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标准与技术

螺纹摩擦系数检测对紧固件失效率影响的探讨

发布时间:2019-04-12   来源:GAF螺丝君   作者:田野 等  

  现代生活中经常用到机械产品, 机械产品在使用中却发生质量事故, 比如连接紧固件处松动、断裂、拧紧力衰减等问题, 这些问题在生活中较为常见, 然而却没有最佳的解决办法。

  本文结合大量的关于螺纹摩擦系数检测对紧固件失效原因的资料, 同时对重型汽车整车制造生产状态和试验装车工出现的失效实际情况分析, 对螺纹摩擦系数检测对紧固件失效率影响进行探讨, 并对如何解决紧固件失效问题, 提高机械产品质量, 提出对策和建议。

  目前重型汽车在整车装配中经常会出现螺栓连接失效现象, 虽然有专家提出一些问题原因所在, 但是并没有有效措施。专家认为是因为加紧力小造成了螺栓连接松动, 拧紧力衰减问题, 结论是由于装配过程中螺纹紧固件摩擦系数不稳定, 加紧力没有达到防松力值造成的。

  关于这个问题笔者查阅了大量的关于螺纹摩擦系数对紧固件的影响资料, 结合了在实际使用过程中可能会出现的问题, 对紧固件失效形式, 原因和意义作一下分析和探讨。

  1. 紧固件松动原因

  1.1 螺纹紧固件在使用中产生的失效形式

  在实际使用中螺纹紧固件会出现五种失效形式, 分别是螺杆断裂、螺杆螺纹脱扣、螺母螺纹脱扣、螺杆螺母的螺纹同时脱扣、螺栓和螺母因为松动最终丧失工作能力。

  这五种情况在生产和专门试验装车的试验车辆实际使用过程中和试验工况下都有可能出现, 其中最后一种可以由前面几种情况引导发生。

  共同之处就是都有螺纹紧固件大范围松动脱扣现象出现, 松脱情况比例远大于断裂情况。

  不同之处在于正常生产的螺纹紧固件比试验装车在试验工况下工作的螺纹紧固件发生断裂情况较多, 实际工况下工作的紧固件发生断裂的可能性大些。

  1.2 螺纹松动原因

  在实际工作中, 螺纹经常会出现松动现象, 螺纹松动也就是螺栓连接全部或部分失去轴向预紧力。既然在生产中螺纹具有了自锁的条件优势, 而且还能做到摩擦力的情况下可以锁紧, 那么为什么汽车在使用中会出现松动呢?

  科学研究表明, 在静载条件下, 螺栓只有一种效果, 就是承受轴向载荷, 但是运行中螺纹升角会发生自身作用, 拧松螺母和拧紧螺母的扭矩出现差异, 一般松动力矩是拧紧力矩数值的百分之八十, 如果这时候有连接摩擦力的情况, 连接不会松动。

  变荷载、振动、冲击是影响螺纹紧固件松动的主要因素。汽车用紧固件大部分都是出于振动或者冲击的工作环境中, 而且因为零件的惯性和其他连接的零件的相互作用, 导致螺纹的摩擦系数逐渐降低, 甚至还可能会出现摩擦阻力瞬间消失的情况, 这种情况一旦产生就会导致原有力的平衡关系破坏掉, 这时候螺纹就不能做到自锁了, 就会产生小的滑动力量, 导致松动。

  通过以上分析发现, 拧紧螺母方向比拧松螺母方向需要克服更大的阻力, 所以, 向拧紧螺母方向滑动的可能性并不大, 在使用中如果多次出现小范围的相对滑动就会导致预紧力减少, 出现连接松动现象。

  在很大的应力作用下, 紧固件和被连接件会产生塑性变形, 螺纹连接中互相接触面因为表面粗糙度, 形位误差等原因造成局部塑性变形, 在汽车使用过程中局部塑性变形很大可能性上会继续发生, 最终的结果是连接的预紧力下降, 从而导致连接表面正压力减少, 促使自锁能力下降, 一旦这时候产生外界作用力, 就会加速导致松动现象。

  除了以上两种主要原因外, 在实践中紧固件失效的原因还有其他方面, 比如设计选定的紧固件合适与否, 拧紧机或者扳手是否存在误差, 操作者对拧紧工具的使用方式是否规范, 角度是否正确, 螺栓质量是否合格等, 这些因素都可能导致紧固件失效。

  2. 螺纹摩擦系数的概念和检测意义

  2.1 摩擦系数概念

  摩擦系数的概念就是在基本摩擦条件下, 对紧固件的形状和尺寸不作考虑, 就可以用来测量各种摩擦系数。摩擦系数就是无量钢化数据, 通过测量物理属性可以得出, 他的最终值由表面类型和几何形状决定。

      

  Fv———夹紧力 (为被试件或试验用件保证载荷的75%, 取两者中的较小值) , 单位为kN;

  M———紧固转矩, 单位为Nm;

  d———紧固件公称直径, 单位为mm。

      

      式中μ总———总摩擦系数;

  K———转矩系数;

  d———紧固件公称直径, 单位为mm;

  P———螺距, 单位为mm;

  d2————螺纹中径, 单位为mm;

  Db————螺纹紧固件拧紧下支撑面摩擦直径, 单位为Mm

  Db=(D0+Dh)/2

  D0———螺纹紧固件下支撑面外径 (拧紧端) ;单位为mm;

  Dh———被夹紧孔径或垫片内孔径或螺纹紧固件下支撑 (拧紧端) , 单位为mm, 三者取最大者。

  2.2 力矩系数的定义

  力矩系数K的测量方法不难, 可以通过公式K=T/ (Fd) 计算出来。但是这种计算方法中, 只跟d的值有关, 这表示k指数只有一个尺寸决定。在摩擦条件相同下, 相同尺寸d和相同面积的紧固件, K指数可以通过力矩-夹紧力计算。

  2.3 影响螺纹摩擦系数的因素

  螺纹摩擦系数μ总 (对应力矩系数K值) 是个无量纲数据, 通过可测量的物理特性可以算出来, 它是由所连接的表面类型和几何形状, 摩擦范围不变的情况下, 可以通过力矩-夹紧力算出来。

  当达到理想状态时, 可以通过力矩—夹紧力计算得出螺纹紧固件摩擦系数μ总 (对应力矩系数K值) 应该是一个恒常值。

  这些数值通过在实践中进行计算, 就可以算出结论, 在实际生产过程中上述参数的离散型比较大, 导致了螺纹紧固件的摩擦系数出现离散型, 如果以上所有数据的参数在规定范围内, 那么螺纹紧固件的系数离散型就是可控的。

  2.4 螺纹摩擦系数意义

  通过上述数据分析得出, 螺纹紧固件摩擦系数只是反应了不同规格的螺纹紧固件力矩与加紧力之间的关系, 在企业研发过程对螺纹紧固件失效理论研究较多, 经常对螺纹失效继续分析, 也可以通过对物理尺寸进行测量, 被夹紧孔径或者螺纹紧固件下支撑面内径计算得出。

  在汽车实际设计过程和投入生产中, 可以对紧固件的规格根据数值进行对比选取, 也可以通过摩擦系数修正装配力矩。因此, 从理论上讲, 螺纹紧固件摩擦系数应是定值。

  3. 摩擦系数稳定剂对螺纹摩擦系数和螺栓紧固件失效率影响

  3.1 摩擦系数稳定剂对螺纹摩擦系数影响

  摩擦系数稳定剂是改善螺纹摩擦系数的有效手段, 广义上说的摩擦系数稳定剂的作用是用来降低和稳定摩擦系数的润滑披覆剂。在紧固件的应用范畴中, 摩擦系数稳定剂具有促进紧固件攻牙的速度, 可以实现降低锁入扭力及防止紧固件摆动环境下的松动。

  研究发现, 紧固件之间的摩擦系数值之间的变异差可以降低, 只要采取合理有效的方式, 可以很快减低, 这样就能够很大程度上提高紧固件的整体品质与机件组装以后的安全性, 最大可能的实现了预置转矩与自动化组装设定的要求值。

  摩擦系数稳定剂是一种含有高分子聚合物的水性胶状分散液, 在实际使用中采用浸渍方式涂覆, 经烘干固化后形成一层薄薄的润滑的膜附着在外层, 这种润滑膜具有降低摩擦系数, 在使用中减少摩擦系数差异的功能。而且这种润滑薄膜因为厚度极薄, 实际上不会产生影响公差的情况。

  3.2 摩擦系数稳定剂对紧固件失效影响

  在紧固件摩擦系数设计允许范围内使用摩擦系数稳定剂可以将摩擦系数稳定在一个固定值范围, 实现符合自动化装配对螺纹紧固件装配质量稳定性的要求, 因此自身制造缺陷导致出现摩擦系数问题也就无法弥补了, 所以才不能产生影响公差的问题。也就是说摩擦系数稳定剂虽然可以改善摩擦系数但是对于紧固件的失效控制并不会有实质效果。

  4. 螺纹紧固件失效控制建议

  螺纹紧固件失效的原因主要是螺纹紧固件摩擦系数太大, 在使用中可以采用摩擦系数稳定剂方式帮助减少小摩擦系数, 但是能够解决螺纹紧固件失效的质量问题是不合理的。

  通过查找众多关于螺纹紧固件资料的基础, 再结合实际汽车生产情况出现的螺纹紧固件失效情况, 可以提出以下建议:

  (1) 企业需要对摩擦系数的影响原因和离散规律做更详细的研究分析。

  (2) 螺纹紧固件质量是否符合要求规范, 在材质要求, 零件尺寸大小方面, 在进厂质检时是否符合标准。实则, 螺纹的直径, 螺纹材料热处理情况, 表面粗糙度、硬度、润滑情况、抗疲劳性能、内倒角等因素都与螺纹装配转矩有关系, 可见螺纹装配转矩的数值影响因素不仅是与摩擦系数有关, 但目前实践中质量部门提供的材料中, 对这方面还没有引发强烈的重视, 众多电力企业在以后的研究中, 对这方面要加强研究, 进一步细化。

  (3) 要重视对螺纹紧固件装配工艺的制定合理化, 现场管理要逐渐完善, 提高现场工作质量和效率。

  (4) 供货商最好具备相应的检验手段, 可以对其中的问题进行检验, 及时改进。

  5. 结束语

  综上所述, 螺纹摩擦系数是企业在实际活动中通过计算得出的无量钢数, 能够反应一定的产品质量问题, 但是国际标准却是将这个数值当实验数据, 无量纲数自身的性质也影响了其并不能作为反应摩擦系数的根本原因。

  现阶段整车螺纹紧固件问题较为严重, 而且造成这个问题的原因可能性很多, 设计环节复杂, 比如设计环节、装配环节、产品生产制造环节等, 如果对影响紧固件本身质量问题造成的原因不做考虑, 深入研究螺纹紧固件失效原因并达到最大限度避免失效发生, 从产品设计分析到后期的开发、实验、研究、购买等各个环节都需要做更加完善的处理方式。

  螺纹摩擦系数和紧固件失效模式虽然有一定的联系, 但是因为常规的物理侧脸参数方式就可以实现控制螺纹摩擦系数的目的, 另外这类型的设备价格比较贵, 所以, 在实际生产中用作整车质量控制的手段是不合理的, 企业需要不断寻求更有效方式。

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