擰緊力矩與預(yù)緊力

1、1、引言  家用電器廠在生產(chǎn)某型產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)批頭、電批套筒或風(fēng)批套筒被打斷的現(xiàn)象。原因是一些重要零部件如發(fā)熱管、R型彈簧等的固定都需要用很大的扭力矩來旋緊螺釘，而批頭、電批套筒或風(fēng)批套筒的極限扭力矩不能達(dá)到螺釘擰緊的擰緊力矩要求，致使其超過能夠承受的最大擰緊力矩而折斷。但是，螺釘?shù)臄Q緊力矩到底需要多大？目前尚沒有一個(gè)確切的或者令人信服的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。  那么，有沒有辦法給定螺釘比較準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)值呢？答案是肯定的。  下面以某產(chǎn)品彈性元件固定螺釘PM5×10為例，來計(jì)算它的擰緊力矩。  2、螺紋聯(lián)接的擰緊力矩  我們知道，在螺栓聯(lián)接中，

2、只有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力才能保證螺栓可靠聯(lián)接。而預(yù)緊力則是通過控制施加于螺釘?shù)臄Q緊力矩或轉(zhuǎn)角來間接實(shí)現(xiàn)的。但是，螺栓軸力與擰緊力矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系嚴(yán)重地受到摩擦條件的影響。摩擦一方面是螺紋自鎖防松的必要條件，另一方面摩擦消耗大量擰緊力矩（能量）從而影響螺栓軸力。                             

3、     擰緊時(shí)，扳手或電批（風(fēng)批）力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩T2。即                                    

4、 T= T1+ T2=KF0 d （ N·mm）                d螺紋公稱直徑 （mm）                F0預(yù)緊力 （N）          

5、60;     K擰緊力矩系數(shù) （無量綱）  其中，K值與螺紋中徑、螺紋升角、螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)、螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)有關(guān)。而這些參數(shù)的取值都比較復(fù)雜。要準(zhǔn)確地計(jì)算出K值，就要通過針對(duì)性的試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)得預(yù)緊力和緊固扭矩才能間接獲得擰緊力矩系數(shù)K值。一般情況下，在各種條件下的K值，可參考下表中的數(shù)據(jù)。                   &

6、#160;                    擰緊力矩系數(shù)K摩擦表面狀態(tài)                            

7、;    K   值有潤(rùn)滑無潤(rùn)滑精加工表面0.100.12一般加工表面0.130.150.180.21表面氧化0.200.24鍍鋅0.180.22干燥加工表面0.260.30  本例中，因?yàn)闆]有具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，K按上表取值。由于螺釘擰緊在發(fā)熱盤鋁合金基材上，鋁合金的硬度較低，摩擦力較大。故按干燥加工表面無潤(rùn)滑取值，則K值的取值范圍是0.260.30，取最小值K=0.26。   螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力  螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的大小，要根據(jù)螺釘組受力和聯(lián)接的工作要求決定。設(shè)計(jì)時(shí)首先要保證所需的預(yù)緊力，又不應(yīng)使聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺

8、寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊力不得大于其材料屈服強(qiáng)度s的80%。對(duì)于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓，推薦的預(yù)緊力限值如下：              碳素鋼螺釘 F0 =（0.60.7）s As (N)              合金鋼螺釘 F0 =（0.50.6）s As (N)   式中 s 螺釘材料的屈服強(qiáng)度 （

9、MPa）  彈性元件固定螺釘是PM5×10，材料是SWRCH18A，類似于國(guó)產(chǎn)20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，性能等級(jí)若按4.8級(jí)取值，其公稱屈服強(qiáng)度s =320Mpa。            As 螺紋公稱應(yīng)力截面積 mm2 。                  &#

10、160;                             式中 d2 外螺紋中徑 mm             d3 螺紋的計(jì)算直徑，d =d -H/6 ，其中H為螺紋原始三角形高度 mm。&

11、#160;            d1 外螺紋小徑 mm  查GB196-81普通螺紋基本尺寸， PM5×10螺釘?shù)耐饴菁y小徑 d1 =4.134mm， 中徑 d2 =4.480mm，螺距p=0.8mm，螺紋原始三角形高度H=0.866025404p=0.6928203232mm，  所以，d =d1 -H/6=4.134-0.6928203232/6=4.01852994613mm。  由此，螺紋的公稱應(yīng)力截面積As 為  

12、                                               F0 =（0.60.7）s As = （0.6

13、0.7）×320×14.174=2721.4083174.976（N），取最小值F0 =2721.408（N）   PM5×10螺紋的擰緊力矩：                             T=KF0 d   

14、0;                           =0.26×2721.408×5                  &#

15、160;            =3537.3（N·mm）                               3.5373（N·m）  預(yù)緊力的大小，

16、除了受限于螺釘材料的強(qiáng)度外，還受限于被聯(lián)接件的材料強(qiáng)度。當(dāng)內(nèi)外螺紋的材料相同時(shí)，只校核外螺紋強(qiáng)度即可。對(duì)于旋合長(zhǎng)度較短、非標(biāo)準(zhǔn)螺紋零件構(gòu)成的聯(lián)接、內(nèi)外螺紋材料的強(qiáng)度相差較大的受軸向載荷的螺紋聯(lián)接，還應(yīng)校核螺紋牙的強(qiáng)度。如某型產(chǎn)品彈性元件的固定，因螺釘連接的基材是壓鑄鋁合金YL113，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20的強(qiáng)度，就應(yīng)校核鋁合金上螺紋牙型的強(qiáng)度，主要是螺紋材料的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力。螺紋牙型的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力按如下公式進(jìn)行校核：              &

17、#160;                       式中 Fw 最大軸向外荷載，本例中即預(yù)緊力F0 （N）            D內(nèi)螺紋大徑（mm）         

18、0;  b螺紋牙根部寬度（mm） b=0.87p=0.87×0.8=0.696mm            kz載荷不均勻系數(shù) 對(duì)于本例外螺紋為鋼，內(nèi)螺紋為鋁合金的螺紋聯(lián)接， d/p=5/0.8=6.258，故 =6p/d=0.96。            h螺紋牙的工作高度，為螺紋原始三角形高度H的5/8，即 

19、;              z螺紋牙數(shù)。本例中，螺釘長(zhǎng)度=10mm，彈簧墊圈、平墊片及R型彈簧的總厚度4mm，螺紋的旋合長(zhǎng)度是10-4=6mm。螺距p=0.8mm，螺紋的牙數(shù)z=6/0.8=7.5，取z=7。注：螺紋在鋁合金中的擰入深度即旋合長(zhǎng)度應(yīng)為(1.52.5)d，照此計(jì)算，本例中旋合長(zhǎng)度應(yīng)為915mm，而實(shí)際長(zhǎng)度是6mm，似太短。           

20、;                        n材料的安全系數(shù)。對(duì)于在交變載荷作用下的彈性元件（反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生的載荷），其固定螺絲也受交變載荷的影響，其安全系數(shù)n=1.22.0，取較大值，則n=2.0。  YL113能夠查到的性能參數(shù)是：抗拉強(qiáng)度b 230Mpa，伸長(zhǎng)率1%。無疲勞極限和剪切強(qiáng)度。一般伸長(zhǎng)率要控制在0.5%以內(nèi)，s 按b

21、/2 取值（因拉壓力試驗(yàn)機(jī)上沒有用于拉伸試驗(yàn)的夾具，所以s 按此取值），約為115Mpa。  從鋁合金基材上截取一塊試樣，制作成三塊截面為5.0×5.0mm的試件（第一次試驗(yàn)的試件截面尺寸是10.0×5.0mm，因拉壓力試驗(yàn)機(jī)的最大壓力達(dá)不到試件剪切所需的荷重而將截面減?。┰诶瓑毫υ囼?yàn)機(jī)上做剪切試驗(yàn)，得到Y(jié)L113的平均剪切強(qiáng)度j為107.2Mpa。于是：   上述計(jì)算說明，按螺釘?shù)牟牧嫌?jì)算的預(yù)緊力緊固螺紋時(shí)（此時(shí)的擰緊力矩即為3.5373N·m），螺紋牙型承受的剪切應(yīng)力小于許用剪切壓力，即在這種情況下，螺紋牙型的剪切強(qiáng)度是足夠的。但

22、螺紋的彎應(yīng)力遠(yuǎn)超其抗彎許用應(yīng)力，其抗彎應(yīng)力嚴(yán)重不足！因此，需按螺紋牙型的許用彎應(yīng)力計(jì)算螺釘?shù)念A(yù)緊力。即：                     由此推出螺釘在螺紋許用彎應(yīng)力下的擰緊力矩應(yīng)為：                  &

23、#160;                T=KF0 d                                 

24、;    = KFw d                                     =0.26×2211.2×5    

25、60;                                =2874.56（N·mm）              &#

26、160;                      2.88（N·m）3.5373（N·m）  以上按螺釘材料的疲勞強(qiáng)度、鋁合金上螺紋牙型的抗彎許用應(yīng)力計(jì)算出螺釘?shù)臄Q緊力矩，分別是3.5373N·m和2.88N·m，應(yīng)取最小值2.88N·m。  SOP上規(guī)定的彈性元件的扭矩范圍是2.072.52N·m ，小于上述計(jì)算值2.88N·m，似嫌小。  家用電器統(tǒng)一使用 HIOS CL-6500PS電批，其扭矩范圍是0.31.6 N·m， 顯然小于2.072.52N·m。所以在打R型彈簧螺絲的工位不能使用HIOS CL-6500PS電批。選用好幫手PRO-T55LB風(fēng)批，其扭矩范圍0.76.5 N·m，可以滿足使用要求。3、 影響螺釘擰緊力矩的其它因素 除了風(fēng)批的扭矩范圍要滿足螺釘?shù)臄Q緊力矩外，批頭能夠承受的扭矩及螺釘頭部的形狀對(duì)螺釘擰緊力