紧固件摩擦系数的测定(一)

          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

          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。

     

    紧固件受力分析模型

          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。

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