螺纹紧固件扭拉关系试验方法

关于螺纹紧固件扭拉关系试验方法第1页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六

在螺纹紧固件的使用中应用的较广泛的是螺栓－螺母连接副的形式，应用的较多的是有预紧力的连接方式，预紧力的连接可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力及螺栓的疲劳强度，并且能增强螺纹连接体的紧密性和刚度。在螺纹紧固件的连接使用中，没有预紧力或预紧力不够时，起不到真正的连接作用，一般称之为欠拧；但过高的预紧力或者不可避免的超拧也会导致螺纹连接的失败。众所周知，螺纹连接的可靠性是由预紧力来设计和判断的，但是，除在实验室可以测量外，在装配现场一般是不易直观的测量。螺纹紧固件的预紧力则多是采用力矩或转角的手段来达到的。因此，当设计确定了预紧力之后，安装时采用何种控制方法？如何规定拧紧力矩的指标？则成为关键重要问题，这就提出来了螺纹紧固件扭（矩）－拉（力）关系的研究课题。第2页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六

螺纹紧固件扭－拉关系，不仅涉及到扭矩系数、摩擦系数（含螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数）、屈服紧固轴力、屈服紧固扭矩和极限紧固轴力等以一系列螺纹连接副的紧固特性的测试及计算方法，还涉及到螺纹紧固件的应力截面积和承载面积的计算方法等基础的术语、符号的规定。并且也还必须给出螺纹紧固件紧固的基本规则、主要关系式以及典型的拧紧方法。目前，2001年12月6日国际标准化组织提出了ISO16047：2001“紧固件摩擦系数试”标准德初稿，德国工程师协会早在七十年代就发表了DVI2230《高强度螺栓连接的系统计算》技术准则。美国汽车工程师协会制订了SAEJ174《钢制螺纹紧固件扭-拉试验方法》标准，日本也于1987和1990年发布了三项国家标准。国外工业发达国家的很多企业也制订了类似的企业标准。我国于1997年发布了紧固件拉－扭关系系列国家标准。第3页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六一、紧固件拉－扭关系系列国家标准①、GB/T16823.1-1997《螺纹紧固件应力截面积和承载面积》;②、GB/T16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》;③、GB/T16823.3-1997《螺纹紧固件拧紧试验方法》它们是等同采用JISB1082-1987、JISB1083-1990和JISB1084-1990三个标准第4页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六二、螺纹紧固件预紧原理第5页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六1、螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。通常情况下，装配扭矩的约90%都由于螺纹副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有约10%转化为螺栓轴向夹紧力。理论上，螺栓拧紧过程中拧紧扭矩T、螺栓轴向力F与摩擦系数及螺纹形状之间有（1）式关系：第6页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑴⑴式的右侧第1、2、3项可分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长（产生轴向预紧力）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。第7页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六第8页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六自锁扭距端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长普通螺母057％30％13％锁紧螺母19％46％24％11％某螺栓拧紧过程中的扭距消耗第9页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六2、摩擦系数与扭矩系数

摩擦系数μ是通常意义上的物理概念，是摩擦力和正压力的比值。在螺纹联接中，摩擦可分为螺纹副摩擦和端面摩擦两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同，因而存在螺纹副摩擦系数μs和端面摩擦系数μw。扭矩系数K是宏观上直接反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验系数，由（2）式给出。T=K·d·F（2）式中：T为拧紧扭矩（Nm）；d为螺纹公称直径（mm）；F为螺栓轴向夹紧力（kN）。对比（1）、（2）式可知，扭矩系数是由摩擦系数和螺纹形状共同决定的参数，是反映螺纹副摩擦性能的综合经验参数，受螺纹联接方式、表面摩擦条件以及螺纹制造质量的影响。第10页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六夹紧力螺纹摩擦扭矩端面摩擦扭矩摩擦系数0.080.14夹紧力20％12％螺纹摩擦扭距35％39％端面摩擦扭距45％49％螺栓摩擦系数和扭距的关系第11页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六3、摩擦性能试验

摩擦性能试验是按规定的转速向特定螺纹联接副的螺栓头或螺母施加扭矩并记录该联接副的扭矩—轴向力曲线，从而求出给定轴向力下的扭矩范围或给定扭矩下的轴向力范围，计算出扭矩系数K和摩擦系数μ及其散差。通常应用于螺纹紧固件的综合质量鉴定、表面处理、表面涂层质量评定以及确定具体工况下装配工艺参数等。第12页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六螺纹摩擦力端面摩擦力拧紧机自带一个测定总扭矩的扭矩传感器在螺纹装配夹具内同时安装了测定螺纹扭矩

的传感器和测定夹紧力

的力值传感器端面摩擦扭矩=总扭矩-螺纹扭矩第13页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六1、摩擦性能试验要求：⑴轴向力及拧紧扭矩的测量精度均优于1%及2%；(2)以恒定拧紧转速将螺栓拧紧至屈服，并自动记录扭矩及轴向力曲线；(3)每件试件要配一套未曾使用过的配用螺纹件及垫片；(4)试验过程中，只有试验件旋转，配用螺纹件及垫片等应固定不动；拧紧套筒不能接触垫片等其它可能导致扭矩消耗的物件；(5)试验时应严格按试验要求控制润滑条件；(6)试验件数的多少根据试验目的而不同，对于工艺试验及货源鉴定试验，为便于统计分析，一般要求试验件数在25件左右。第14页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六2、摩擦性能要求：⑴法国PSA集团螺纹紧固件都提出了摩擦性能要求。普通摩擦件（表面镀锌强化钝化）的表观总摩擦系数在0.12至0.18之间（平均值0.15，标准差小于0.01，变异系数小于0.067）。弱摩擦件（表面磷化）在0.06至0.09之间（变异系数小于0.067）。第15页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑵大众汽车公司为稳定摩擦性能，要求螺纹紧固件表面要求涂敷水散性合成聚合物滑动剂干燥后产生一种蜡状润滑剂。大众汽车螺纹紧固件扭矩系数实测结果螺栓平均值标准差变异系数N905248组合螺栓，M10，10.9级0.1510.0030.0199N905068六角螺栓，M10，10.9级0.1510.0080.0530第16页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑶日本明道株式会社与日本油脂株式会社联合开发出水基摩擦系数稳定剂，广泛应用于丰田汽车公司的螺纹紧固件。皮膜形成型摩擦系数稳定剂摩擦系数稳定剂稀释剂摩擦系数标准偏差变异系数トルカ-CA-H水溶性0.170.0170.1メソトルカ-水溶性0.130.0080.062ネオトルカ-B-2水溶性0.090.0030.003LUBE-1000水溶性0.170.0200.118NOX-RUST（366-A）有机溶剂0.130.0130.1NOX-RUST（366-40）有机溶剂0.100.0040.04第17页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六3、控制摩擦系数的方法

有效实施轴要向力控制，必须扭矩控制与K值控制双管齐下。如果K值控制严格，一方面可以放宽对扭矩控制精度的要求,节省装配工艺投资；一方面还可以提高螺栓的轴向力，提高螺栓强度利用率和联接可靠性。控制K值，就必须好摩擦系数，影响摩擦系数的原因很多。紧固件表面处理的种类、工艺和质量、紧固件的尺寸公差和形位公差（比如螺栓有严重的弯曲变形，螺栓六角头S面偏斜，螺栓的六角头与螺栓杆部不同轴）问题、螺纹精度、装配工具及装配方法（比如：螺栓装配时不能保证涂油装配）等等。第18页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六

德国福斯润滑集团(FUCHSLUBRITECHGMBH)生产的“可力特摩”紧固件专用透明干膜润滑剂（水腊）作用：降低拧入力矩；稳定和降低摩擦系数；预置扭距；增大预紧力；保护防护层，减少磨损。产品型号PH值适应温度(乾膜)摩擦系数固态成份gleitmo6028.5-9.5-40/+80度c0.15Whitesolidgleitmo6038.5-9.5-40/+80度c0.12Whitesolidgleitmo6058.5-9.5-40/+110度c0.11Whitesolidgleitmo6155.0-6.0-40/+110度c0.09Whitesolidgleitmo6275.0-6.0-40/+110度c0.08Whitesolid+PTFE第19页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六产品型号扭力(Torque)-

稳定性旋入扭力-

降低能力制程管理-

方便性

透明度gleitmo602A++A--AA+gleitmo603A++A-AA+gleitmo605A+AAA+gleitmo615AA+A+Agleitmo627A++A++A+A第20页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六4、摩擦性能试验机国外研制此类设备主要公司：德国Schatz,德国Reck-Engineering,

美国RS-Technology,法国Automatic;第21页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六三、螺纹紧固件拧紧方法

选择螺纹连接的拧紧方法，应该在充分了解各种拧紧方法特性的基础上，按照设计对初始预紧力离散程度的要求、预紧力的大小、使用条件等因素来合理选择拧紧方法。其中对初始预紧力离散程度的要求，通常用紧固系数（Q）来表示，一般也称之初始预紧力离散度。虽然拧紧工具以及精度的不同，所对应的初始预紧力离散度也是不同的，但是，由于拧紧方法的不同，在拧紧时对应的初始预紧力离散度更是不同的，因此，紧固系数是选择螺纹拧紧方法的一个重要条件。标准中给出了扭矩法、转角法及扭矩斜率法三种常用的典型拧紧方法第22页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑴、扭矩法扭矩法就是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭矩进行控制，因此，因为该方法操作简便，是一种一般常规的拧紧方法。但是，由于紧固扭矩的90％左右作用于螺纹摩擦和支承面摩擦的消耗，真正作用在轴向预紧力方面仅10％左右，初始预紧力的离散度是随着拧紧过程中摩擦等因素的控制程度而变化的，因而该拧紧方法的离散度较大，适合一般零件的紧固，不适合重要的、关键的零件的连接。第23页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑵、转角法转角法就是在拧紧时将螺栓于螺母相对转动一个角度，称之为紧固转角，把一个确定的紧固转角作为指标来对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法可在弹性区和塑性区使用。在被连接件和螺栓的刚性较高的场合，对弹性区的紧固是不利的；对塑性区的紧固时，初始预紧力的离散度主要取决于螺栓的屈服点，而转角误差对其影响不大，故该紧固方法具有可最大限度地利用螺栓强度的优点（即可获得较高的预紧力）。应该注意的是该拧紧方法在塑性区拧紧时会使螺栓的杆部以及螺纹杆部发生塑性变形，因此，对螺栓塑性差的以及螺栓反复使用的场合应考虑其适用性。另外，对预紧力过大，会造成被连接件受损的情况时，则必须对螺栓的屈服点及抗拉强度的上限值进行规定。第24页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六扭距法和转角法的区别扭矩转角法的拧紧原理与常用的扭矩法有着本质的区别。扭矩法仅适用于弹性范围，弹性范围内的轴向力与拧紧扭矩成正比。当超出弹性范围以后，扭矩与轴向力之间不再有正比关系，若继续扭矩控制拧紧，则可能在扭矩不增加甚至降低的情况下将螺栓拧断。而扭矩转角法的实质是控制螺栓的轴向伸长量。在螺栓贴合后的整个拧紧过程中（包括弹性变形和塑性变形阶段），螺栓伸长量始终与螺栓头的转角成正比（每增加1°转角则螺栓伸长约1/360个螺距）。在弹性范围内螺栓轴向力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力；螺栓开始塑性变形后，虽然伸长量与轴向力之间不再有正比关系，但根据螺栓在受力时的力学性能特点可知，只要伸长量在其形变强化容量范围以内，螺栓的轴向力就稳定在其屈服载荷附近（螺栓不会发生断裂或局部伸长）。即使在K值较为分散的情况下，扭矩转角法也能精确地将螺栓的轴向力控制其屈服点附近，扭矩转角法拧紧的螺栓的轴向预紧力主要取决于螺栓强度，而不取决于K值。第25页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑶、扭矩斜率法

扭矩斜率法是以Q-F曲线中的扭矩斜率值的变化作为指标对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法通常把螺栓的屈服紧固轴力作为控制初始预紧力的目标值。该拧紧方法一般在螺栓初始预紧力离散度要求较小并且可最大限度地利用螺栓强度的情况下使用。但是由于该拧紧方法对初始预紧力的控制与塑性区的转角法基本相同，所以，需要对螺栓的屈服点进行严格的控制。该拧紧方法与塑性区的转角法相比，螺栓的塑性即反复使用等方面出现的问题较少，有一定的优势，但是，紧固工具比较复杂，也比较昂贵。扭矩率控制法原理是当螺栓变形处于弹性变形阶段时，其扭矩率基本保持不变，当螺栓发生塑性变形后，其扭矩率明显下降，当扭矩率下降到一定程度（螺栓屈服）时，停止拧紧。第26页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑷、其它方法①分步拧紧工艺分2-3步将螺栓拧紧至目标扭矩，适用于重要螺栓组的拧紧。表某发动机缸盖螺栓检查扭矩TC与最终扭矩T比值的统计结果螺栓拧紧工艺一步拧紧两步拧紧平均值标准差平均值标准差杆长121mm90Nm转90º0.8050.0610.8220.057杆长134mm95Nm转90º0.8020.0580.8350.053杆长145mm0.8440.0400.8800.037②多次拧紧工艺将螺栓拧紧后松开，再次拧紧，适用于重要螺栓。第27页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑸、拧紧扭矩检查方法实时检测：机检：拧紧机具有扭矩测试、储存、显示或打印功能，能在拧紧的同时进行扭矩检测。串接扭矩传感器：在拧紧头与螺栓头（螺母）之间串接扭矩传感器，用以检测拧紧扭矩。事后检测：拧松法：用扭矩扳手慢慢地将被检螺栓（螺母）松开，读取螺栓（螺母）开始转动时的扭矩作为检查所得扭矩。复位法：先在被检螺栓（螺母）或套筒与被联接件之间划上一道线痕，确认相对位置，再用扭矩扳手将螺栓松开后重新拧紧至原来位置，读取此时的拧紧扭矩作为检查所得扭矩。拧紧法：用扭矩扳手慢慢向被检螺栓（螺母）施加拧紧扭矩，读取螺栓（螺母）开始转动时的扭矩作为检查所得扭矩。第28页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑹、常用联接型式

按ISO5393标准分类连接型式扭距旋转角度硬连接0－45°中等硬连接46－90°中等连接91－240°中等软连接241－360°软连接＞360°第29页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六不同联接刚度下装配扭矩与检查扭矩的比较联接刚度装配扭矩检查扭矩相对偏差软联接20.3Nm12.2Nm-39.9%中软联接20.3Nm19.0Nm-6.4%中硬联接20.3Nm28.5Nm+40.4%硬联接25.8Nm35.3Nm+36.8%引自DGD技术资料第30页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六某螺栓检查扭矩与装配拧紧扭矩的比值统计检查方法平均值标准差分散范围变异系数松开法0.7570.0210.6960.8190.028拧紧法1.0910.0291.0041.1780.027复位法0.9980.0600.8191.1770.066螺纹规格M16×1.5/6g，强度级别10.9级，装配拧紧扭矩180Nm。第31页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑺、螺纹联接设计计算扭矩上限：TU=kL•D•FU扭矩下限：TL=kU•D•FL轴向预紧力上限：矩转角法——螺栓实际拧紧屈服点扭矩法——螺栓名义保证载荷的等效载荷轴向预紧力下限：满足设计功能要求第32页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑻、联接松弛的原因及防止松动的措施联接松弛的原因•预紧力不足；•振动或交变载荷导致螺母（螺栓）回转；•螺栓在预紧载荷及服役载荷（温度）作用下产生蠕变伸长；•被联接件在预紧载荷及服役载荷作用下产生蠕变减薄。

防止松动的措施•确保预紧力、提高预紧力：普遍有效•涂胶：适用于振动或横向导致的回转类松动•螺栓减细：适用螺栓伸长及被联接件减薄的场合•改进结构：防止切向载荷、平垫改镶圈•防松紧固件：异形牙螺母、镶圈螺母、开槽螺母、带齿螺栓头（螺母）第33页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑼粗牙螺纹和细牙螺纹的对比粗牙螺纹细牙螺纹

减小螺纹交叉的可能性•高强度螺纹，受制造误差影响小•螺栓螺母配合等级差错可发现•可快速拆装•与低强度螺母或有螺纹孔的材料相配合时，强度更高•可承受恶劣的工作环境•允许更厚的镀层•脆性材料更易加工•首腐蚀后，能承受更强的意外损失•螺距增加，螺纹根部应力集中减小•受毛刺影响小•成本少，标准滚丝模具•常用螺距提高通用性•具有较好的轴向调节能力•相同尺寸下，可提供更大的锁紧力•螺旋升角小，可在较小的扭矩下提高压紧力，同时可提高抗松动性•具有较高的扭转力和横向剪切力•可更好连接薄壁件及高硬度件•螺纹可更接近螺栓头•不易松动第34页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六四、装配螺栓预紧力的测量螺纹紧固件的装配主要依靠螺纹联接，因此，螺纹连接副的装配质量直接影响着主机或工程的装配质量。在实际装配中，不论是采用扭矩法、扭矩—转角法，还是屈服极限法来控制螺栓的装配质量，其最终目的都是要确保其实际预紧力达到其设计要求值。因此，衡量螺纹连接副装配质量的好坏，就应以测量预紧力的数值来判别。目前，螺栓的预紧力都是采用间接方法测量的，根据其方法的不同，主要可以分为系数法和类比法两种。其中系数法主要用来测量在弹性范围装配的螺栓的预紧力，类比法则可以测量在弹性及塑性范围装配的螺栓的预紧力。第35页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑴、系数法①系数法测量螺栓的预紧力的测量原理对于在弹性范围装配的螺栓，其测量原理依据的是下式：

F=K·△L式中，

F—螺栓轴向所受拉力；

K—螺栓的刚度系数； △L—螺栓伸长量。其方法是先计算出被测螺栓的刚度系数，然后在已装配的螺栓上测量出它相对原长的伸长量，利用被测螺栓的刚度系数与已测量的螺栓伸长量的乘积，就可计算出该螺栓的预紧力。第36页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六②测量设备及方法A、测量设备拉力试验机要求其测量误差不超过0.1%，且能稳定在某一要求的力值(建议在电子拉力试验机上试验)超声波螺栓测长仪要求其测量精度0.001mm第37页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六B、测量螺栓刚度系数在测量螺栓的刚度系数时，假定同一生产批次的螺栓的刚度系数是一致的，通过计算与被测螺栓同批次螺栓的刚度系数来求得被测螺栓的刚度系数。在同一批次螺栓中随机挑选出10根螺栓，先用超声波螺栓测长仪依次测得它们的原长，然后将一根螺栓装夹后，通过拉力试验机给螺栓逐次施加一系列等值递加的拉力，所施加力的上限值应小于该螺栓所对应性能等级的屈服强度值的90%，在每次给螺栓施加一个力的同时记下此时螺栓所受拉力和相应的伸长量。将10根试验完后就得到了10组拉力—伸长量的数值，将这10组数据代入一元回归方程(式①)中,利用式②求得b值即为该组螺栓的刚度系数，将这组数值算术平均后所得即为被测螺栓的刚度系数。

Y=a+bx①b=Σ(yi-y)/Σ(xi-x)②第38页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六C、计算预紧力先利用超声波测长仪测出被测螺栓在自由状态下的长度，然后将该螺栓装配后，用超声波测长仪测出此时螺栓的伸长量，将此伸长量的值乘以该种螺栓的刚度系数后即可得出被测螺栓的预紧力。第39页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六⑵、类比法①类比法测量螺栓的预紧力原理类比法测量螺栓的预紧力原理是，测量同一批螺栓在拧紧过程中轴向拉力和伸长量的数值，据此数值绘出螺栓的伸长—轴力图，即可参照此图计算出该螺栓在装配时伸长量所对应的预紧力。 该试验在螺栓拧紧试验机上进行，一般的螺栓拧紧试验机能测量螺栓在拧紧过程中的轴力、扭矩及转角，比较先进的螺栓拧紧试验机配备的有位移传感器，它还能在试验中测量螺栓的伸长量。对于无位移传感器的螺栓拧紧试验机，可用超声波螺栓测长仪来测量在拧紧过程中螺栓的伸长量。以下介绍无位移传感器的螺栓拧紧试验机测量螺栓预紧力的方法。第40页，共45页，2022年，5月20日，4点55分，星期六②测量设备及方法A、测量设备螺栓拧紧试验机要求其测量误差不超过0.1%超声波螺栓测长仪要求其测量精度为0.001mmB、螺栓伸长—轴力图的绘制在测量时，从同一批螺栓中选择10根螺栓来试验，将螺栓按上图方式装夹后，利用计算机程序控制在拧制过程中设置一定的测量点，并对这些测量点所对应的伸长量及轴力力值一一进行记录，根据这些数值就可绘制出相应的曲线。C、计算预紧力螺栓预紧力的计算分为两种：一种