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嘉峪檢測網 2019-09-23 15:54
本文主要分三個方面，先介紹有關緊固件的力學模型和受力關系，然后會介紹緊固件的摩擦系數如何測量以及目前的標準，第三部分會介紹目前相應的擰緊和摩擦系數的關系，摩擦系數會如何影響裝配的效果。
下面的圖片顯示了緊固件的基本作用原理，緊固件的作用原理是通過兩個甚至更多的部件，通過螺栓緊固件把他鏈接在一起，不發生相對的滑動，這是緊固件最重要的功能；在使用的方面，緊固件的夾緊力或者是軸向力，是緊固件使用中最重要的因素。
緊固件產生的夾緊力必須要在合理安全的相應的公差范圍內，緊固件才能正常工作。如果夾緊力過大，螺栓可能會拉伸過長，以至于提前發生疲勞斷裂；如果螺栓夾緊力過小，不足以把部件壓緊在一起，可能會發生松動，也會引起螺栓的斷裂，因此緊固擰緊設計最有挑戰的地方是如何控制螺栓緊固件的夾緊力。
以下圖片是德國Schatz公司對螺栓擰緊方式的理解，簡稱四個M，只有把這4個M控制好了，才能有完美的裝配的產品，這四個M分別代表：
第一個Ma，即操作者，我們對現場的擰緊，或者螺栓設計人員需要有好的緊固件的基礎，并且接受正確的培訓；
第二個M，即Material ，不管是連接件螺栓，螺母或者被連接件，材料的等級和選擇要符合最佳的設計；
第三個M，即Method，擰緊的方式或者擰緊策略，每個緊固件必須選擇符合他們擰緊的策略或者工藝；
第四個M，即Machine，擰緊工具，這點往往被大家忽略，我們關注緊固件往往關注材料和擰緊的工具，有時候現場的實效往往是由于我們選擇了錯誤的擰緊工具，或者我們擰緊的工具沒有選擇及時的標的所引起的。
下一張圖是受力的分析的模型，在整個緊固件的受力分析上，螺栓的受力是不均勻的，而是有不同的硬力集中的地方，這也是我們將來關注失效或者疲勞的時候重點關注的地方。
緊固件工作原理
我們介紹了螺栓的夾緊力，接下來介紹摩擦系數。螺栓的夾緊力和和扭矩的關系，其實我們的摩擦系數是一個橋梁，橋梁決定了什么樣的扭矩得到什么樣的夾緊力，簡單的說摩擦系數來自于我們的扭矩和軸力的比例關系。
這個也很好理解，大家在中學的時候做物理摩擦系數的測定，拉著方塊往前進，可以測定方塊的表面和桌面的摩擦系數，摩擦系數和拉方塊的力氣和方塊質量是相關的，相關的系數就是我們摩擦系數。
因此，在螺栓的緊固件里，摩擦系數也完全遵循物理的原理。軸力和扭矩的關系可以得到摩擦系數。如果我們在現場控制了扭矩，同時我們的緊固件供應商，或者被連接件摩擦系數穩定，那我們可以控制能得到一個非常穩定的夾緊力；
螺紋緊固件的工作原理
以上介紹了緊固件的工作原理，以及扭矩和軸力的關系，接下來介紹下摩擦系數的定義以及檢測標準。
ISO16047，這是目前國際統一執行的有關螺栓緊固件摩擦系數的測試標準。這個標準也是我們德國公司一起參與制定的。需要指出的是這個ISO標準是國際標準，同時市場上有很多企業的標準，像大眾的標準，福特的標準，也有相應的摩擦系數的測試標準，需要大家仔細研讀不同的標準，因為每一個企業標準或多或少會有執行過程中的差異，這些差異有可能會影響摩擦系數測定或者計算過程中的小的區別。
在這份標準里面介紹的內容涵蓋關鍵性的數據和結果，定義以及計算的公式；比如摩擦系數，總的摩擦系數是多少，螺紋的摩擦系數，支撐面的摩擦系數，螺栓屈服扭矩和破壞扭矩如何計算，此標準都有明確詳細的計算公式。
以下張圖可以通過Schatz的摩擦系數測試系統，我們叫Schatz多功能緊固分析系統，通過這個軟件可以按照不同執行的標準得到相關的測試的擰緊曲線，自動找到屈服扭矩，軸力，以及扭矩和角度的關系。
摩擦系數和擰緊系數K，最大的不同摩擦系數是把摩擦系數分為頭下摩擦系數和螺紋的摩擦系數，這對于設計，工藝，質量管理人員很受益，這可以在制造過程中，可以明顯找到改善或者改變擰緊狀態，是通過在頭下還是螺紋設計上做修正，如果出現問題是螺紋還是頭下摩擦系數沒有控制好。
如何獲得這些參數
通過這樣的設計，可以分別對頭下或者螺紋進行測量和處理。如果是涂膠的廠家，如果要在螺紋上進行涂膠，同時明確確定在螺紋部分的摩擦系數，通過實驗，可以精確知道在螺紋上的改進是否改變了當時的摩擦系數。
接下來兩張的圖片是軟件的范例，可以清楚的在軟件界面上找到擰緊和扭矩角度的曲線和實施的軸力，同時通過圖表來觀察總的摩擦系數和螺紋摩擦系數，支撐面摩擦系數他們實際的測試情況。
測試曲線
摩擦系數曲線
如果我們翻閱ISO標準，標準里明確對實驗的狀態進行確認，比如擰緊的速度，實驗的溫度。
需要指出摩擦系數影響因素很多，和鉆速，材料的強度，熱處理，表面涂覆狀態都很有關系，因此在測試摩擦系數，需要把實驗條件確定下來，這樣使得摩擦系數的實驗數據具有可比性。
接下來是顯示的是軸力傳感器，摩擦系數是怎樣測定的呢？
其實我們是按照可靠的擰緊機來設定擰緊的策略，鉆速，目標扭矩，同時可以得到總扭矩和角度這兩個數據。另外圖片上顯示的是軸力傳感器和螺紋扭矩傳感器，一個復合傳感器，復合傳感器可以直接在擰緊的過程中把螺栓的軸力測定出來，同時也能實時測定螺栓在擰緊過程中的螺紋扭矩。
以下圖顯示我們工裝的盤和墊片。我們在做摩擦系數測定的時候，墊片的硬度和粗糙度在標準中有詳細的要求，按照要求中，這些墊片只能使用一次，使用完之后，必須需要重新打磨。
通過這樣的方式，每次摩擦系數實驗的時候，保持同樣的接觸狀態，這樣可以得到準確的結果。
在多功能擰緊緊固分析系統中，我們可以做2類實驗，一類是標準的摩擦系數實驗，以測試螺栓為例，在擰緊的過程中需要使用標準的墊片和標準的螺紋，這樣測試的過程中，測試結果可以直接反應螺栓本身的一些問題；如果是螺母的摩擦系數時候，需要同時使用標準螺栓，通過標準螺栓，測試的結果可以真實的反應螺母本身的摩擦系數的變化。
有些客戶反饋在實際裝備中沒有用螺母，真實的狀態下，軸向力是多少。那么第二種實驗是工藝模擬裝配實驗，我們需要盡可能的使用和現場裝配中相似的材料，包括螺母，包括相類似的夾緊長度，實驗的狀態越接近實際裝配，在實驗室測試的結果，夾緊力也就越代表真實的情況。
我們在做摩擦系數測定的時候，需要注意墊片是不允許轉動的，需要進行有效的固定。
在標準測試螺栓，測試螺母的要求，在標準中可以詳細了解，對清潔度，涂油或者不涂油都有詳細的實驗條件規范；未來在做標準的螺栓的摩擦系數的時候，需要對螺栓的實驗的條件進行確認。
接下來介紹下報告的格式，在最后的測試報告中需要寫明實驗的條件，這樣測試的方法才是可重復性的，客戶用一個測試方法，這樣可以得到一個可以比對的結果。
最后介紹下摩擦系數對裝配質量的影響。下圖可以看見在汽車行業中，常用的摩擦系數在0.08-0.14之間，圓餅圖中顯示，如果采用同樣的扭矩，由于摩擦系數不同，夾緊力會非常的不同。0.08可以產生20%的夾緊力；當0.14 摩擦系數偏大的時候，這個時候夾緊力只有12%。
還有一個實際的案例，以M12的緊固件，都擰緊到100Nm，如果摩擦系數是0.08，那么夾緊力是71KN，如果摩擦系數是0.14，那么他的夾緊力只有44KN。
下面兩張圖片也是顯示低摩擦系數和高摩擦系數的比較，低摩擦系數相同的扭矩下，可以產生更多的軸力，希望可以多關注角度的變化。如果摩擦系數變小的時候，相同的扭矩可以轉過更多的角度，這也可以解釋為什么越來越多的高端裝配線，除了可以用扭矩控制之外，還可以用角度進行監控。用角度監控的優點是，一旦擰緊的角度發生變大或者變小，可以及時報警，報警可以提醒現場的管理人員，異常的來自哪里，是摩擦系數不穩定還是其他的原因所造成的裝配不一致。
下面這張圖也是非常有意義的，顯示了不同的車廠對摩擦系數的要求。可以看出歐美系的主機廠喜歡用0.10-0.16的摩擦系數區間，對于日系的車廠，有時候對摩擦系數的要求比較大，有時候會超過0.20甚至更高。背后的原因主要是因為不同的主機廠對于擰緊的工藝的設計，螺栓的選擇，工具的選擇都有各自的技術流派。對于日系的廠家來說，往往擰緊裝配的工具比較簡單，對螺栓進行快速的擰緊，再用扭矩扳手進行扭矩裝配的確認。而歐系或者德系的企業，喜歡用高精度的電腦控制的擰緊工具，摩擦系數一般偏小，在比較小的扭矩下可以達到比較大的夾緊力。
最后介紹下擰緊裝配設計的簡要過程，對于正向開發的螺栓，首先需要對整個部件進行受力分析，需要得到在極端的環境下，螺栓最大，最小需要保持的夾緊力的范圍。之后再設計相應的摩擦系數，根據螺栓的摩擦系數范圍，再提供準確的裝配的扭矩，再通過實驗或者查表，VDI2230設計標準等，最后設定選用一個合適尺寸的螺栓以及相應裝配的工藝。
在VDI 2230這個標準里，大家可以看見不同的螺栓不同的等級，在不同的摩擦系數范圍內，可以得到相應的軸力和扭矩，很多數據是可以通過查表得知。
擰緊方法-扭矩控制法
以下是緊固件摩擦的問題解答：
1． 達克羅螺栓與全金屬鎖緊螺母配套時，摩擦系數控制在多少比較好，測試中為保證實用，用對鎖產品測試是否更好？
答：關于摩擦系數的控制，目前來講，對于一些外資企業，由于他們在前期研發過程中在國外做了大量實驗或者他們本身的主機廠已經有了一套非常完善的開發體系，因此他們對螺栓摩擦系數有相應的要求，因此一些外資企業往往在采購螺栓的時候會給緊固件供應商非常明確的摩擦系數范圍。對于一些國內的自主品牌，一般來講，他們應該也會有他們自己的一些開發驗證實驗來確定摩擦系數的最佳范圍。控制摩擦系數的原因就是只有我們在現場控制好扭矩，這是對主機廠的要求，對于螺栓供應商來說控制好摩擦系數，我們才能獲得一個合理的夾緊力。那么摩擦系數控制在多少比較好，剛剛大家在一些圖表中也可以看到，摩擦系數越大，那么達到相同的軸力需要的扭矩就越大；所以摩擦系數越小，那么達到相同的軸力需要的扭矩就越小。因此和主機廠使用的扭矩范圍，包括現場工具都是有相關性的。
2． 對比試驗的標準？比如短螺栓，是用任何一個長一點的替代就可以，還是要使用短螺栓的長桿件。
答：對于短螺栓，我們也開發了一些特別適合短螺栓測試的工裝來滿足短螺栓的要求。如果實在是由于螺栓太短而無法進行測試的時候，國外的一些主機廠也有相應的替代方案，就是用其他的，比如的螺栓，它隨著你的生產工藝完整的走一邊，然后再來進行測試。
3． 不同的對手件狀態對摩擦系數實驗結果的影響。（例如：測量螺栓的摩擦系數時，螺母的表面處理不同，會對結果產生怎樣的影響，希望能有實驗數據說明）
答：不同的對手件狀態肯定會對摩擦系數測定有影響。比方說我們用同一批次的螺栓來進行測試，但是使用的螺母的生產廠家不同或者是它們本身的內部的摩擦系數控制不同，那我們做出來的結果肯定會有影響。因此我們特別強調，如果我們根據標準做一個摩擦系數的時候，大家一定要約定好對手件的一些狀態，它的表面處理是否清潔，是否需要清洗等等。那么這樣的話我們才能通過這個實驗來反映出測試本體，也就是螺栓，它本身的表面狀態的波動。
4． 在摩擦系數測量不在范圍內時，如何進行失效分析？尺寸Vs表面處理Vs測量方法Vs ？
答：如果摩擦系數測量不在范圍內，我們要去找不達標的原因。我們前面也講了，摩擦系數的測量有非常多的影響因素，包括擰緊機的轉速、所用的墊片、對手件的情況，當然還有螺栓或螺母本身處理的工藝，這些都會對摩擦系數有影響。
5. 以發動機為例，裝配時，作用與螺栓的裝配扭矩是怎么確定的？
答：我們在做裝配的時候，其實首先還得先確定發動機，比如以缸體缸蓋為例，那么缸體缸蓋所需要的最大的一個夾緊力，那么這個計算可以以每個缸體爆發的時候最大的缸內壓乘上缸的面積然后乘上三缸還是四缸，然后這些總的壓力由多少個螺栓來進行分配來得出大致的螺栓所要承載的力的多少，有了這個力我們再確定螺栓的摩擦系數，我們就可以大致算出所需要的裝配扭矩了。
6. 據說螺紋表面磷化處理，三四個月后就能變化，導致摩擦系數變化，不知道是否真這樣？
答：我們確實有碰到過做好表面處理時間長了以后，再做摩擦系數確實有一定的影響，但還是要看具體情況。比方講如果我們的螺栓表面有附著的潤滑的一些物質，如果在運輸或者是保管的過程中間，溫度的變化，一些潤滑的介質失效了以后，那么肯定會對最后的摩擦系數產生影響。
7．表面處理對摩擦系數的影響有多大？常用的3價鉻電鍍不同鈍化液廠家的溶液會導致摩擦系數不一樣嗎？
答：表面處理對摩擦系數的影響非常大。因為不同的表面處理直接可以導致最后摩擦系數不同。比如說化學試劑的供應商有不同的牌號，每一種牌號可以幫助緊固件最后能夠達到或者是把它的摩擦系數控制或者穩定在一定的階段。
8. 摩擦系數測試可做對比實驗么？對測試結果一致性如何評價？
答：摩擦系數測試可以做比對實驗。我們曾經參與了德國螺栓協會的比對實驗。那么這個比對實驗的話簡單來講，它需要有非常好的一些標準的螺栓，包括螺母，包括墊片，那么你收到這些裝置以后你根據測試的規范要求來進行測試，最后你得到相應的你的測試結果。然后我們把我們自己的測試結果遞交給主辦這個摩擦系數比對實驗的組織，然后由他來進行最終的一個評判和分析。
9. 有一些擰緊程序設定為擰緊一次達到力矩后，旋松，再次擰緊，最終按力矩和角度，這是出于什么原因考慮的?
答：這種擰緊的措施的話，往往可以使得我們在第一次擰緊的時候，表面的摩擦狀態可以達到一個比較穩定的階段，那我再進行第二次擰緊的過程中相應的我們會達到一個比較均勻的狀態。
10.螺栓緊固后會有扭力的衰退，怎樣衡量這個扭力衰退？有沒有標準可以參考？
答：絕大多數的螺栓在進行擰緊以后多多少少都會有一些軸力衰退的情況，那么衡量這個衰退是否有問題完全取決于我們最終保持在樣件里的軸力是否能夠比較安全的把我們的被連接件緊固而不發生松脫，那么這個是最重要一個標準和衡量的要求。
11. 帶彈簧墊片或者平墊片的螺栓可以測量摩擦系數嗎 ？
答：當然是可以的。但是需要注意的是，特別像彈簧墊片，我們在測試過程結束以后，我們還要關注一下我們的接觸面。因為我們在計算摩擦系數的時候，最終應該以實際的接觸面作為我們判斷和計算摩擦系數的一個值。
12.螺栓摩擦系數偏大能否通過加潤滑油解決呢？
答：螺栓的摩擦系數偏大當然可以通過加潤滑油來解決，但問題是我們加潤滑油是不是能夠把我們的摩擦系數控制在一個穩定的范圍。因為我們現場的扭矩目前還不會智能的根據每一顆螺栓的摩擦系數來調整擰緊狀態，那么現場的扭距都是一定的，因此的話你的摩擦系數控制的越穩定，那么將來裝配出來的產品的被連接件里的夾緊力才越穩定，那么我們的產品才越安全。
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