螺釘與不同材質被聯接件的擰緊力矩理論分析

區煥財

（廣東順德工業設計研究院//廣東順德創新設計研究院，廣東佛山 528000）

0 引言

螺釘聯接是設備裝配中應用最為廣泛的可拆卸連接之一，由于其結構簡單、聯接可靠、裝卸方便等優點，在裝配中舉足輕重[1]。為了增強螺紋聯接的剛性、可靠性以及防止受橫向載荷螺釘聯接的松動，螺紋聯接在裝配時需要施加合適的擰緊力矩來預緊，合適的擰緊力矩對生產安全、螺釘聯接件及被聯接件的壽命都是有益的[2]。

圖1 螺栓擰緊受力圖

1 螺紋擰緊力矩定義

螺釘插入被連接件，利用螺母或內螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產生了軸向的拉力，將被夾零件擠壓在一起，稱為預緊力。螺紋擰緊力矩是指為了達到預緊力，螺栓或螺母所需要的力矩。螺栓擰緊時的受力如圖1所示。

2 螺紋聯接受力分析

當一個螺紋結合是在鎖緊的情況下，螺栓頭部和螺紋處的摩擦將影響螺栓預緊力的大小。一般來說在克服螺栓頭和聯接件表面摩擦時相當于50%的扭矩被消耗，30%到40%的扭矩損失是在克服螺紋處的摩擦力，僅剩10%的扭矩有效地作用于夾緊力上，如圖2所示。

圖2 螺紋聯接受力分析圖

3 擰緊力矩的確定

一般來說，擰緊力矩是通過擰緊扳手來施加的，而擰緊扳手力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力T1及螺母與被聯接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩T2。

即T=T1+T2=KF0d

其中：d——螺紋公稱直徑，mm；

F0——預緊力，N；

K——擰緊力矩系數，無量綱。

K的取值較為復雜，根據螺釘的表面處理狀態、潤滑條件和支撐面材料，一般在0.1～0.3范圍內變動，表1為參考值[3-6]。

影響螺紋擰緊力矩的因素主要有摩擦條件、螺釘規格、螺釘材料和聯接件材質等。摩擦條件、螺釘規格和螺釘材料決定著螺釘適用的擰緊力矩標準，而聯接件材質決定著聯接件合適的或所能承受的擰緊力矩標準。

當內外螺紋的材質相同時，可以根據螺釘的材質和規格，直接查閱相關螺釘扭力推薦標準，如德標DIN267，進行擰緊裝配。內外螺紋材質的強度相差較大的螺紋聯接，還應該校核螺紋牙的強度，包括螺紋材料的剪應力和彎應力，其校核公式如下[7-8]：

其中：Fw——預緊力F0，N；

由上述公式可以反推出聯接件的所能承受的最大擰緊力矩，與螺釘扭力推薦標準進行比較，為了避免扭力過大導致零件損壞，選取較小的作為擰緊力矩參考值進行裝配。

4 不同聯接材質的擰緊力矩分析

以45#鋼未調質（屈服強度取355）和ZL104（屈服強度取230）作為聯接件材質進行分析，按照上述方法進行計算得出聯接件的極限扭矩如表2、表3所示（此處擰緊力矩系數K取0.24；螺釘為12.9級鋼制螺釘；載荷不均勻系數取0.96；材料安全系數取2，螺紋旋合長度取 1.5d）[9-10]：

表2 45#未調質聯接件擰緊力矩計算表

表3 ZL104聯接件擰緊力矩計算表

由表2可以看出，45#未調質聯接件的螺紋所能承受的極限力矩大于鋼質螺釘的標準固定力矩，根據螺紋鎖緊扭力的選擇原則，應該選擇聯接件螺紋承受的極限力矩與螺釘標準固定力矩兩者中的較小者。因此，當聯接件的材質為45#未調質，用12.9級的鋼質螺釘進行鎖緊時，螺紋的鎖緊力矩應該選取鋼質螺釘的標準固定力矩作為參考值。

由表3可以看出，ZL104聯接件的螺紋所能承受的極限力矩小于鋼質螺釘的標準固定力矩，根據螺紋鎖緊扭力的選擇原則，應該選擇聯接件螺紋承受的極限力矩與螺釘標準固定力矩兩者中的較小者。因此，當聯接件的材質為ZL104，用12.9級的鋼質螺釘進行鎖緊時，螺紋的鎖緊力矩應該選取聯接件螺紋所能承受的極限力矩作為參考值。

對于其他材質規格的螺釘及被聯接件進行螺紋鎖緊時，擰緊力矩的選取如此類推。

5 螺紋擰緊注意事項

在實際裝配過程中，最常用的螺栓軸向預緊力的控制方法是通過轉矩來間接地實現對軸向預緊力的控制。對于要求不高的裝配，通常人工憑經驗進行力矩的控制，對于裝配條件有一定要求的，常用手動指針式扭力扳手或數顯式扳手來完成力矩的控制。隨著技術的進步，定轉矩氣扳機、電動智能擰緊機的應用也越來越多，在汽車、發動機、工程機械等行業正逐步推廣使用。在實際的操作過程中，螺紋擰緊應注意以下問題。

（1）螺紋有公制和英制之分，緊固螺紋時應注意工具的選用，不同規格的螺釘頭應選用相應規格的扳手。

（2）安裝螺釘時，注意螺釘頭與貼合的表面之間應保持光潔、平整，螺孔內的異物、油脂等應清理干凈。

（3）螺釘成組裝配時，應根據被聯接件的形狀和螺釘的分布情況合理地分幾次進行擰緊（一般為2～3次）。長方形布列的成組螺釘，擰緊時應該從中間開始，逐漸向兩邊對稱地擴展，圓形或方形布列的成組螺釘，應對稱擰緊。

（4）聯接件在工作中有震動或沖擊時，必須有可靠的防松裝置，且要注意控制好同一結構中各個部位的力矩一致性。

（5）在螺釘擰緊的過程中，為了避免出現漏緊的問題，建議在螺釘擰緊到規定要求后，在相關的部位做標記，以確保不會出現漏緊或隨意變動的問題。

6 結束語

本文將理論與實踐經驗相結合，對螺釘的擰緊力矩選擇原則進行了簡單的總結，意在為目前尚無統一螺釘擰緊力矩選取標準的裝配行業提供一個較為可靠的參考標準。但本文提供的數據僅限于普通螺釘的常規緊固連接，特殊連接的預緊力計算和擰緊力矩的選擇標準還有待進一步研究和探討。