影响紧固件摩擦系数检测的因素

紧固件连接的装配质量直接关系到产品的安全性和可靠性，而摩擦系数是影响紧固件装配质量的重要因素之一。本文主要对紧固件摩擦系数检测过程对结果的影响进行了探讨，通过试验标准中所列的标准物质及试验方法都对产品的摩擦系数进行对比试验，从而识别影响检测过程中对产品摩擦系数真值的因素。

试验设备

    ISO 16047 标准中要求试验设备应满足：能够应用扭紧扭矩和用自动或手动旋转螺帽和螺栓头部，显示精度值要求±2%，角度的测量精度要求必须达到显示值的±2°或±2%。为了达到仲裁的目的，扭紧时使用能控制的动力工具并控制旋转速度保持恒定。测量结果能以电子记录方式记录。

    本文所有试验结果均使用德国Schatz 多功能螺栓紧固分析系统。此实验测试机传感器精度均为0.5%，符合《ISO 16047—紧固件的扭矩/夹紧力测试标准》中的试验测试机要求。试验机周期对传感器进行标定。  

试验过程中影响摩擦系数结果因素

    1.试验螺母对摩擦系数结果的影响

    ISO 16047标准中，检测螺栓使用的标准螺母处要求和被测螺栓等级对应外，对标准试验螺母的表面状态有有两种要求：

    (1)未镀层表面平整并脱脂处理。

    (2)镀锌要求按照ISO 4042 并脱脂处理。

    试验方案：试验采用M10×1.5×45 9.8级镀锌并涂封闭剂六角头螺栓，平均镀层厚度为9.3μm；试验速度为30r/min，拧紧到30Nm，其它试验状态一致，试验各做5组数据。

    试验采用相同等级螺母，第一组试验螺母采用未镀层表面平整并脱脂处理，螺母公差6H，试验数据见表1。

    第一组试验螺母按照ISO 4042 镀锌并脱脂处理，镀层厚度为8.6μm，螺母公差6H，试验数据见表2。

    从表1、表2的试验数据可以看出，无论试验过程中采用标准中要求的哪种状态螺母，试验得到的螺栓的螺纹部分摩擦系数均为0.13，两个实验结果中得到的总摩擦系数也相同，由此可见试验过程中使用标准中要求的铁基质的没有进行润滑封闭螺母对被测螺栓的摩擦系数并没有的影响。

    2.试验垫片对摩擦系数的影响

    ISO 16047标准中提供了两种硬度的垫片，一种是热处理到高硬度的试验垫片(HH)，硬度范围为50~60HRC；另外一种是低硬度垫片(HL)，硬度范围为200~300HV，见图1 。

    试验方案：试验采用同一批M6×1×50  9.8级六角凸缘面螺栓，试验垫片硬度分别为56.6HRC；53.5HRC；36.0HRC和铝制垫片，试验以30r/min拧紧到10.7Nm得到摩擦系数结果，每项试验各做5件产品得到的数据。

    第一组试验垫片硬度为56.6HRC试验数据，见表3。

    第二组试验垫片硬度为53.5HRC的试验数据，见表4。

    第三组试验垫片硬度为36.0 HRC 试验数据，见表5。

    第四组试验垫片为铝制垫片试验数据见表6。

    从试验数据可以看出，高硬度垫片(56.6HRC)和低硬度垫片(铝制)头部摩擦系数相差0.05，而在高硬度范围(50~60HRC)内的试验垫片，测得的螺栓头部摩擦系数平均值为0.09(见表3、表4)，由此可见随着垫片的硬度减低(低于50HRC)，螺栓头部转动时，造成垫片和螺栓头部接触部分摩擦面损伤(铝垫片比较明显)，这样头部的摩擦系数就较大，从而，螺栓拧紧时头部消耗的扭矩就会增大，转化的预紧力降低。如果紧固件头部由于摩擦较大，转动速度较快时，摩擦面产生的热量没有及时散发出去，就容易产生“粘着/跳动”现象，如图4所示。

    3.试验方法对摩擦系数的影响

    目前除了ISO16047标准规定的试验方法外，各大汽车集团均制定企业内部的摩擦系数检测方法，如大众集团按照VW01131标准，福特集团按WZ101，标致雪铁龙采用C10054标准规定，那么不同的测试步骤对结果的影响怎么样？

    以下试验试验采用不同的实验步骤及不同的设定条件对同一批 M10×1.5×45  9.8级镀锌六角头螺栓进行试验。

    (1)试验方法及步骤

    试验先以60r/min拧紧到11Nm，停顿3s，然后以20r/min拧紧到45Nm，试验曲线见图5。

    试验数据(5个数据平均值)。

    (2)以30r/min拧紧到夹紧力28.3kN时产品的摩擦系数。

    试验数据(5个数据平均值)：

    从上面对比数据中可以看出：试验过程中设定扭矩或设定预紧力值，测得的摩擦系数均在同一范围内。

结论

    1.在ISO 16047标准中检测摩擦系数同时提供了两种状态的标准螺栓和螺母，通过试验一中的对比，两种状态螺母(镀锌和没有任何涂层)对试验结果没有影响，在实际的检测试验中可以使用任何一种状态的螺母，但要保证试验螺栓、螺母满足公差要求。

    2.在ISO16047标准提到有高低两种硬度垫片，从试验结果看，在高硬度垫片(50~60HRC)的检测中，试验垫片的硬度对于试验结果没有太大的影响。一般来说，随着垫片的硬度降低，所测的摩擦系数将增大，从而，影响总摩擦系数增大。考虑到紧固件连接状态存在“软硬连接”，因此，试验垫片的选择要按照标准或客户要求进行，从而保证试验结果对使用有意义。

    3.第三组试验中对比了两种不同的试验方法，同时对比了在检测摩擦系数时，设定扭矩值计算摩擦系数和设定夹紧力计算摩擦系数的结果，设定扭矩值计算摩擦系数和设定夹紧力计算摩擦系数的到的试验数据在考虑到试验的影响因素及测量误差因素，在同一范围内。

    4.摩擦系数测量的主要目的是为了保障每一批供货的螺栓或螺母的摩擦条件稳定在工艺要求的范围内。因为紧固件在设计过程中就已经确定摩擦系数及装配工艺，在实际的生产中确保产品满足要求，这样才能保证产品在装配过程及在使用环境中能够承受额定的载荷，防止问题产生。

    5.在摩擦系数的测量过程中还会遇到一些其它问题，但无论什么问题均要以和客户协商的试验方法进行检测。