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鑄鋁箱體用螺栓扭矩系數影響因素分析

作者:admin來源:本網 日期:2017-7-1 9:32:15 人氣: 標簽:

  由于鑄鋁具有小密度、優良的散熱性能、良好的耐腐蝕性和便于鑄造及減重等特點,使其在越來越多的機械產品中得到應用,特別是車輛等行動系統的各種箱體均采用鑄鋁結構,該類箱體大都通過螺栓在箱體與箱蓋之間施加夾緊力,實現箱體的緊固與密封。

  鑄鋁材料強度較低,不宜直接加工內螺紋,通常采用加工螺紋底孔再安裝鋼絲螺套或螺紋鋼套的形式形成內螺紋。除此之外,由于鑄鋁材料抗磨性能差,螺栓擰緊時頭部支撐面非常容易磨損,影響支撐面的摩擦狀態,而摩擦是影響螺栓聯接中扭-拉關系的主要因素M.這些原因使鑄鋁箱體螺栓聯接中的預緊力控制成為難題。螺栓預緊力過大容易導致螺栓拉斷、鋼套拉出以及箱蓋局部翹曲,使得密封失效;而預緊力不足則容易導致螺栓松動、密封不可靠甚至失效等質量問題。

  為了精確控制螺紋聯接中的預緊力,扭矩-轉角法很早就被提出,并且于1964年在歐、美等一些國家就已制定了相關規范H.大連理工大學宋莎等人中Nassar等人提出了支撐面摩擦圓環的不同壓力分布模型,給出了各模型的等效摩擦半徑計算公式,并分析了不同模型等效摩擦半徑的計算精度。Nassar的分析表明,如果參數選擇合理時,指數型壓力p分布模型的計算精度最高,這時的螺栓擰緊示意圖如圖所示,即接觸環形區域的內側壓力值高于外側壓力值。本文所有試驗工裝墊塊磨損情況均為內側磨損嚴重,外側磨損較輕,呈喇叭口狀,這種現象方面由內側所受壓力偏高引起,另一方面則由于內側強度較低所致。由圖所示情況可推斷出,在螺栓擰緊過程中,墊圈與鑄鋁工裝墊塊隨著螺栓的不斷擰緊而逐漸達到完全貼合。對于使用過的鑄鋁工裝墊塊,螺栓擰緊過程中平墊圈由外側向內側逐漸貼合,即支撐面的等效摩擦直徑在擰緊過程中不斷減小,引起在擰緊過程中扭矩系數不斷降低。

  在螺栓擰緊過程中,支撐面摩擦因數和螺紋面摩擦因數/X,是兩個不斷變化的值,并且它們的變化是扭矩系數變化的主要原因,而引起兩個摩擦因數變化的原因有很多。本文所有試驗沒有使用任何潤滑劑或防松膠,所有摩擦都屬于干摩擦。

  在螺栓緊固過程中,螺栓軸向預緊力迅速增加,試驗中扭矩從20Nm到達目標扭矩70Nm時螺栓轉過的轉角平均約為80°。在一般情況下,金屬表面處于彈塑性接觸狀態,由于實際接觸面積與載荷的非線性關系,使得摩擦因數隨著載荷的增加而降低11.本文認為在螺栓緊固過程中,支撐面摩擦副和螺紋面摩擦副中的接觸均為彈塑性接觸,即兩個摩擦因數在緊固過程中都會隨著軸向預緊力的增大而減小,從而出現了試驗中所觀察到的扭矩系數K隨擰緊力矩的增大而減小的現象。

  Bowden等人建立的黏著理論認為,摩擦力是黏著效應和犁溝效應產生阻力的總和M.在鑄鋁箱體的螺栓聯接試驗中可看出,試驗中鑄鋁工裝墊塊支撐面、墊圈端面以及螺紋牙磨損之后的表面均有明顯的摩擦溝痕形成,且成環狀條紋,擰緊次數越多,摩擦條紋越多越清晰。2所示為某鑄鋁工裝墊塊在使用數次之后的端面實物圖。

  a)使用過的墊塊支撐端面b)支撐面局部放大某鑄鋁工裝墊塊在使用數次之后的端面實物圖由于螺栓、螺母和墊圈表面都鍍有黃鋅,鑄鋁工裝墊塊表面有氧化膜,在螺栓首次擰緊時,這些表面覆蓋層能起到很好的降低并穩定摩擦因數的作用,從而出現了首次擰緊時扭矩系數總是較小,而且在整個擰緊過程中摩擦因數比較穩定的情況。在完成第1次擰緊并松開以后,發現所有涂覆鋅層的摩擦表面的鋅層均脫落,鋁塊表面也有明顯的磨損痕跡,3所示為某螺栓首次擰緊之后的螺紋面鋅層脫落實物圖。當螺栓再次擰緊時,擰緊過程中的所有直接接觸面沒有了鋅層和表面氧化層的保護,摩擦因數均迅速增加且穩定性相對較差,導致第2次擰緊過程中扭矩系數比首次擰緊大很多,瓦從也會有所上升。

  3某螺栓首次擰緊之后螺紋面鋅層脫落實物圖從第2次擰緊開始,螺紋面摩擦副和支撐面摩擦副間的摩擦都是基體材料直接接觸的干摩擦,摩擦力主要為犁溝力和黏著力,摩擦表面有磨損擦傷,并呈環形溝痕。以支撐面摩擦副為例,平墊圈與鑄鋁工裝墊塊都形成環形條紋,在特定的某一次擰緊過程中隨著軸向預緊力的增加磨損條紋不斷地加深。由于墊圈在各次擰緊過程中相對于鑄鋁工裝墊塊以及螺栓的位置各不相同,所以在每次擰緊過程中摩擦副之間形成新的磨損條紋,或者在擰緊過程中自動動態調整墊圈的位置使其與之前形成的磨損溝痕相匹配。隨著擰緊次數的不斷增加,即螺栓使用次數的增加,磨損條紋基本穩定,相應的摩擦因數也從第2次開始不斷減小并趨于穩定。扭矩系數在擰緊過程中與摩擦因數有相似的規律。

  依據黏著摩擦理論可知,滑動摩擦是黏著與滑動交替發生的躍動過程。當滑動速度增加時,黏著時間和摩擦因數的變化幅度都將減小,因而摩擦因數值和滑動過程趨于平穩11.滑動摩擦的這種躍動現象也是擰緊過程中扭矩系數變化的個因素,并且在低速時這種影響更為明顯,即在低速擰緊時扭矩系數離散度較大。

  對于般彈塑性接觸狀態的摩擦副,摩擦因數隨滑動速度的增加先增加,當達到某一極大值之后再隨滑動速度的增加而減小,該極大值點的位置隨載荷或接觸表面剛度的增大而向速度較小的方向移動M.鑄鋁表面剛度較低,且螺栓聯接中的摩擦副屬中等載荷,本文所探討的三種擰緊速度下摩擦因數隨擰緊速度的增大而增加的結果,與試驗中低擰緊速度對應小的扭矩系數的結果相一致。

  5結語本文研究了鑄鋁箱體用螺栓擰緊過程中的擰緊次數、擰緊速度等擰緊工藝過程可控因素對扭矩系數的影響。通過試驗及理論分析得出以下結論。

  在螺栓擰緊過程中,扭矩系數隨著預緊力的增加而不斷減小,且首次擰緊時扭矩系數減小幅度較小,第二次擰緊時減小幅度迅速增加,之后趨于穩定。

  終擰扭矩系數在首次擰緊時最小,第二次擰緊時迅速增加,之后趨于穩定,且1r/min時這種規律不明顯,5r/min時增幅較大。

  多次擰緊時終擰扭矩系數方差(離散度)隨擰緊次數的增加而減小并趨于穩定,且擰緊次數較少時隨擰緊速度的增大而減小。

  針對鑄鋁材料耐磨性較差等原因導致的扭矩系數離散度大的現象,結合本文試驗研究成果,可為相關工藝人員給出以下幾點提示:應對擰緊扭矩和扭矩系數進行同時控制;確定目標扭矩時不應對所有預緊力水平都采用相同的扭矩系數進行計算;重復使用的螺栓應根據使用次數制定擰緊工藝參數,以區別于首次擰緊工藝;擰緊工藝應對擰緊工具以及擰緊速度進行約束,以實現多個螺栓擰緊時對預緊力離散度的控制。

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