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嘉峪檢測網 2025-03-19 10:33
摘要：采用螺栓螺母的螺紋連接結構具有廣泛的運用，扭矩法擰緊則是螺紋連接各類擰緊中的最為廣泛運用的擰緊方法。為了保障采用扭矩法擰緊的螺紋連接副的可靠性和穩定性，需要對螺紋連接副的扭矩和預緊力關系進行試驗和研究。在制訂裝配工藝時，也需要結合螺紋副的實際情況和螺紋部位的潤滑狀態等選用合適的裝配工藝。本文針對M12 的鍍鋅螺栓，選用不同類型的螺母和螺紋潤滑介質研究其扭矩和預緊力關系。結果表明，不同潤滑介質對螺紋副的扭矩和預緊力關系有一定影響，對于不同類型的螺母，其影響程度也不同。同時通過分析差異性，對螺紋副的工藝選擇進行了一定探討，為如何選擇合理的裝配工藝提供了一定啟發。
引言
螺紋連接結構具有可靠性高、結構簡單和維修維護成本低的優點，在各類裝備制造領域中均有非常廣泛的應用。目前螺紋連接中螺栓和螺母的擰緊較長采用的方式有扭矩法、扭矩-轉角法、屈服點控制法和純拉力法等。其中，扭矩法是螺紋擰緊最基本的方法，在操作上最為直接而簡單，擰緊時通常只需要扭力扳手或擰緊軸即可實現，對設備的要求最小，且可在產品出廠后各個復雜的環境中實現維護與修復。因此扭矩法擰緊螺紋在成本上和易用性上有較大的優勢。
采用扭矩法擰緊螺紋副的主要原理為，通過施加扭矩克服螺紋等部位的摩擦阻力而拉動螺栓伸長，所使用的扭矩和螺栓的預緊力存在近似線性的關系：T=kFD
其中，k 是與螺紋副相關的系數，它的數值主要取決于螺紋等接觸面上的摩擦系數和表面狀況，這是由于扭矩法擰緊時主要克服螺紋和接觸面上的摩擦力，而該摩擦力與接觸面上的正壓力（螺紋系統中，正壓力由螺栓預緊力提供）成正比例關系。
通常來講，評價螺紋副的優劣有兩個主要的標準，一是能否得到穩定的螺栓預緊力，這是由于螺栓的預緊力過低會導致連接件的接觸面發生分離，失去緊固效果，而預緊力過高，在裝配時會拉斷螺栓，或者留下安全隱患[1]。因此螺栓的預緊力必須穩定在一定的范圍內，即螺紋副之間的摩擦狀態需要進行控制以穩定k 值；二是較低但是合理的摩擦系數，若摩擦系數偏高，摩擦阻力增大，k 值也會偏大，在擰緊時既無法獲得足夠的預緊力，還會導致螺紋部位的接觸面發生變化而偏離原有的線性關系甚至鎖死而無法繼續擰緊。因此可以看出，螺紋之間的界面摩擦狀態對緊固件的使用有非常密切的關系，通常，在緊固件的使用過程中，會采用潤滑劑涂抹在螺紋上，減小螺紋間的摩擦阻力，取得較低而又較為穩定的扭矩系數[2，3]。但是潤滑劑的種類較多，且適用的環境、螺紋副結構以及表面狀況等均不同，因此在具體使用過程中，通常采取實驗進行針對性的研究[3，4]。本文針對制動試驗設備上所使用的緊固件，采用不同的潤滑劑和螺母進行扭矩系數的研究，同時利用具體的使用環境，研究潤滑劑對緊固件實際使用過程中影響，由此探討不同螺紋潤滑劑對螺紋緊固工藝與使用環境中的螺紋緊固與防松的影響。
1. 試驗
為了測定緊固件的扭矩系數，試驗選用鍍鋅六角螺栓作為樣件，螺栓規格M12，等級10.9 級，分別匹配M12 的鍍鋅六角螺母和六角鎖緊螺母進行扭矩系數試驗，同時潤滑劑選用潤滑油、MoS2 噴劑和潤滑油+MoS2 三種進行對比，其中MoS2 噴劑成分為MoS2 和可揮發的溶劑，在噴涂后會快速消失僅存留MoS2。試樣分組與選樣如表1 所示。試驗采用軸向力測試儀進行，通過卡板固定螺栓頭部，并用一定的扭矩分多次扳手擰緊螺母，最高扭矩100Nm，利用軸向力測試儀中的傳感器記錄不同扭矩擰緊后的預緊力，以此計算扭矩系數，每一組測10 套緊固件。
2. 結果與討論
2.1 潤滑劑對預緊力的影響
圖1 所示為螺栓+普通螺母采用不同潤滑劑所獲得的預緊力-扭矩關系，可以看出，采用不同潤滑劑的螺紋副在擰緊過程中，預緊力與扭矩之間比較符合線性關系，但是在同樣使用100Nm 扭矩擰緊時，采用不同潤滑劑擰緊所獲得的預緊力有所區別，采用MoS2 噴劑時預緊力最低，為50.7kN，低于其余兩組，其中采用潤滑油獲得預緊力為55.2kN，采用潤滑油+MoS2 噴劑作為潤滑介質獲得預緊力為56.3kN。
圖2 所示為螺栓+鎖緊螺母采用不同潤滑劑所獲得的預緊力-扭矩關系，可以看出，選用螺栓和鎖緊螺母組成的螺紋副在擰緊過程中同樣符合線性關系，而采用不同潤滑劑在擰緊后的預緊力也有所區別。其中采用潤滑油潤滑預緊力最低，采用MoS2 噴劑的其次，潤滑油+MoS2 噴劑的最高。三者的最終預緊力分別為44.1kN，47.0kN 和49.7kN。從上述結果可以看出，在螺紋部位涂抹潤滑劑相對于無潤滑的情況下可獲得更高的預緊力，這與此前的研究結果類似[5，6]，同時還可以看出，無論是鎖緊螺母還是普通螺母，采用潤滑油+MoS2 噴劑的潤滑效果均最好，這是在接觸面相互接觸摩擦的過程中，兩種以上的潤滑劑之間會產生協同效應[7]，選用多種潤滑劑作為潤滑介質比采用單種潤滑劑取得更好的潤滑效果。
2.2 潤滑劑對不同型式螺母的影響
通過對比不同使用不同螺母組別的結果可以發現，當選用普通螺母和鎖緊螺母時，潤滑劑對于最終預緊力的影響也是不同的，圖3 所示為三種潤滑劑對采用不同螺母的螺紋副擰緊最終預緊力的影響，可以看出，當采用鎖緊螺母時，無論選用何種潤滑劑，獲得的預緊力均較普通螺母較小，這是由于鎖緊螺母中螺紋的變形結構，在為螺母提供一定的附加力矩起到防松效果的同時，也產生一定額外的阻力，對預緊力的轉化起到不利的影響。同時，對于普通螺母，采用潤滑油比采用MoS2 噴劑能起到更好的潤滑效果，這是由于MoS2 作為一種固體潤滑劑，流動性較差，很難鋪展到螺紋部位的各個部位，因此MoS2 作為相對潤滑油潤而言滑性能較差。而對于鎖緊螺母。采用MoS2 噴劑的潤滑效果反而更好，這是由于鎖緊螺母的螺紋部位有一定的變形結構，在擰緊過程中，螺紋副在變形部位會產生緊密的貼合，若采用流動性好的潤滑油潤滑，這樣緊密的貼合會將破壞潤滑油形成的潤滑膜而削弱潤滑效果，而MoS2 作為固體潤滑能在這樣的場合下附著在螺紋表面上，具有較好的穩定性，能夠持續提供潤滑效果，因此鎖緊螺母采用MoS2 的潤滑效果更好。同時，對于鎖緊螺母，混合潤滑劑的效果更明顯，而混合潤滑劑對普通螺母的作用則不明顯，這是由于普通螺母的螺紋與螺栓的螺紋之間有較好的配合關系，出現咬合的可能性較小，潤滑油的流動性已可以保證接觸面之間形成潤滑膜，此時加入MoS2 對潤滑效果的提升極小。而鎖緊螺母在擰緊時，雖然MoS2 可在螺紋變形的部位形成持久的潤滑效果，但是由于流動性限制難以在整個螺紋接觸面間形成完整的潤滑膜，而在此基礎上添加潤滑油，其較好的流動性可填充在MoS2 無法填充的部位，大幅度的提高潤滑效果。
2.3 潤滑劑因素對緊固件工藝選擇探討
表2 所示為不同各個組別緊固件最終擰緊完成后所計算出的扭矩系數，同時對比各個組別中10 組扭矩系數的數據，可以看出，對于普通螺母采用潤滑油的時候扭矩系數的偏差最小，說明潤滑油有利于提高扭矩系數的穩定性，但是效果不明顯。因此，出于對擰緊工藝的穩定性、效率和成本的考慮，對于普通螺母，采用潤滑油最好，雖然扭矩系數較MoS2+潤滑油的工藝略微偏高，但是影響極小，同時可省去噴涂MoS2 的環節，提高效率節省成本，較低的扭矩系數偏差可提升擰緊后預緊力的偏差，提高可靠性。
而對于鎖緊螺母，采用MoS2+潤滑油作為潤滑劑，既可以大幅度改善螺紋間的界面接觸，起到最佳的潤滑效果，提高預緊力的轉化效率，防止螺紋鎖死。同時也可以穩定扭矩系數，使得螺栓組之間的預緊力偏差降到最低。因此對于鎖緊螺母應盡量采用類似MoS2+潤滑油這種混合潤滑介質。同時，從圖3 中的結果可以看出，由于鎖緊螺母附加力矩的存在，即使采用混合潤滑介質，其扭矩系數相對于普通螺母偏高，因此選用鎖緊螺母時應適當選用較高的扭矩以獲得足夠的預緊力。
3. 結論
本文通過選用不同的螺母和不同的潤滑介質進行擰緊試驗，著重對比不同潤滑劑對兩種不同類型的螺母擰緊效果的影響，結果表明：
1)對于普通螺母，潤滑油類流體潤滑效果優于MoS2類的固體潤滑效果，而對于鎖緊螺母則相反；
2)采用固體+流體潤滑產生協同效應可最大程度的提高潤滑效果，對于鎖緊螺母較明顯；
3)在選擇工藝時，就普通螺母的螺紋副選擇潤滑油的綜合性能最好，而采用鎖緊螺母時則推薦選用MoS2+潤滑油的混合潤滑劑。
參考文獻:
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來源：《內燃機與配件》
