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表面处理工艺对螺纹紧固件装配性能影响的研究


通过对不同表面处理的螺栓进行扭矩-夹紧力试验,获得摩擦性能与扭矩/夹紧力的关系,研究不同表面处理工艺对螺纹紧固件装配性能的影响。结果表明,采用先进的表面处理技术可以控制螺栓的摩擦系数和散差,提高螺栓的轴向夹紧力。

1 、前言

      螺纹连接(特别是承受动载荷的重要螺纹连接)的根本目的是利用螺纹紧同件将被连接件可靠地装配连接在一起,装配的实质是将螺栓的轴向夹紧力控制在合适的范 围。螺栓轴向夹紧力范围取决于连接结构的功能、零件强度、工艺控制方法及控制精度等多方面因素,轴向夹紧力同时受到联接副摩擦特性的影响。螺栓紧同件的拧 紧是克服支撑面摩擦和螺纹间摩擦的过程,对六角头螺栓而言,拧紧时总能量的90%,用于克服摩擦,只有约10%的能量用于提供轴向夹紧力螺纹紧同件的摩擦 系数受其材质、表面处理工艺、制造流程和螺纹精度等诸多因素的影响,世界各主要汽车公司对螺纹紧同件摩擦系数的控制范围是,BMW: 0.09~0.15, Ford:0.11~0.17,GE:0.10~0.16,VW:0.09~0.15,FAW:0.08~0.14。

2、试验研究

      以M16×1。5(10。9级)螺栓为研究对象,制造丁艺流程采用热(处理)前滚丝和热(处理)后滚丝两种,表面处理工艺分别为电镀、电镀+涂膜、环保电 镀(C347)和锌铝涂层(T647),螺栓的摩擦性能试验在SCHATZ摩擦性能试验机上进行,试验依据为GB/T16823。3《紧同件扭矩-夹紧力 试验》。

试验规范:拧紧至240 N•m;拧紧至屈服;

    样品数量:25件。

3、分析与讨论

3。1拧紧至240 N•m时的总摩擦系数

不同表面处理的螺栓拧紧至240 N•m时的总摩擦系数见图1。

由图1得出以下结论。

a.电镀螺栓的总摩擦系数最大,算术差也最大;采用电镀+涂膜、环保电镀和锌铝涂层处理时,螺栓的总摩擦系数减小,摩擦系数算术差也减小。

b.对电镀螺栓而言,制造工艺采用热处理前滚丝的螺栓的总摩擦系数大于热后滚丝的,该规律同样适用于锌铝涂层处理的螺栓。

c. 螺栓在进行热处理过程中,螺纹表面会产生磕碰伤,局部表面变得凹凸不平。如果螺纹滚丝在热处理前已经完成,则热处理时产生的磕碰伤会一直存在,而表面处理 不能降低磕碰伤的影响,故热前滚丝螺栓经表面处理后的总摩擦系数较大;而热后滚丝会减轻热处理过程中产生的磕碰伤,减少螺纹局部表面的凹凸不平,因此螺栓 总摩擦系数降低。

3.2拧紧至240N•m时的轴向夹紧力

经不同表面处理工艺处理的螺栓拧紧至240N•m时的轴向夹紧力如图2所示。



 

由图2得出以下结论。

a.经普通电镀的螺栓,热前滚丝的轴向夹紧力最小,热后滚丝的夹紧力稍有增加。

b.经电镀+涂膜处理以及环保电镀(C347)后,轴向夹紧力增大;采用锌铝涂层(T647)处理时,螺栓的轴向夹紧力显著增加,其中热后滚丝+锌铝涂层处理的轴向夹紧力最大。

3.3总摩擦系数μ与紧固扭矩T、轴向夹紧力F的关系

螺栓总摩擦系数μ与紧同扭矩T轴向夹紧力F之间的关系如式(1)所示。

式中,P为螺距,mm;d2为螺纹中径,mm;Db为螺栓头下支撑面的摩擦直径,mm。

轴向夹紧力F可用式(2)表示如下                     

                                                                                                                     
      当选定试验螺栓后,d2和从是同定的。紧同扭矩T一定时,总摩擦系数越大,作用在螺纹上的轴向夹紧力F越小。因此,当试验螺栓拧紧至240N•m时,热前 滚丝+电镀螺栓的总摩擦系数最大,轴向夹紧力最小;而热后滚丝+锌铝涂层处理螺栓的总摩擦系数最小,作用在螺栓上的轴向夹紧力最大。

3。4 拧紧至屈服时的扭矩

试验螺栓拧紧至屈服时的扭矩如图3所示。

由图3得出以下结论。

a.电镀螺栓拧紧至屈服时的扭矩最大;采用电镀+涂膜、环保电镀和锌铝涂层处理时,螺栓的拧紧至屈服时的扭矩减小。

b.热前滚丝电镀螺栓拧紧至屈服时的扭矩最大,扭矩散差也较大;采用先进的表面处理工艺后,螺栓拧紧至屈服时的扭矩降低,其中热后滚丝+锌铝涂层处理螺栓拧紧至屈服时的扭矩最小、扭矩散差也最小。

      螺栓拧紧过程是一个克服摩擦(包括螺纹副摩擦及支撑面摩擦)的过程。通常情况下,约90%,的装配扭矩都被螺纹副摩擦及支撑面摩擦消耗掉了,只有约 10%,的装配扭矩转化为螺栓轴向夹紧力。因此,螺栓的摩擦系数越大,拧紧螺栓时因摩擦消耗的扭矩也越大,相应地总扭矩也就越大,故热前滚丝+电镀处理的 螺栓拧紧至屈服时的扭矩最大;而热后滚丝+锌铝涂层的螺栓因摩擦系数最小,故拧紧至屈服时所需的扭矩也最小。

3.5拧紧至屈服时的轴向夹紧力
经不同表面处理工艺处理的螺栓,拧紧至屈服时的轴向夹紧力如图4所示。

       由图4可知,拧紧到屈服时,对普通电镀处理的螺栓而言,热前滚丝的轴向夹紧力最小;采用先进的表面处理工艺后,螺栓轴向夹紧力增加;采用热后滚丝+锌铝 涂层处理时,螺栓的轴向夹紧力最大。另外,不同表面处理工艺处理的螺栓,无论拧紧至240 Nm还是屈服时,其轴向夹紧力的变化趋势与总摩擦系数变化趋势正好相反。

3.6紧固扭距T、轴向夹紧力F、摩擦系数、螺纹公称直径d的关系

理论上,螺栓拧紧过程中紧同扭矩T螺栓轴向夹紧力F、摩擦系数及螺纹形状尺寸之间的关系见式(3).

      式中,μs为螺纹副摩擦系数;μw为端面摩擦系数; dp为螺栓有效直径,粗牙螺纹dp≈0.906d,mm;

      dw为端面摩擦圆等效直径,

,mm,du、di分别为摩擦圆的外径及内径,mm; d为螺纹公称直径,mm;b为螺纹升角,°;a'为垂直截面内的螺纹牙形半角,约为29°58'。

(3)式右侧


可分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长(产生轴向夹紧力)消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。
螺栓被拧紧时受到的是拉-扭复合应力,根据第三强度理论,螺栓许用等效应力σv,可按式(4)求得。

                                                                                                                                                          
式中,σ为螺栓轴向夹紧力F产生的拉应力,σ=,MPa;

为螺栓杆部承受的扭矩Ts所产生的切应力,,MPa。
根据式(3),作用在螺栓杆部的扭矩

并取(粗牙螺纹)、dp=1.05ds代人(4)式可得:

                                                                                                                            
      由式(5)可知,螺纹副的摩擦系数越大,则螺栓在相同轴力下的等效应力也越大。换言之,螺栓强度选定后,摩擦系数越大,螺栓所能承受的轴向力越小;摩擦系数越小,螺栓所能承受的轴向力越大。

      本研究中,电镀螺栓热前滚丝时的摩擦系数最大,拧紧至屈服时,螺栓所能承受的轴向夹紧力越小;热后滚丝螺栓的摩擦系数减小,螺栓拧紧至屈服时的轴向夹紧力增大;锌铝涂层处理的螺栓,热后滚丝时的摩擦系数比热前滚丝小,故拧紧至屈服时所能承受的轴向夹紧力大。

4、结论

      螺栓的轴向夹紧力受连接副摩擦性能的影响,而摩擦系数与螺栓的表面处理工艺以及基体金属的表面状态有关。采用先进的表面处理技术,可以控制螺栓的摩擦系数和散差,提高螺栓的轴向夹紧力。

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