螺纹紧固件扭矩系数影响因素分析

尚红旗

摘  要：螺纹紧固件广泛应用于机械和建筑等行业，并对机械行业和建筑行业的发展起着重要作用。文章主要研究螺纹紧固件扭矩系数的影响因素，并加以简单的分析。

关键词：扭矩;摩擦系数;扭矩系数;转角

螺纹紧固件广泛应用于机械和建筑等行业，螺纹紧固件安装有三种安装方法，扭矩法，扭矩转角法以及扭矩斜率法。其中扭矩控制法因操作方便，安装工具便宜，且容易监测和控制而被广泛使用。但不同批次的螺栓螺母安装，扭矩系数差别较大，而同批次的螺栓螺母扭矩系数也会出现波动。因此，稳定的扭矩系数，并施加稳定的紧固力矩才能得到稳定的预紧力。文章主要讨论影响扭矩系数所涉及到的因素，并进行简要分析。

首先力矩法安装的计算公式：

T=K*F*D

扭矩系数K是力矩T和预紧力F的一个综合系数，扭矩系数K决定了在拧紧过程中，扭矩转化为轴向力的一个比例。如果扭矩T不变，K越大，转化为夹紧力F的比例就会越小，反之，K越小，扭矩转化为夹紧力F的比例就会越大。

扭矩系数计算公式

K=（+μSd2secα'+μwDW）

P-螺距;μS-螺纹摩擦系数;μw-支撑面摩擦系数;d-螺纹公称直径;d2-螺纹中径;DW-支撑面等效直径;α'-螺纹牙侧角。

从公式中可以看出，扭矩系数K由一些螺纹常数和摩擦系数来决定的，对于具体的螺纹连接副来说，螺纹摩擦系数和端面摩擦系数是需要通过试验测量得到的。而影响摩擦系数的因素有很多，下面我们就来一一进行分析。

影响扭矩系数的因素：

1 被连接件材料、硬度和刚度的影响

螺纹连接件和被夹紧件之间一般都是金属接触，但不同金属接触产生的摩擦系数不同。在表面光洁度相同的情况下，相同金属或互溶性大的金属摩擦副容易发生粘着现象，使摩擦系数增大;不同金属或互溶性小的金属摩擦系数较低。

材料的硬度和刚度，硬度和刚度高的材料之间，摩擦系数偏小，且不易发生粘着现象;反之硬度和刚度低的材料，摩擦系数偏大，容易发生粘着现象。

2 螺纹加工精度、牙侧粗糙度、支撑面的大小和粗糙度

螺纹的加工精度、牙侧粗糙度和支撑面的粗糙度影响到螺纹及支撑面的摩擦系数，加工精度越高，表面越光洁，摩擦系数越小;和垫圈配合使用的则看垫圈的表面状态。

支撑面摩擦面积的大小虽然不会影响到支撑面摩擦系数，但拧紧过程中，支撑面摩擦面积越大，在拧紧过程中产生的摩擦力就会越大，会加大扭矩系数的值。

3 表面处理

表面处理对扭矩系数的影响很大，螺栓螺母的表面处理，改变了螺纹之间及螺母和支撑面之间的摩擦系数，现在应用广泛的表面处理整体可以分为两大类，一类是干态，一类是湿态。干态指的是表面无润滑的干燥状态，如镀锌、发黑发蓝处理;湿态指的是表面有润滑层和防锈油，如磷化处理。

以镀锌和磷化为例，作者做了一个试验，对镀锌和磷化的扭矩系数进行了检测，发现镀锌处理的扭矩系数均值为0.252，标准偏差为0.033，磷化处理的扭矩系数均值为0.169，标准差为0.010。磷化状态的螺栓螺母扭矩系数相对于镀锌的扭矩系数较小，标准差也小。

由上面数据可以看出，磷化状态的螺栓螺母扭矩系数相对于镀锌的扭矩系数较小，标准差也小。磷化状态的扭矩系数一致性较好。

总之，表面处理对扭矩系数的影响是明显的，不同的表面处理的螺纹连接副之间摩擦系数是不同的，在实际使用过程中，要根据不同的表面处理试验得出扭矩系数，才能加载适当的力矩从而达到预期的夹紧力。

4 表面介质的影响

我们将拧紧状态分为正常状态、加机油和加蜡三种状态来分析表面介质对扭矩系数的影响情况。作者做过一个实验，在其他条件一样的情况下，对三种状态的摩擦系数进行了测定。

正常状态下螺栓摩擦系数为0.11，加机油状态下螺栓摩擦系数为0.09，加蜡状态下螺栓的摩擦系数为0.06。

可见在不同的介质下，摩擦系数发生了改变，施加同样的力矩，得到的预紧力是完全不同的。

这里所说的蜡指的是螺丝润滑剂，这种润滑剂在紧固件表面形成一层非常薄的、透明的润滑层，起到降低和稳定摩擦系数的作用。

5 温度的影响

温度对扭矩系数也会产生较大影响，这里指的是环境的温度，随着地域和气候的差异，测试出来的扭矩系数是会不同的，因此，在温度差别较大的地方，要重新检测螺纹的摩擦系数，根据实际检测情况确定安装扭矩。

随着温度的升高，扭矩系数会有下降的趋势;而温度降低，扭矩系数会有所上升。

6 拧紧速度的影响

拧紧过程中，螺纹连接副和支撑面会产生摩擦，致使接触面磨损，改变摩擦面的温度。拧紧速度较低时，摩擦面的磨损主要是轻微塑性变形和犁沟，此时接触表面的温度较低，在拧紧时接触表面容易粘着，摩擦系数较大;拧紧速度较高时，摩擦接触面产生强烈磨损，接触面因大量的摩擦热使的表层产生分子热运动，以及氧化膜的生成致使表面的接触状况发生了改变，拧紧速度越高，摩擦接触面的温度就会越高，接触面金属的变形将更容易，达到稳定且相对较低的一个摩擦系数。

另外还有冲击施拧对扭矩系数的影响，由于人工施加力矩时不是匀速施加，或多或少有冲击施拧的情况。而静摩擦系数比动摩擦系数要大，当冲击施拧和匀速拧紧达到的力矩一样时，冲击施拧得到的夹紧力会有回落，实际的夹紧力会相对小一些，测出的扭矩系数也要偏小一些。

7 重复装配对摩擦系数的影响

现在汽车行业中，合资品牌的大众、通用等对重复装配的摩擦系数的变化也提出了要求，例如第一次装配时摩擦系数为0.08～0.15，那么重复五到六次装配后，摩擦系数要求在0.09～0.16之间。这就对螺纹拧紧提出了更高的要求。

重复装配主要是看表面处理的附着力和稳定性，重复装配过程中，如果表面处理层被破坏，那么螺纹和支撑面的原来表面处理所起的润滑作用就会下降，螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数会加大，总的扭矩系数就会加大，在相同的力矩下，夹紧力会变小，产生欠拧的风险。

我们举例来说明下重复装配的情况。作者曾经对镀锌和磷皂化的螺纹连接副做了一组实验，在扭矩试验机上分别对镀锌和磷皂化的螺栓螺母进行重复装配试验，并测定扭矩系数，发现镀锌在第一次装配时，扭矩系数为0.23，重复装配了五次以后，扭矩系数明显增大到了0.3左右，拆下来后镀层表面会出现脱落;磷皂化的螺栓螺母在第一次装配时扭矩系数为0.15，重复装配了十五次后，扭矩系數仍在0.17左右。可见不同表面处理的重复使用时摩擦系数存在差别。这只是在新造状态下的一个对比测试，实际应用时表面处理随着时间、温度、环境等因素的影响，会发生变化。

除了上面提到的一些因素外，外螺纹由于在搬运过程中产生的牙纹碰伤、螺纹内夹杂杂质等，也会影响安装时的扭矩系数。

综上所述，在螺纹紧固件的装配过程中，扭矩系数的影响因素有很多，且影响的程度各不相同，主要有表面粗糙度、表面处理、表面介质、拧紧速度及温度等。在实际应用中，通过改善这些影响条件，提高摩擦系数的一致性，就能很好地提高螺纹紧固件的装配质量。