铸铝箱体用螺栓扭矩系数影响因素分析

由于铸铝具有小密度、优良的散热性能、良好的耐腐蚀性和便于铸造及减重等特点，使其在越来越多的机械产品中得到应用，特别是车辆等行动系统的各种箱体均采用铸铝结构，该类箱体大都通过螺栓在箱体与箱盖之间施加夹紧力，实现箱体的紧固与密封。

　　铸铝材料强度较低，不宜直接加工内螺纹，通常采用加工螺纹底孔再安装钢丝螺套或螺纹钢套的形式形成内螺纹。除此之外，由于铸铝材料抗磨性能差，螺栓拧紧时头部支撑面非常容易磨损，影响支撑面的摩擦状态，而摩擦是影响螺栓联接中扭-拉关系的主要因素M.这些原因使铸铝箱体螺栓联接中的预紧力控制成为难题。螺栓预紧力过大容易导致螺栓拉断、钢套拉出以及箱盖局部翘曲，使得密封失效；而预紧力不足则容易导致螺栓松动、密封不可靠甚至失效等质量问题。

　　为了精确控制螺纹联接中的预紧力，扭矩-转角法很早就被提出，并且于1964年在欧、美等一些国家就已制定了相关规范H.大连理工大学宋莎等人中Nassar等人提出了支撑面摩擦圆环的不同压力分布模型，给出了各模型的等效摩擦半径计算公式，并分析了不同模型等效摩擦半径的计算精度。Nassar的分析表明，如果参数选择合理时，指数型压力p分布模型的计算精度*高，这时的螺栓拧紧示意图如图所示，即接触环形区域的内侧压力值高于外侧压力值。本文所有试验工装垫块磨损情况均为内侧磨损严重，外侧磨损较轻，呈喇叭口状，这种现象方面由内侧所受压力偏高引起，另一方面则由于内侧强度较低所致。由图所示情况可推断出，在螺栓拧紧过程中，垫圈与铸铝工装垫块随着螺栓的不断拧紧而逐渐达到完全贴合。对于使用过的铸铝工装垫块，螺栓拧紧过程中平垫圈由外侧向内侧逐渐贴合，即支撑面的等效摩擦直径在拧紧过程中不断减小，引起在拧紧过程中扭矩系数不断降低。

　　在螺栓拧紧过程中，支撑面摩擦因数和螺纹面摩擦因数/X，是两个不断变化的值，并且它们的变化是扭矩系数变化的主要原因，而引起两个摩擦因数变化的原因有很多。本文所有试验没有使用任何润滑剂或防松胶，所有摩擦都属于干摩擦。

　　在螺栓紧固过程中，螺栓轴向预紧力迅速增加，试验中扭矩从20Nm到达目标扭矩70Nm时螺栓转过的转角平均约为80°。在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦因数随着载荷的增加而降低11.本文认为在螺栓紧固过程中，支撑面摩擦副和螺纹面摩擦副中的接触均为弹塑性接触，即两个摩擦因数在紧固过程中都会随着轴向预紧力的增大而减小，从而出现了试验中所观察到的扭矩系数K随拧紧力矩的增大而减小的现象。

　　Bowden等人建立的黏着理论认为，摩擦力是黏着效应和犁沟效应产生阻力的总和M.在铸铝箱体的螺栓联接试验中可看出，试验中铸铝工装垫块支撑面、垫圈端面以及螺纹牙磨损之后的表面均有明显的摩擦沟痕形成，且成环状条纹，拧紧次数越多，摩擦条纹越多越清晰。2所示为某铸铝工装垫块在使用数次之后的端面实物图。

　　a）使用过的垫块支撑端面b）支撑面局部放大某铸铝工装垫块在使用数次之后的端面实物图由于螺栓、螺母和垫圈表面都镀有黄锌，铸铝工装垫块表面有氧化膜，在螺栓首次拧紧时，这些表面覆盖层能起到很好的降低并稳定摩擦因数的作用，从而出现了首次拧紧时扭矩系数总是较小，而且在整个拧紧过程中摩擦因数比较稳定的情况。在完成第1次拧紧并松开以后，发现所有涂覆锌层的摩擦表面的锌层均脱落，铝块表面也有明显的磨损痕迹，3所示为某螺栓首次拧紧之后的螺纹面锌层脱落实物图。当螺栓再次拧紧时，拧紧过程中的所有直接接触面没有了锌层和表面氧化层的保护，摩擦因数均迅速增加且稳定性相对较差，导致第2次拧紧过程中扭矩系数比首次拧紧大很多，瓦从也会有所上升。

　　3某螺栓首次拧紧之后螺纹面锌层脱落实物图从第2次拧紧开始，螺纹面摩擦副和支撑面摩擦副间的摩擦都是基体材料直接接触的干摩擦，摩擦力主要为犁沟力和黏着力，摩擦表面有磨损擦伤，并呈环形沟痕。以支撑面摩擦副为例，平垫圈与铸铝工装垫块都形成环形条纹，在特定的某一次拧紧过程中随着轴向预紧力的增加磨损条纹不断地加深。由于垫圈在各次拧紧过程中相对于铸铝工装垫块以及螺栓的位置各不相同，所以在每次拧紧过程中摩擦副之间形成新的磨损条纹，或者在拧紧过程中自动动态调整垫圈的位置使其与之前形成的磨损沟痕相匹配。随着拧紧次数的不断增加，即螺栓使用次数的增加，磨损条纹基本稳定，相应的摩擦因数也从第2次开始不断减小并趋于稳定。扭矩系数在拧紧过程中与摩擦因数有相似的规律。

　　依据黏着摩擦理论可知，滑动摩擦是黏着与滑动交替发生的跃动过程。当滑动速度增加时，黏着时间和摩擦因数的变化幅度都将减小，因而摩擦因数值和滑动过程趋于平稳11.滑动摩擦的这种跃动现象也是拧紧过程中扭矩系数变化的个因素，并且在低速时这种影响更为明显，即在低速拧紧时扭矩系数离散度较大。

　　对于般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦因数随滑动速度的增加先增加，当达到某一极大值之后再随滑动速度的增加而减小，该极大值点的位置随载荷或接触表面刚度的增大而向速度较小的方向移动M.铸铝表面刚度较低，且螺栓联接中的摩擦副属中等载荷，本文所探讨的三种拧紧速度下摩擦因数随拧紧速度的增大而增加的结果，与试验中低拧紧速度对应小的扭矩系数的结果相一致。

　　5结语本文研究了铸铝箱体用螺栓拧紧过程中的拧紧次数、拧紧速度等拧紧工艺过程可控因素对扭矩系数的影响。通过试验及理论分析得出以下结论。

　　在螺栓拧紧过程中，扭矩系数随着预紧力的增加而不断减小，且首次拧紧时扭矩系数减小幅度较小，第二次拧紧时减小幅度迅速增加，之后趋于稳定。

　　终拧扭矩系数在首次拧紧时*小，第二次拧紧时迅速增加，之后趋于稳定，且1r/min时这种规律不明显，5r/min时增幅较大。

　　多次拧紧时终拧扭矩系数方差（离散度）随拧紧次数的增加而减小并趋于稳定，且拧紧次数较少时随拧紧速度的增大而减小。

　　针对铸铝材料耐磨性较差等原因导致的扭矩系数离散度大的现象，结合本文试验研究成果，可为相关工艺人员给出以下几点提示：应对拧紧扭矩和扭矩系数进行同时控制；确定目标扭矩时不应对所有预紧力水平都采用相同的扭矩系数进行计算；重复使用的螺栓应根据使用次数制定拧紧工艺参数，以区别于首次拧紧工艺；拧紧工艺应对拧紧工具以及拧紧速度进行约束，以实现多个螺栓拧紧时对预紧力离散度的控制。