系數;μw為端面摩擦系數; dp為螺栓有效直徑,粗牙螺紋dp≈0.906d,mm;

              dw為端面摩擦圓等效直徑,

        ,mm,du、di分別為摩擦圓的外徑及內徑,mm; d為螺紋公稱直徑,mm;b為螺紋升角,°;a'為垂直截面內的螺紋牙形半角,約為29°58'。

        (3)式右側


        可分別理解為螺紋副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸長(產生軸向夾緊力)消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。
        螺栓被擰緊時受到的是拉-扭復合應力,根據第三強度理論,螺栓許用等效應力σv,可按式(4)求得。

                                                                                                                                                                  
        式中,σ為螺栓軸向夾緊力F產生的拉應力,σ=,MPa;

        為螺栓桿部承受的扭矩Ts所產生的切應力,,MPa。
        根據式(3),作用在螺栓桿部的扭矩,

        并取(粗牙螺紋)、dp=1.05ds代人(4)式可得:

                                                                                                                                    
              由式(5)可知,螺紋副的摩擦系數越大,則螺栓在相同軸力下的等效應力也越大。換言之,螺栓強度選定后,摩擦系數越大,螺栓所能承受的軸向力越??;摩擦系數越小,螺栓所能承受的軸向力越大。

              本研究中,電鍍螺栓熱前滾絲時的摩擦系數最大,擰緊至屈服時,螺栓所能承受的軸向夾緊力越??;熱后滾絲螺栓的摩擦系數減小,螺栓擰緊至屈服時的軸向夾緊力增大;鋅鋁涂層處理的螺栓,熱后滾絲時的摩擦系數比熱前滾絲小,故擰緊至屈服時所能承受的軸向夾緊力大。

        4、結論

              螺栓的軸向夾緊力受連接副摩擦性能的影響,而摩擦系數與螺栓的表面處理工藝以及基體金屬的表面狀態有關。采用先進的表面處理技術,可以控制螺栓的摩擦系數和散差,提高螺栓的軸向夾緊力。

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