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。