緊固件摩擦系數的重要性
緊固件摩擦系數的重要性
緊固件摩擦系數的重要性是目前大家都比較關注的，摩擦系數的大小和散差會嚴重影響緊固件的擰緊后預緊力。
同樣的擰緊扭矩擰緊后，不同的摩擦系數范圍，會得到差別非常大的預緊力。
大家都比較熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原則，也就是說摩擦系數變化小，但是預緊力會變化非常大。
因為螺栓頭支撐面和螺紋副的扭矩占比非常大，即使很小的摩擦系數變化，對螺栓頭支撐面和螺紋副扭矩影響看似不是非常大，但是會影響產生預緊力的扭矩占比，可能產生預緊力的占比因為摩擦系數的變化，產生了5%的增減，*終就會較大的影響預緊力的占比。
既然摩擦系數對于螺栓連接是這么重要，那么，摩擦系數跟哪些因素有關系呢？
我們從以前物理學等了解到摩擦系數跟接觸面積等沒有關系，但是，在實際工作過程中又隱隱約約感覺到摩擦系數好像跟接觸面積還是有一定關系，到底實際情況是怎么樣呢？
我們通過前人的理論研究，并通過試驗來確定。
螺栓扭矩系數的穩定性，對于預緊力控制和連接點的可靠性至關重要。
螺栓扭矩系數由摩擦因數和螺紋尺寸參數共同決定，對于特定的螺紋聯接副而言，螺栓的螺紋常數是固定的，當摩擦因數確定之后，扭矩系數也就**確定了。
對于螺紋尺寸參數對扭矩的影響有大量研究成果，而且螺紋尺寸參數對于扭矩系數的影響是規律性的，但是對于摩擦因數影響的關鍵因素卻鮮有研究。
本文，從理論上找出了可能影響電鍍鋅螺栓摩擦因數的因素，然后通過螺栓的擰緊實驗對這些關鍵因素進行了實驗研究；找出了影響螺栓摩擦因數的關鍵因素；*后根據影響因素對摩擦因數影響的顯著性程度，選擇性地對這些關鍵因素進行了控制，有效控制了摩擦因數的散差。
01 影響摩擦因數的因素分析
前人經過系統的實驗研究，建立了較完整的黏著摩擦理論，對于摩擦磨損研究具有重要的意義。黏著摩擦理論認為整個摩擦分為3個過程：
① 摩擦表面處于塑性接觸狀態，實際接觸面都是以接觸峰點的形式存在，接觸點應力達到屈服極限就會產生塑性形變，接觸點就只能依靠增加接觸面來承受繼續增加的載荷。
② 接觸點摩擦過程中還可能產生瞬時高溫，接觸點會產生黏著，在隨后摩擦的剪切力作用下，黏著點會被剪切產生滑動。
③ 摩擦力是黏著效應和犁溝效應產生阻力的總和，接觸面中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，接觸面分兩部分組成：
· 發生黏著效應的面積，滑動發生剪切；
· 犁溝效應作用的面積，滑動時硬峰推擠軟材料。
金屬黏著摩擦理論中，摩擦系數f的計算公式如下:
式中：
F為接觸面的剪切力；
W為接觸面的正壓力；
A為摩擦面實際接觸面積；
τb為剪切強度極限；
S為粗糙峰在垂直面上的投影面積；
σs為屈服強度極限。
從以上摩擦過程分析可知，微觀上摩擦跟接觸面積是存在一定的關系，這與我們實際生活中的感覺有點接近。
例如，我們穿著一個帶凸點的鞋子，如果突然某個時候，只有很小的一個凸點著地，這時候會一下子感覺被晃了一下，感覺這時候的摩擦力非常低。不知道大家是否也有這種感覺？
螺栓在擰緊過程中，接觸表面會產生相對滑動，必然會引起接觸表面產生摩擦，導致接觸面磨損，螺栓擰緊轉速的不同會導致摩擦面的溫度的變化。
支撐面硬度、螺栓強度等級會影響接觸點的屈服強度和剪切強度。
螺栓表面膜的摩擦副滑動時,黏著點的剪切發生在膜內,其剪切強度會改變，又由于表面膜很薄，實際接觸面積由基體材料的屈服極限決定。
所以擰緊速度、螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度可能會改變螺栓的摩擦因數。
02 影響螺栓摩擦因數關鍵因素的實驗研究
實驗采用德國先進的多功能螺栓緊固分析系統，擰緊機自帶一個測定總扭矩Tf的扭矩傳感器，同時在螺紋裝配夾具內安裝了測定螺紋扭矩Ts的傳感器和測定夾緊力F的力傳感器。
端面摩擦扭矩：Tw=Tf-Ts
根據緊固扭矩與夾緊力的比值，總摩擦因數μtot，螺紋摩擦因數μs，支撐面的摩擦因數μw用如下公式計算確定：
擰緊速度對螺栓摩擦因數的影響是必然的，前人也進行了大量的研究，本文中不作為研究對象。
以螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度為研究對象進行實驗，實驗螺栓統一為六角頭螺栓，螺母為六角法蘭螺母，兩者表面處理方式相同，處理后螺栓與螺母采用6H/6g配合。墊塊板厚為3 mm，機械加工后表面粗糙度為3.2 μm，銳角倒鈍。
對不同螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度的螺栓進行擰緊實驗，螺栓的扭矩系數分布如下表。
將扭矩系數實驗數據制成分圖。
不同轉速螺栓扭矩系數分布圖
不同強度等級螺栓扭矩系數分布圖
不同硬度墊塊的扭矩系數分布圖
不同表面處理螺栓扭矩系數分布圖
在實際中，許多問題都涉及多個因素的作用，但是這些因素對所考察的指標影響“是否大”的主要方法是方差分析法。
它的實質是通過分析數據的誤差來源，進而檢驗多個總體的均值是否相同，把實驗數據的波動分解為由研究對象的變差和隨機因素引起的波動，通過分析比較這些變差來推斷這些因素對所考察指標的影響是否顯著。
利用MATLAB的ANOVA1函數可以進行各影響因素的F檢驗。
將螺栓摩擦因數的實驗數據進行ANOVA1函數求解，得到計算結果下表所示。
從計算結果可以看出螺栓強度、鍍層厚度和鈍化層對螺栓摩擦因數影響很大，但是支撐面硬度對螺栓摩擦因數影響不大，不同支撐面硬度進行擰緊實驗，摩擦因數均值有24.9%的概率是相等的。
在緊固實驗過程中，發現D級鈍化層螺栓屈服緊固軸向力要遠大于C級鈍化層，D級鈍化層螺栓與C級鈍化層緊固屈服軸向力實驗數據均值對比如圖所示。
擰緊過程是一個拉扭復合受力的過程，螺栓所受拉應力由轉化的緊固軸向力產生，所受扭轉剪切應力由螺紋間和支撐面的摩擦扭矩產生。
D級鈍化層的螺栓由于表層有一層較軟的薄膜層，可以起到薄膜潤滑的作用，所以摩擦因數小，對螺栓產生的扭轉剪切應力相應小很多，扭矩更多地轉化為軸向預緊力。
03影響摩擦因數的關鍵因素的控制
從上表的計算數據可以看出，螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度對摩擦因數的影響程度是不同的，鈍化層處理對螺栓摩擦因數影響*大，支撐面的硬度對摩擦因數的影響*小。
對支撐面的硬度控制是非常困難的，*終對于摩擦因數控制的貢獻也不大，是沒有意義的，對摩擦因數的控制要抓住重點。
不同場合需要不同特性的螺栓，對于不同強度等級，不同鈍化層的螺栓，關系到連接點的受力和防腐性能的要求，不能從螺栓本體特征來進行控制，只需要根據強度等級和鈍化層的不同區別對待，通過實驗數據測定，使用不同的摩擦因數，對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制。
傳統的緊固件生產并沒有考慮鍍層和鈍化層對扭矩系數的影響，鍍層厚度只要大于*低要求就認為是合格的，沒有嚴格控制鍍層上限。
實驗準備兩批螺栓，鍍層厚度都要求為5μm,鈍化層為c2C，一批要求對鍍層厚度進行控制，控制范圍為5～7μm，另外一批不進行控制，只要鍍層厚度大于5μm就行。
重新進行對比實驗，控制前后扭矩系數正態分布密度函數如圖8所示。
可以看出，控制螺栓鍍層厚度對螺栓扭矩系數的影響不大，控制前扭矩系數均值為0.3785，控制之后扭矩系數均值為0.3612，螺栓扭矩系數略有減小。
但是控制前后扭矩系數的標準差顯著減少，控制前扭矩系數的標準差為0.03416，控制后扭矩系數標準差為0.01531，扭矩系數的標準差降低55.18%。
這說明控制鍍層厚度可以顯著地控制螺栓摩擦因數，這對提高螺栓連接點的可靠性意義重大。
04知識延伸-表面處理代號
對于電鍍的表面處理代號標識一般按照GB/T 5267.1標準，該標準等同于ISO 4042標準。
按照標準要求，電鍍表面處理代號分為A類代號和B類代號標記方法。
· A類代號標記如下：
E.2 標記
標記示例:
o 六角頭螺栓GB/T 5782 M10X60 8.8
o 電鍍鋅層(表E.1的A)
o *小鍍層厚度5 μm(表E.2的2)
o 光飾狀態為“光亮”并經銘酸鹽處理成黃彩虹色(表E.3的L)的標記:六角頭螺栓 GB/T 5782 M10X60 8.8 A2L
注1:如未明確要求*小鍍層厚度,則按表E.2,該鍍層厚度的標記代號為“0”,例如“AOP”,以便該代號包括在完整的技術要求中。
代號“0”適用于小于M1.6的螺紋零件或其他小零件。
注2:如要求其他處理,如涂抹油脂或油,則需協議,并在標記中規定。
A類電鍍標記代號記為A2L，具體的電鍍層厚度等要求需要查找GB/T 5267.1標準中的相應表格，不便于記憶。
· B類似標記代號：
B類標記示例:
o Fe/Zn8c2C (或Fe/Zn8. c2C)
o 其中Fe-金屬基體
o Zn-鍍層金屬
o 8-*小鍍層厚度
o c- 銘酸鹽處理
o 2-銘酸鹽處理等級
o C-銘酸鹽處理類型
同樣該標識也需要按照標準查找相應的代號對應的中性鹽霧試驗要求，直接從標識中無法判斷出具體的技術要求。
常見標識
以上是標準中的標識要求，還有一種大家比較常見的標識，特別是日韓系主機廠比較常用，例如Fe/Ep.Zn5.c2C，該標識與標準中的B類標識基本一致。
主要是增加了一個Ep的代號，該Ep就是電鍍Electro Plating的英文縮寫。
其他代號的意思都與標準中的電鍍代號一致，不再贅述。
一 對摩擦因數進行理論分析，得出擰緊過程中能量的分配比例。
螺栓緊固軸向力對摩擦因數的變化極為敏感，必須進行摩擦因數的控制來提高連接點的可靠性。
二 對不同螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度的螺栓進行了擰緊實驗，利用單因素分析法進行F檢驗發現螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理對螺栓扭矩系數影響較大，支撐面硬度對螺栓扭矩系數影響不大。
同時發現D級鈍化層鍍鋅螺栓可以有效提高螺栓緊固軸向力，對于充分發揮螺栓使用效能是很有意義的。
三 不同場合需要不同特性的螺栓，對于影響螺栓摩擦因數的關鍵因素不能全部從本體特征來進行控制。
對于不同強度等級，不同鈍化層的螺栓，只需要根據強度等級和鈍化層的不同來區別對待通過實驗測定，使用不同的摩擦因數。
對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制，研究表明控制后螺栓摩擦因數散差顯著減小。
緊固件摩擦系數的重要性