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螺纹连接件的摩擦力
W.A. Grabon , M. Osetek , T.G. Mathia
关键词：
摩擦学、表面形态、螺纹连接件、螺栓、螺母
摘要：
复杂的摩擦现象，发生在螺纹紧固件的接口，导致扭矩在拧紧过程中的值是可变的，并呈现不同的现象。下面的研究中，螺纹连接的基本问题与实际精确性能的计量有关，并阐述了相关预测，特别是守控制时的夹紧力产生的扭矩。在此，根据ISO 16047螺纹紧固件的装配说明和DIN 933标准进行了系统的摩擦学研究。螺纹连接的形态同时考虑了紧固过程中的摩擦过程，并进行了分析。经过每个周期的摩擦学调查，对观测和测量结果进行了阐述和评述。基于对欧元15178n处方的语境形态分析的科学考试选择适当的粗糙度三维参数相关的摩擦学ISO标准调查讨论，对螺纹紧固件的表面形貌进行了测量修改。在本论文中对重要结果进行了分析、说明和统计描述。因此，制造工艺和表面形貌的影响在摩擦学方面基本上是必不可少的。
1.介绍
螺纹装配通常由螺栓、螺母一个或多个的垫圈组成。人们普遍分不清螺钉和螺栓。我们中的许多人甚至专业人士倾向于交替使用这两个术语。一般来说，这不是问题，而是写科学论文的时候应指出的两者的不同。螺栓和螺钉之间有一些实用的技术差异，但也有一些共同的工程特性。根据所提出的定义参考文献：螺栓借助螺母用于装配两个光元件，螺钉用于装配其中至少有一个元件的内部有螺纹，也可以在螺钉安装。根据螺纹紧固件的连接方式，可以称它们为螺栓或螺钉，如图1.。
图1.常见的螺栓或螺钉
螺栓通常用来做螺栓连接，这是机械设计与施工中的最常用元素。螺栓接头包括固定和连接其他部件并紧固的紧固件和螺纹联接。然而，这与一般理解和不同的使用在紧固件行业螺栓和螺丝钉是不同的。根据ISO 1891，紧固件术语和命名，一个六角螺栓有一个普通的光杆，而六角螺丝是螺纹头。工业界所理解并普遍使用的是ISO术语。
在工业中有不同类型的螺栓连接设计，其中有两个可以区分，所谓的张力接头和剪切接头。目前的研究主要集在张力连接而不是剪切，不同科学的原因，对于拉紧接头，紧固件组件被设计和成形以传送应用应变，通过压缩元件的接头。也是出于科学原因，排除了装配体的弹塑性变形和适当的变形，接头和螺栓弹性刚度的平衡是预期的。如果外部不超过夹紧力作用于分离关节的张力，则组合可以正确形成。如果外部张力可逆与否，夹紧部分将分开，使元素的相对运动自由，这是应该避免的。尽管这种紧固件的用途很广，关于各种接触的基本摩擦表面过程仍然缺乏知识。
收缩过程中的拧紧方法和安装扭矩值是工业装配的两个重要方面。接触体的功能特性影响螺纹紧固件的安装扭矩。为了更好地理解摩擦机构的复杂性，要探索不同的影响因素。因此，认真研究界面动态接触力学过程中的摩擦过程确定螺纹紧固件的功能是最基本的动机。
螺纹紧固件是相对保守的结构元素，然而在其领域新的原始解决方案和材料仍然有不断增加的趋势。制造业中，进展可能是最密集的，但出于保密和竞争的原因，显然缺乏信息，这是这个领域中我们交换研究成果和经验的原因。因此，我们要主动收集科学家和工业反应。此外，由于二十一世纪很可能是不存在的螺栓连接，它似乎是无法阻止这方面的发展。螺纹连接种类繁多，它起始于不同医疗（矫形和脊柱）应用的特殊要求，通过对机械技术的特殊要求零件连接（汽车工业，轻型建筑）-特别是自动装配，以不寻常的空间探索要求结束。
每一个领域中，衔接存在的零件技术的特殊要求是这一领域进一步发展的强大力量。人们仍然可以看到螺栓、螺母和螺丝的需求不断上升，尽管这些元件的构造器范围很广。应用与技术的发展增加了对螺栓连接质量的要求，这也适用于材料、生产工艺和特殊种类的几何形状，表面处理，不同的涂层和润滑剂。据弗里多尼亚集团准备的报告，有许多对全球紧固件2018年市场的预测。本报告的细节见参考文献，据显示，紧固件世界市场的工业价值每年的平均增长率为5.4%，实现了去年938亿美元的预测期。据预测，电动机、车辆、机械和其他耐用品产量的增加支持了紧固件市场。据估计，2018年将连接发达国家和发展中国家。因此，从经济的角度来看，在这方面的投资应该确保资本的良好回报，这是值得考虑的。在最近的一些关于螺栓和螺母发展的工作中，也清楚地表明了质量和不平等竞争的螺纹紧固件的经济关键问题之一组件的多参数质量控制不足和分散性摩擦行为。
生产中所使用的材料、所需形状，螺栓和螺母的螺距，制造工艺，热度这些工艺的处理参数甚至使用附加用于紧固件保护涂层等各种因素，对螺纹紧固件的功能特性有影响。除了这些因素外，从功能的角度来看，也很重要，例如装配，装配的适当方案，孔的间隙，施加的扭矩和夹紧力，拧紧速度，以及紧固和松动周期的数量，甚至使用或缺乏润滑剂也非常重要，其中一些对装配效能有较大的影响。
影响螺栓连接可靠性和寿命的最重要因素是夹紧力，它与扭矩和摩擦系数等因素有关。研究表明，从紧固件的拧紧参数来看，螺栓头下摩擦系数的大小对螺栓张力的影响最大。其实质是控制这些参数，并尽量减少它们的不确定性，以确保关节的正确装配。在严格的安全要求下，这一点非常重要，例如航空或汽车工业。美国汽车服务经理的调查显示，23%的服务问题都与松动的紧固件有关。更甚者，他们发现在新车中，有12%辆车的扣件也松动了。与紧固件有关的同样问题也发生在许多其他行业。紧固件松动的主要原因是拧紧不合适。一个完整产品的失败可能是因为一个螺栓不正确或者不合适的拧紧。因此，对紧固件的质量要求越来越高。无缺陷的螺栓和螺母对于现代高度自动化装配程序特别重要。这就需要为机器人装配提供合适的组件，以确保连续的和流体的装配过程。
在这项研究中，它提出和讨论的一个螺纹联接的基本问题是精确准确的性能测量和正确的预测，特别是夹紧力，当扭矩控制测量只被强加。尽管科学兴趣和密集的摩擦学研究，仍然缺乏基本的了解摩擦表面之间的实际联系紧缩期间。由于切削加工或塑性变形，螺纹表面的两种不同加工工艺之间的竞争加剧了困难。螺杆制造工艺的基本原理是一个世纪前提出的。第一个自动螺栓生产的特点是每分钟大约有70个螺栓。工业金属螺丝一般由低至中碳钢丝制成，但其他合金可根据不同用途使用，考虑性能/成本标准的本质平衡的最终应用。不锈钢，黄铜，镍或铝合金目前也使用。
加工表面的粗糙度也与摩擦过程不同。可以发现，伴随螺栓连接拧紧的摩擦过程有不同的来源。图2显示了紧固过程中涉及的接口的简化建模。
图2.拧紧过程中涉及的接口的简化部分：1螺栓，2 -垫圈，3 -夹紧的元件，4 -螺母
毫无疑问，这些接口的粗糙度，以及它们的宏观几何，对螺纹紧固件的摩擦过程产生巨大的影响。图3示出并确认了螺栓和螺母螺纹的内表面和外部之间产生的间隙。
图3a中示出了螺栓和螺母螺纹材料的摩擦区的粘着区。胶缝之间的合作形成的固体，在金属的实例可以导致粘着磨损的发展，可引起–在最坏的情况下–划伤摩擦副。这种缺陷发生在大的塑性变形过程和高温摩擦的微观区域。材料螺栓和螺母的扩散或破坏这些连接的产品是阻止螺母相对于螺栓转动的原因。锁紧螺母的转动导致螺栓上更高的安装扭矩的传递。因此，在最小横截面的平面上，螺栓的倒角可以发生，这是由于超过了螺栓的屈服应力。
螺纹连接过大造成的间隙，例如螺母螺纹的几何形状不正确可能是螺母螺纹中的微裂纹的原因。螺栓中使用的材料也会对紧固过程产生影响。例如，预应力荷载较低，在相同的扭矩螺栓由奥氏体材料与平原完成或没有完成螺栓连接，如擦伤的危险是由奥氏体材料螺栓很高。这些材料的韧性行为导致了比其他钢质量更冷的焊接。表面处理或涂饰涂层对螺杆的操作性能也非常重要。
图3.螺栓和螺母对称轴截面的显微观察；螺纹材料的摩擦区的粘着性（a）；螺纹连接的几何缺陷（b）
此外，这种整理也会导致批次之间的差异。还有一个使用或者锌片完成的方法（ZFF）代替EZP。此外，一个综合的润滑油封口机可应用于EZP将摩擦系数降低到所需的范围，从而减少扭矩-张力关系。尽管在汽车工业中螺纹紧固件的使用中，没有附加润滑剂、稳定摩擦系数的电偶涂层仍然很普遍。许多厂家为螺栓连接设计的VDI 2230部分1指南。这条准则定义了摩擦系数等级，目的是要达到摩擦系数B类的摩擦系数。这个类的摩擦系数在0.08 - 0.16范围内。这可以通过摩擦迪菲尔斯使用实际达到（石墨、二硫化钼，聚四氟乙烯）。
拧紧过程的基本问题：
1.拧紧过程中摩擦发生在哪里？
2.拧紧过程中摩擦系数的变化是什么？
3.安装扭矩分散的原因是什么？
4.接触体的尺寸误差对摩擦力有什么影响？
5.拧紧过程中不同接口的真实接触是什么？
6.在紧缩的宏观及微观过程几何表面的影响是什么？
7.螺纹装配的不同部分有不同的摩擦系数吗？
8.如何测量螺纹装配不同部位的摩擦力？
9.紧缩过程中粗糙的弹塑性变形的机制是什么？
紧固螺纹紧固件最常用的控制方法是通过拧紧以达到指定的扭矩。使用这种方法，在相同的扭矩水平下可能出现大的预载荷变化问题。其中一个例子是当一个获得所需的安装扭矩-但不需要所需的夹紧力的可能性。
科学家将采用多维尺度计量方法解释制造表面的摩擦学特征。转矩控制间接控制的一个主要问题，紧固件的夹紧力是只有一小部分的扭矩实际上用来延长螺栓，大部分是由螺母面和接头和螺纹摩擦吸收。尽管有科学和工业的兴趣，仍然缺乏基本了解摩擦表面之间的实际接触面积在拧紧过程中的演变。
2.拧紧工艺试验过程
系统的研究，在图中显示了步骤（见表1），用螺栓与30mnb4 M10x60钢冷锻和下滚按最低8mu;m电解锌涂料制造8.8类特性进行。
表1 实验研究策略的具体步骤
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步骤 |
任务、目标、调查 |
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1 |
螺栓的制造和螺母的制造 |
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2 |
从试验试验生产分类的螺栓的尺寸选择系列 用于试验研究的生产分类坚果的尺寸选择系列 |
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3 |
20系列试验螺栓的尺寸筛选 从实验系列中选择20种螺母的尺寸滤波 |
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4 |
Tribological调查 |
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5 |
扭矩和摩擦系数的统计数据分析 |
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6 |
螺栓和垫圈表面形貌的测量 |
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7 |
表面参数分析 |
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8 |
摩擦机理分析 |
这一过程允许获得紧固件优越的机械性能，同时也能节省材料。由塑性变形形成的螺栓的特定相位如图4所示。图中最后一个是螺栓后滚轧工艺，螺纹是通过柄的塑性变形获得的，没有任何材料的去除。
图4.螺杆制造过程中的连续塑性变形阶段
分析材料在生产过程中使用的是30mnb4钢，根据EN 10263-4。这种钢的化学成分如表2所示。
螺栓的制造是一个相当复杂的过程，包括材料准备、冷、温或热成型和滚丝。
一个典型的材料制备周期包括：钢卷退火（球化）、酸洗磷化、H
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