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紧固件摩擦系数的测定

2018年09月11日 专业知识 评论 1 条 阅读 565 人 次

今天的介绍主要分三个方面,先介绍有关紧固件的力学模型和受力关系,然后会介绍紧固件的摩擦系数如何测量以及目前的标准,第三部分会介绍目前相应的拧紧和摩擦系数的关系,摩擦系数会如何影响装配的效果。

下面的图片显示了紧固件的基本作用原理,紧固件的作用原理是通过两个甚至更多的部件,通过螺栓紧固件把他链接在一起,不发生相对的滑动,这是紧固件最重要的功能;在使用的方面,紧固件的夹紧力或者是轴向力,是紧固件使用中最重要的因素。

紧固件产生的夹紧力必须要在合理安全的相应的公差范围内,紧固件才能正常工作。如果夹紧力过大,螺栓可能会拉伸过长,以至于提前发生疲劳断裂;如果螺栓夹紧力过小,不足以把部件压紧在一起,可能会发生松动,也会引起螺栓的断裂,因此紧固拧紧设计最有挑战的地方是如何控制螺栓紧固件的夹紧力。

以下图片是德国Schatz公司对螺栓拧紧方式的理解,简称四个M,只有把这4个M控制好了,才能有完美的装配的产品,这四个M分别代表:

第一个Ma,即操作者,我们对现场的拧紧,或者螺栓设计人员需要有好的紧固件的基础,并且接受正确的培训;

第二个M,即Material ,不管是连接件螺栓,螺母或者被连接件,材料的等级和选择要符合最佳的设计;

第三个M,即Method,拧紧的方式或者拧紧策略,每个紧固件必须选择符合他们拧紧的策略或者工艺;

第四个M,即Machine,拧紧工具,这点往往被大家忽略,我们关注紧固件往往关注材料和拧紧的工具,有时候现场的实效往往是由于我们选择了错误的拧紧工具,或者我们拧紧的工具没有选择及时的标的所引起的。

下一张图是受力的分析的模型,在整个紧固件的受力分析上,螺栓的受力是不均匀的,而是有不同的硬力集中的地方,这也是我们将来关注失效或者疲劳的时候重点关注的地方。

我们介绍了螺栓的夹紧力,接下来介绍摩擦系数。螺栓的夹紧力和和扭矩的关系,其实我们的摩擦系数是一个桥梁,桥梁决定了什么样的扭矩得到什么样的夹紧力,简单的说摩擦系数来自于我们的扭矩和轴力的比例关系。

这个也很好理解,大家在中学的时候做物理摩擦系数的测定,拉着方块往前进,可以测定方块的表面和桌面的摩擦系数,摩擦系数和拉方块的力气和方块质量是相关的,相关的系数就是我们摩擦系数。

因此,在螺栓的紧固件里,摩擦系数也完全遵循物理的原理。轴力和扭矩的关系可以得到摩擦系数。如果我们在现场控制了扭矩,同时我们的紧固件供应商,或者被连接件摩擦系数稳定,那我们可以控制能得到一个非常稳定的夹紧力;

以上介绍了紧固件的工作原理,以及扭矩和轴力的关系,接下来介绍下摩擦系数的定义以及检测标准

ISO16047,这是目前国际统一执行的有关螺栓紧固件摩擦系数的测试标准。这个标准也是我们德国公司一起参与制定的。需要指出的是这个ISO标准是国际标准,同时市场上有很多企业的标准,像大众的标准,福特的标准,也有相应的摩擦系数的测试标准,需要大家仔细研读不同的标准,因为每一个企业标准或多或少会有执行过程中的差异,这些差异有可能会影响摩擦系数测定或者计算过程中的小的区别。

在这份标准里面介绍的内容涵盖关键性的数据和结果,定义以及计算的公式;比如摩擦系数,总的摩擦系数是多少,螺纹的摩擦系数,支撑面的摩擦系数,螺栓屈服扭矩和破坏扭矩如何计算,此标准都有明确详细的计算公式。

以下张图可以通过Schatz的摩擦系数测试系统,我们叫Schatz多功能紧固分析系统,通过这个软件可以按照不同执行的标准得到相关的测试的拧紧曲线,自动找到屈服扭矩,轴力,以及扭矩和角度的关系。

摩擦系数和拧紧系数K,最大的不同摩擦系数是把摩擦系数分为头下摩擦系数和螺纹的摩擦系数,这对于设计,工艺,质量管理人员很受益,这可以在制造过程中,可以明显找到改善或者改变拧紧状态,是通过在头下还是螺纹设计上做修正,如果出现问题是螺纹还是头下摩擦系数没有控制好。

通过这样的设计,可以分别对头下或者螺纹进行测量和处理。如果是涂胶的厂家,如果要在螺纹上进行涂胶,同时明确确定在螺纹部分的摩擦系数,通过实验,可以精确知道在螺纹上的改进是否改变了当时的摩擦系数。

接下来两张的图片是软件的范例,可以清楚的在软件界面上找到拧紧和扭矩角度的曲线和实施的轴力,同时通过图表来观察总的摩擦系数和螺纹摩擦系数,支撑面摩擦系数他们实际的测试情况。


如果我们翻阅ISO标准,标准里明确对实验的状态进行确认,比如拧紧的速度,实验的温度。

需要指出摩擦系数影响因素很多,和钻速,材料的强度,热处理,表面涂覆状态都很有关系,因此在测试摩擦系数,需要把实验条件确定下来,这样使得摩擦系数的实验数据具有可比性。

接下来是显示的是轴力传感器,摩擦系数是怎样测定的呢?

其实我们是按照可靠的拧紧机来设定拧紧的策略,钻速,目标扭矩,同时可以得到总扭矩和角度这两个数据。另外图片上显示的是轴力传感器和螺纹扭矩传感器,一个复合传感器,复合传感器可以直接在拧紧的过程中把螺栓的轴力测定出来,同时也能实时测定螺栓在拧紧过程中的螺纹扭矩。

以下图显示我们工装的盘和垫片。我们在做摩擦系数测定的时候,垫片的硬度和粗糙度在标准中有详细的要求,按照要求中,这些垫片只能使用一次,使用完之后,必须需要重新打磨。

通过这样的方式,每次摩擦系数实验的时候,保持同样的接触状态,这样可以得到准确的结果。

在多功能拧紧紧固分析系统中,我们可以做2类实验,一类是标准的摩擦系数实验,以测试螺栓为例,在拧紧的过程中需要使用标准的垫片和标准的螺纹,这样测试的过程中,测试结果可以直接反应螺栓本身的一些问题;如果是螺母的摩擦系数时候,需要同时使用标准螺栓,通过标准螺栓,测试的结果可以真实的反应螺母本身的摩擦系数的变化。

有些客户反馈在实际装备中没有用螺母,真实的状态下,轴向力是多少。那么第二种实验是工艺模拟装配实验,我们需要尽可能的使用和现场装配中相似的材料,包括螺母,包括相类似的夹紧长度,实验的状态越接近实际装配,在实验室测试的结果,夹紧力也就越代表真实的情况。

我们在做摩擦系数测定的时候,需要注意垫片是不允许转动的,需要进行有效的固定。

在标准测试螺栓,测试螺母的要求,在标准中可以详细了解,对清洁度,涂油或者不涂油都有详细的实验条件规范;未来在做标准的螺栓的摩擦系数的时候,需要对螺栓的实验的条件进行确认。

接下来介绍下报告的格式,在最后的测试报告中需要写明实验的条件,这样测试的方法才是可重复性的,客户用一个测试方法,这样可以得到一个可以比对的结果。

最后介绍下摩擦系数对装配质量的影响。下图可以看见在汽车行业中,常用的摩擦系数在0.08-0.14之间,圆饼图中显示,如果采用同样的扭矩,由于摩擦系数不同,夹紧力会非常的不同。0.08可以产生20%的夹紧力;当0.14 摩擦系数偏大的时候,这个时候夹紧力只有12%。

还有一个实际的案例,以M12的紧固件,都拧紧到100Nm,如果摩擦系数是0.08,那么夹紧力是71KN,如果摩擦系数是0.14,那么他的夹紧力只有44KN。

下面两张图片也是显示低摩擦系数和高摩擦系数的比较,低摩擦系数相同的扭矩下,可以产生更多的轴力,希望可以多关注角度的变化。如果摩擦系数变小的时候,相同的扭矩可以转过更多的角度,这也可以解释为什么越来越多的高端装配线,除了可以用扭矩控制之外,还可以用角度进行监控。用角度监控的优点是,一旦拧紧的角度发生变大或者变小,可以及时报警,报警可以提醒现场的管理人员,异常的来自哪里,是摩擦系数不稳定还是其他的原因所造成的装配不一致。

下面这张图也是非常有意义的,显示了不同的车厂对摩擦系数的要求。可以看出欧美系的主机厂喜欢用0.10-0.16的摩擦系数区间,对于日系的车厂,有时候对摩擦系数的要求比较大,有时候会超过0.20甚至更高。背后的原因主要是因为不同的主机厂对于拧紧的工艺的设计,螺栓的选择,工具的选择都有各自的技术流派。对于日系的厂家来说,往往拧紧装配的工具比较简单,对螺栓进行快速的拧紧,再用扭矩扳手进行扭矩装配的确认。而欧系或者德系的企业,喜欢用高精度的电脑控制的拧紧工具,摩擦系数一般偏小,在比较小的扭矩下可以达到比较大的夹紧力。

最后介绍下拧紧装配设计的简要过程,对于正向开发的螺栓,首先需要对整个部件进行受力分析,需要得到在极端的环境下,螺栓最大,最小需要保持的夹紧力的范围。之后再设计相应的摩擦系数,根据螺栓的摩擦系数范围,再提供准确的装配的扭矩,再通过实验或者查表,VDI2230设计标准等,最后设定选用一个合适尺寸的螺栓以及相应装配的工艺。

在VDI 2230这个标准里,大家可以看见不同的螺栓不同的等级,在不同的摩擦系数范围内,可以得到相应的轴力和扭矩,很多数据是可以通过查表得知。

以下是提问环节:

1. 达克罗螺栓与全金属锁紧螺母配套时,摩擦系数控制在多少比较好,测试中为保证实用,用对锁产品测试是否更好?

关于摩擦系数的控制,目前来讲,对于一些外资企业,由于他们在前期研发过程中在国外做了大量实验或者他们本身的主机厂已经有了一套非常完善的开发体系,因此他们对螺栓摩擦系数有相应的要求,因此一些外资企业往往在采购螺栓的时候会给紧固件供应商非常明确的摩擦系数范围。对于一些国内的自主品牌,一般来讲,他们应该也会有他们自己的一些开发验证实验来确定摩擦系数的最佳范围。控制摩擦系数的原因就是只有我们在现场控制好扭矩,这是对主机厂的要求,对于螺栓供应商来说控制好摩擦系数,我们才能获得一个合理的夹紧力。那么摩擦系数控制在多少比较好,刚刚大家在一些图表中也可以看到,摩擦系数越大,那么达到相同的轴力需要的扭矩就越大;所以摩擦系数越小,那么达到相同的轴力需要的扭矩就越小。因此和主机厂使用的扭矩范围,包括现场工具都是有相关性的。

2. 对比试验的标准?比如短螺栓,是用任何一个长一点的替代就可以,还是要使用短螺栓的长杆件。

对于短螺栓,我们也开发了一些特别适合短螺栓测试的工装来满足短螺栓的要求。如果实在是由于螺栓太短而无法进行测试的时候,国外的一些主机厂也有相应的替代方案,就是用其他的,比如的螺栓,它随着你的生产工艺完整的走一边,然后再来进行测试。

3. 不同的对手件状态对摩擦系数实验结果的影响。(例如:测量螺栓的摩擦系数时,螺母的表面处理不同,会对结果产生怎样的影响,希望能有实验数据说明)

不同的对手件状态肯定会对摩擦系数测定有影响。比方说我们用同一批次的螺栓来进行测试,但是使用的螺母的生产厂家不同或者是它们本身的内部的摩擦系数控制不同,那我们做出来的结果肯定会有影响。因此我们特别强调,如果我们根据标准做一个摩擦系数的时候,大家一定要约定好对手件的一些状态,它的表面处理是否清洁,是否需要清洗等等。那么这样的话我们才能通过这个实验来反映出测试本体,也就是螺栓,它本身的表面状态的波动。

4. 在摩擦系数测量不在范围内时,如何进行失效分析?尺寸Vs表面处理Vs测量方法Vs ?

如果摩擦系数测量不在范围内,我们要去找不达标的原因。我们前面也讲了,摩擦系数的测量有非常多的影响因素,包括拧紧机的转速、所用的垫片、对手件的情况,当然还有螺栓或螺母本身处理的工艺,这些都会对摩擦系数有影响。

5. 以发动机为例,装配时,作用与螺栓的装配扭矩是怎么确定的?

我简单介绍一下,因为我们是主业是做测试。对于设计的话,我想将来可以由设计专家来给大家介绍。那么我们在做装配的时候,其实首先还得先确定发动机,比如以缸体缸盖为例,那么缸体缸盖所需要的最大的一个夹紧力,那么这个计算可以以每个缸体爆发的时候最大的缸内压乘上缸的面积然后乘上三缸还是四缸,然后这些总的压力由多少个螺栓来进行分配来得出大致的螺栓所要承载的力的多少,有了这个力我们再确定螺栓的摩擦系数,我们就可以大致算出所需要的装配扭矩了。

6. 据说螺纹表面磷化处理,三四个月后就能变化,导致摩擦系数变化,不知道是否真这样?

我们确实有碰到过做好表面处理时间长了以后,再做摩擦系数确实有一定的影响,但还是要看具体情况。比方讲如果我们的螺栓表面有附着的润滑的一些物质,如果在运输或者是保管的过程中间,温度的变化,一些润滑的介质失效了以后,那么肯定会对最后的摩擦系数产生影响。

7.表面处理对摩擦系数的影响有多大?常用的3价铬电镀不同钝化液厂家的溶液会导致摩擦系数不一样吗?

表面处理对摩擦系数的影响非常大。因为不同的表面处理直接可以导致最后摩擦系数不同。比如说化学试剂的供应商有不同的牌号,每一种牌号可以帮助紧固件最后能够达到或者是把它的摩擦系数控制或者稳定在一定的阶段。

8. 摩擦系数测试可做对比实验么?对测试结果一致性如何评价?

摩擦系数测试可以做比对实验。我们曾经参与了德国螺栓协会的比对实验。那么这个比对实验的话简单来讲,它需要有非常好的一些标准的螺栓,包括螺母,包括垫片,那么你收到这些装置以后你根据测试的规范要求来进行测试,最后你得到相应的你的测试结果。然后我们把我们自己的测试结果递交给主办这个摩擦系数比对实验的组织,然后由他来进行最终的一个评判和分析。

9. 有一些拧紧程序设定为拧紧一次达到力矩后,旋松,再次拧紧,最终按力矩和角度监控,这是出于什么原因考虑的?

这种拧紧的措施的话,往往可以使得我们在第一次拧紧的时候,表面的摩擦状态可以达到一个比较稳定的阶段,那我再进行第二次拧紧的过程中相应的我们会达到一个比较均匀的状态。

10.螺栓紧固后会有扭力的衰退,怎样衡量这个扭力衰退?有没有标准可以参考?

绝大多数的螺栓在进行拧紧以后多多少少都会有一些轴力衰退的情况,那么衡量这个衰退是否有问题完全取决于我们最终保持在样件里的轴力是否能够比较安全的把我们的被连接件紧固而不发生松脱,那么这个是最重要一个标准和衡量的要求。

11. 带弹簧垫片或者平垫片的螺栓可以测量摩擦系数吗 ?

当然是可以的。但是需要注意的是,特别像弹簧垫片,我们在测试过程结束以后,我们还要关注一下我们的接触面。因为我们在计算摩擦系数的时候,最终应该以实际的接触面作为我们判断和计算摩擦系数的一个的值。

12.螺栓摩擦系数偏大能否通过加润滑油解决呢?

螺栓的摩擦系数偏大当然可以通过加润滑油来解决,但问题是我们加润滑油是不是能够把我们的摩擦系数控制在一个稳定的范围。因为我们现场的扭矩目前还不会智能的根据每一颗螺栓的摩擦系数来调整拧紧状态,那么现场的扭距都是一定的,因此的话你的摩擦系数控制的越稳定,那么将来装配出来的产品的被连接件里的夹紧力才越稳定,那么我们的产品才越安全。

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  1. 除尘

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