緊固件摩擦系數的重要性是目前大家都比較關注的，摩擦系數的大小和散差會嚴重影響緊固件的擰緊後預緊力。

同樣的擰緊扭矩擰緊後，不同的摩擦系數範圍，會得到差别非常大的預緊力。

大家都比較熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原則，也就是說摩擦系數變化小，但是預緊力會變化非常大。

因為螺栓頭支撐面和螺紋副的扭矩占比非常大，即使很小的摩擦系數變化，對螺栓頭支撐面和螺紋副扭矩影響看似不是非常大，但是會影響産生預緊力的扭矩占比，可能産生預緊力的占比因為摩擦系數的變化，産生了5%的增減，最終就會較大的影響預緊力的占比。

既然摩擦系數對于螺栓連接是這麼重要，那麼，摩擦系數跟哪些因素有關系呢？

我們從以前物理學等了解到摩擦系數跟接觸面積等沒有關系，但是，在實際工作過程中又隐隐約約感覺到摩擦系數好像跟接觸面積還是有一定關系，到底實際情況是怎麼樣呢？

我們通過前人的理論研究，并通過試驗來确定。

螺栓扭矩系數的穩定性，對于預緊力控制和連接點的可靠性至關重要。

螺栓扭矩系數由摩擦因數和螺紋尺寸參數共同決定，對于特定的螺紋聯接副而言，螺栓的螺紋常數是固定的，當摩擦因數确定之後，扭矩系數也就唯一确定了。

對于螺紋尺寸參數對扭矩的影響有大量研究成果，而且螺紋尺寸參數對于扭矩系數的影響是規律性的，但是對于摩擦因數影響的關鍵因素卻鮮有研究。

本文，螺絲君從理論上找出了可能影響電鍍鋅螺栓摩擦因數的因素，然後通過螺栓的擰緊實驗對這些關鍵因素進行了實驗研究；找出了影響螺栓摩擦因數的關鍵因素；最後根據影響因素對摩擦因數影響的顯著性程度，選擇性地對這些關鍵因素進行了控制，有效控制了摩擦因數的散差。

01

影響摩擦因數的因素分析

前人經過系統的實驗研究，建立了較完整的黏着摩擦理論，對于摩擦磨損研究具有重要的意義。黏着摩擦理論認為整個摩擦分為3個過程：

① 摩擦表面處于塑性接觸狀态，實際接觸面都是以接觸峰點的形式存在，接觸點應力達到屈服極限就會産生塑性形變，接觸點就隻能依靠增加接觸面來承受繼續增加的載荷。

② 接觸點摩擦過程中還可能産生瞬時高溫，接觸點會産生黏着，在随後摩擦的剪切力作用下，黏着點會被剪切産生滑動。

③ 摩擦力是黏着效應和犁溝效應産生阻力的總和，接觸面中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，接觸面分兩部分組成：

• 發生黏着效應的面積，滑動發生剪切；
• 犁溝效應作用的面積，滑動時硬峰推擠軟材料。

金屬黏着摩擦理論中，摩擦系數f的計算公式如下:

式中：

F為接觸面的剪切力；

W為接觸面的正壓力；

A為摩擦面實際接觸面積；

τb為剪切強度極限；

S為粗糙峰在垂直面上的投影面積；

σs為屈服強度極限。

從以上摩擦過程分析可知，微觀上摩擦跟接觸面積是存在一定的關系，這與我們實際生活中的感覺有點接近。

例如，我們穿着一個帶凸點的鞋子，如果突然某個時候，隻有很小的一個凸點着地，這時候會一下子感覺被晃了一下，感覺這時候的摩擦力非常低。不知道大家是否也有這種感覺？

螺栓在擰緊過程中，接觸表面會産生相對滑動，必然會引起接觸表面産生摩擦，導緻接觸面磨損，螺栓擰緊轉速的不同會導緻摩擦面的溫度的變化。

支撐面硬度、螺栓強度等級會影響接觸點的屈服強度和剪切強度。

螺栓表面膜的摩擦副滑動時,黏着點的剪切發生在膜内,其剪切強度會改變，又由于表面膜很薄，實際接觸面積由基體材料的屈服極限決定。

所以擰緊速度、螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度可能會改變螺栓的摩擦因數。

02

影響螺栓摩擦因數關鍵因素的實驗研究

實驗采用德國先進的多功能螺栓緊固分析系統，擰緊機自帶一個測定總扭矩Tf的扭矩傳感器，同時在螺紋裝配夾具内安裝了測定螺紋扭矩Ts的傳感器和測定夾緊力F的力傳感器。

端面摩擦扭矩：Tw=Tf-Ts

根據緊固扭矩與夾緊力的比值，總摩擦因數μtot，螺紋摩擦因數μs，支撐面的摩擦因數μw用如下公式計算确定：

擰緊速度對螺栓摩擦因數的影響是必然的，前人也進行了大量的研究，本文中不作為研究對象。

以螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度為研究對象進行實驗，實驗螺栓統一為六角頭螺栓，螺母為六角法蘭螺母，兩者表面處理方式相同，處理後螺栓與螺母采用6H/6g配合。墊塊闆厚為3 mm，機械加工後表面粗糙度為3.2 μm，銳角倒鈍。

對不同螺栓強度等級、鍍層厚度、鈍化層、支撐面硬度的螺栓進行擰緊實驗，螺栓的扭矩系數分布如下表。

将扭矩系數實驗數據制成分圖。

不同轉速螺栓扭矩系數分布圖

不同強度等級螺栓扭矩系數分布圖

不同硬度墊塊的扭矩系數分布圖

不同表面處理螺栓扭矩系數分布圖

在實際中，許多問題都涉及多個因素的作用，但是這些因素對所考察的指标影響“是否大”的主要方法是方差分析法。

它的實質是通過分析數據的誤差來源，進而檢驗多個總體的均值是否相同，把實驗數據的波動分解為由研究對象的變差和随機因素引起的波動，通過分析比較這些變差來推斷這些因素對所考察指标的影響是否顯著。

利用MATLAB的ANOVA1函數可以進行各影響因素的F檢驗。

将螺栓摩擦因數的實驗數據進行ANOVA1函數求解，得到計算結果下表所示。

從計算結果可以看出螺栓強度、鍍層厚度和鈍化層對螺栓摩擦因數影響很大，但是支撐面硬度對螺栓摩擦因數影響不大，不同支撐面硬度進行擰緊實驗，摩擦因數均值有24.9%的概率是相等的。

在緊固實驗過程中，發現D級鈍化層螺栓屈服緊固軸向力要遠大于C級鈍化層，D級鈍化層螺栓與C級鈍化層緊固屈服軸向力實驗數據均值對比如圖所示。

擰緊過程是一個拉扭複合受力的過程，螺栓所受拉應力由轉化的緊固軸向力産生，所受扭轉剪切應力由螺紋間和支撐面的摩擦扭矩産生。

D級鈍化層的螺栓由于表層有一層較軟的薄膜層，可以起到薄膜潤滑的作用，所以摩擦因數小，對螺栓産生的扭轉剪切應力相應小很多，扭矩更多地轉化為軸向預緊力。

03

影響摩擦因數的關鍵因素的控制

從上表的計算數據可以看出，螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度對摩擦因數的影響程度是不同的，鈍化層處理對螺栓摩擦因數影響最大，支撐面的硬度對摩擦因數的影響最小。

對支撐面的硬度控制是非常困難的，最終對于摩擦因數控制的貢獻也不大，是沒有意義的，對摩擦因數的控制要抓住重點。

不同場合需要不同特性的螺栓，對于不同強度等級，不同鈍化層的螺栓，關系到連接點的受力和防腐性能的要求，不能從螺栓本體特征來進行控制，隻需要根據強度等級和鈍化層的不同區别對待，通過實驗數據測定，使用不同的摩擦因數，對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制。

傳統的緊固件生産并沒有考慮鍍層和鈍化層對扭矩系數的影響，鍍層厚度隻要大于最低要求就認為是合格的，沒有嚴格控制鍍層上限。

實驗準備兩批螺栓，鍍層厚度都要求為5μm,鈍化層為c2C，一批要求對鍍層厚度進行控制，控制範圍為5～7μm，另外一批不進行控制，隻要鍍層厚度大于5μm就行。

重新進行對比實驗，控制前後扭矩系數正态分布密度函數如圖8所示。

可以看出，控制螺栓鍍層厚度對螺栓扭矩系數的影響不大，控制前扭矩系數均值為0.3785，控制之後扭矩系數均值為0.3612，螺栓扭矩系數略有減小。

但是控制前後扭矩系數的标準差顯著減少，控制前扭矩系數的标準差為0.03416，控制後扭矩系數标準差為0.01531，扭矩系數的标準差降低55.18%。

這說明控制鍍層厚度可以顯著地控制螺栓摩擦因數，這對提高螺栓連接點的可靠性意義重大。

04

知識延伸-表面處理代号

對于電鍍的表面處理代号标識一般按照GB/T 5267.1标準，該标準等同于ISO 4042标準。

按照标準要求，電鍍表面處理代号分為A類代号和B類代号标記方法。

• A類代号标記如下：

E.2 标記

标記示例:

• 六角頭螺栓GB/T 5782 M10X60 8.8
• 電鍍鋅層(表E.1的A)
• 最小鍍層厚度5 μm(表E.2的2)
• 光飾狀态為“光亮”并經銘酸鹽處理成黃彩虹色(表E.3的L)的标記:六角頭螺栓 GB/T 5782 M10X60 8.8 A2L

注1:如未明确要求最小鍍層厚度,則按表E.2,該鍍層厚度的标記代号為“0”,例如“AOP”,以便該代号包括在完整的技術要求中。

代号“0”适用于小于M1.6的螺紋零件或其他小零件。

注2:如要求其他處理,如塗抹油脂或油,則需協議,并在标記中規定。

A類電鍍标記代号記為A2L，具體的電鍍層厚度等要求需要查找GB/T 5267.1标準中的相應表格，不便于記憶。

• B類似标記代号：

B類标記示例:

• Fe/Zn8c2C (或Fe/Zn8. c2C)
• 其中Fe-金屬基體
• Zn-鍍層金屬
• 8-最小鍍層厚度
• c- 銘酸鹽處理
• 2-銘酸鹽處理等級
• C-銘酸鹽處理類型

同樣該标識也需要按照标準查找相應的代号對應的中性鹽霧試驗要求，直接從标識中無法判斷出具體的技術要求。

常見标識

以上是标準中的标識要求，還有一種大家比較常見的标識，特别是日韓系主機廠比較常用，例如Fe/Ep.Zn5.c2C，該标識與标準中的B類标識基本一緻。

主要是增加了一個Ep的代号，該Ep就是電鍍Electro Plating的英文縮寫。

其他代号的意思都與标準中的電鍍代号一緻，不再贅述。

05

螺絲君的總結

一

對摩擦因數進行理論分析，得出擰緊過程中能量的分配比例。

螺栓緊固軸向力對摩擦因數的變化極為敏感，必須進行摩擦因數的控制來提高連接點的可靠性。

二

對不同螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理、支撐面硬度的螺栓進行了擰緊實驗，利用單因素分析法進行F檢驗發現螺栓強度等級、鍍層厚度、鉻酸鹽處理對螺栓扭矩系數影響較大，支撐面硬度對螺栓扭矩系數影響不大。

同時發現D級鈍化層鍍鋅螺栓可以有效提高螺栓緊固軸向力，對于充分發揮螺栓使用效能是很有意義的。

三

不同場合需要不同特性的螺栓，對于影響螺栓摩擦因數的關鍵因素不能全部從本體特征來進行控制。

對于不同強度等級，不同鈍化層的螺栓，隻需要根據強度等級和鈍化層的不同來區别對待通過實驗測定，使用不同的摩擦因數。

對于鍍層厚度需要從螺栓本體控制，研究表明控制後螺栓摩擦因數散差顯著減小。

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