螺栓和紧固课件

Jour/Mois/AnnéeDPCA螺栓和紧固1引言研究范围

1、只讲解普通公制螺栓螺母的基本知识，不涉及其它的零件。如：自攻螺钉、自锁螺母等。

2、所有用于讨论的装配系统均为刚型系统

3、只介绍常用公式的使用，不讲解公式的推导。21.0螺栓的基础知识

1.1螺栓的尺寸性能31.2螺栓的机械性能

1.2.1抗拉强度、屈服强度和延伸率

41.2.1.1应力应变曲线51.2.1.2抗拉强度的检测方法加载速度不能超过30MPa/S61.2.2头部坚固性

将头部弯曲90°-β角，不允许在过渡圆角处产生断裂对于全螺纹的螺栓，只要未发生掉头现象，允许在第一扣处产生裂纹对于六角头或方头螺栓，其头部应支撑在棱边上。本试验通过对螺栓头在垂直方向上敲打几锤使螺栓头部折弯90°-β角

781.2.3楔负载这种严格的拉伸试验可以把那些可能在其头部与杆部的交接处没有足够的变形能力的螺栓暴露出来。这些螺栓受到过度的冷变形加工，或具有过多的特殊冶金成分9101.2.4硬度

注:在有争议的情况下，以维氏硬度为准11121.2.5延迟断裂该项性能适用于质量级别9.8级以上的螺栓，也适用于带锥形弹性垫片的螺栓。也可以用于检测镀锌后的氢脆用于该检查的装置见图7。在试验时在螺栓上施加一个拧紧力矩获得预紧力：

F=95%Re*AS

在预紧力下保持48小时，不应该在螺栓上观察到任何开始断裂的迹象及裂纹

13141.2.6摩擦系数本试验的目的在于检查与一定大小的预紧力相对应的拧紧力矩是否落在规定的范围内该检查可以从总体上评价紧固件的摩擦性能，包括：结构、粗糙度、表面涂层等特征参数的一致性摩擦系数的检测有两种方法：

1、摩擦系数是一个确定的值。例如：0.15±20%。可以使用摩擦系数试验机直接测量。除非另有说明，一般都是：0.15±20%

2、给定预紧力和拧紧力矩的范围。可以使用摩擦系数试验机测量，也可以通过其它的专用设备完成15161.2.7机械性能试验说明1、由于检测方法的不确定性，螺栓的屈服强度只做为理论计算时的依据，在做机械性能试验时不检查该项内容。2、楔负载试验=抗拉强度试验+头部坚固性试验3、由于尺寸限制无法做抗拉强度试验时，可以用硬度替代171.3螺母与螺栓的匹配一般来讲螺栓应该匹配同级别的螺母，也可以使用高一级别的螺母。但绝对不能使用低一级别的螺母18小结一一、螺栓的基本性能

1、尺寸性能

2、质量级别二、螺栓的试验方法

1、抗拉强度

2、摩擦系数三、螺栓和螺母的匹配191.4螺栓在文件中的表达方式1、螺栓的命名规则在PSA标准里，螺栓的名称体现了它所有的性能和主要的尺寸参数。它的具体规则如下：名称头部形式头下形式特殊要求公称直径和螺距头下长度质量级别

镀层形式尾端形式摩擦系数

例如：

VISHEMBENDUCM10X150L30AC8DAC500ACCFF

2、零件上的标识方法螺栓上的标识必须包含以下两个信息:1、供应商的厂家标识；如：EQ—表示供应商是东风61

2、质量级别；如：8.8—表示质量级别是8.8级203、在明细表里的表达方式在明细表里，除了有螺栓的名称外，还有关于螺栓拧紧方面的信息。它的编码规则如下：（以力矩法为例）

拧紧方式摩擦系数力矩及误差例：

VNBFT12/18C30%252122232425261.5力矩的选用原则力矩产生的应力不能超过螺栓屈服强度的95%最佳应力范围应在螺栓屈服强度的50%-85%271.5.1螺栓力矩和应力的对应关系针对ISO标准的螺栓，力矩和应力的对应关系可以使用以下经验公式：PSA集团使用的公式

中国行业经验公式

C=0.2*F*d281.5.2力矩推荐值螺纹规格(AC8.8)紧固力矩(NM)无法兰面有法兰面M545M689M82024M10X1.254045M104045M12X1.257085M127075291.6螺栓的制造工艺普通螺栓制造工艺原材料进厂检验酸洗退火磷化拉丝冷镦搓丝热处理表面处理高强度螺栓制造工艺原材料进厂检验酸洗退火磷化拉丝冷镦热处理滚丝表面处理301.6.1螺栓工艺中应注意:1、穿垫螺栓应首选热处理后再穿垫滚螺纹2、穿垫螺栓应避免表面镀锌311.6.2过程审核时的要点32小结二一:螺栓拧紧的表达方式和选用原则

1、螺栓名称表达方式的含义

2、螺栓拧紧表达方式的含义

3、螺栓力矩的选用二:螺栓的制造工艺

1、螺栓的制造工艺

2、螺栓过程审核的要点33

拧紧342.0概述使用螺栓装配是为了在两个零件间产生足够的联结应力，避免在受到外应力作用时出现分离和滑落，并易于卸装。确保以下功能：1、密封。如：缸盖螺栓2、动载和静载的传递35

2.1装配模型设计36因此可以通过并列的两个弹簧（图10）来建立总成模型：一个刚度Ka表示装配件，另一个Kb表示螺栓（或螺母）。在应力F0下紧固（自由状态转为预加载荷状态)，装配零件压缩至D0a，螺钉拉伸至D0b（图4）。完成装配后，受到外轴向应力Fez的作用,零件被卸载，螺钉被拉伸。根据其刚度，外应力分布在固定零件和装配零件上。伸长率在螺钉上变为Db,在零件上变为压缩Da。螺钉上可见应力部分为Fb，零件上则为Fa。力的平衡表现为:Fez+(F0-Fa)–(F0+Fb)=0.零件全部卸载会脱落，应力Fa部分等于预加应力F0。F0-Fa=0而F0+Fb=Fez时，表明螺钉受到整个外应力373839令：（λ：载荷系数）

所以：总成刚性系数Ka要远远高于螺钉刚性系数Kb,所以载荷系数λ一般接近0，1（Ka是Kb的十倍）402.2螺栓上的载荷1、螺栓上的拉应力（静载荷）可用下图表示412、螺栓上的拉应力（动载荷）可用下图表示42由图可知,当λ↑,Fo一定时,可获得较大的静态载荷Fez。也就意味着能抵抗更大的静态外力。若要λ↑，则Ka↓，Kb↑。可以采用使用刚性螺栓（直径大，长度短）和增加弹性零件（如：使用垫圈）。但此时，附加在螺栓上的动态载荷的振幅也将很大。由图可知,当λ↓,Fo一定时,可获得较小的静态载荷Fez。也就意味着能抵抗较小的静态外力。若要λ↓，则Ka↑，Kb↓。可以采用使用弹性螺栓（直径小，长度大）。但此时，附加在螺栓上的动态载荷的振幅也将很小432.3紧固部件的动力性能—疲劳强度442.3.1允许极限应力—耐久性45在紧固装配平均应力下（sm=0.5到0.8.Re），允许交替应力sa与平均应力sm之间存在一定联系（200MPa的sm变化，相对有10MPasa的变化）允许交替应力sa独立于质量分类外，实际上，对于受到冷滚和热处理分类>8.8的螺栓，50MPa动力条件下的应力振幅可以近似看作一个不能超过的值。允许交替应力sa随着螺钉直径的变化而变化，对于应力周期数高于106和质量等级8.8的情况，我们可以采用图16中提供的数值。对于质量等级>8.8和介于弹性极限Re或Rp0.2的50与90%的平均应力，就静力条件下的性能而言疲劳应力是十分低的，并且疲劳应力与所考虑的直径和质量分类无关微弱疲劳耐受力以及根据质量等级产生的微小变化，通过低载荷下螺纹底部塑性形变的大小表示出来，这种形变是由于应力分布的不均匀和高度集中而产生的（图17）。4647小结三拧紧的原理预紧力和刚度系数决定了拧紧系统的静态和动态性能482.4螺钉紧固方法以下几页的图表（建立在低摩擦下缸盖螺钉紧固曲线图上）表示通常采用的各种紧固方法下张力分布。张力分布不仅依赖于力矩分布，同样很大程度受到摩擦分布影响。由于机械制造应力使摩擦分布（大约20%）很难减少。49

2.4.1

力矩紧固

这是最常用的方法：直到获得一定强度力矩时才拧紧。这只需有一把扭力扳手即可完成手动拧紧，或在螺钉拧紧链中安装一个扭力计即可完成机器拧紧。力矩拧紧造成张力分布是力矩分布的两倍。拧紧工具不能得到±10%力矩，使用这个方法张力分布不能低于±25%.。然而这个方法要求紧固件高刚性（短螺钉)，或在装配时在同等环境下用不同长度的螺钉进行50512.4.2

角拧紧本方法用于在零件安装中施加相应的预加力矩和确定的拧紧角。旋转角大体上与摩擦无关联。这个方法通过将其放在一个较低水平上来降低力矩分布的影响。角度测量的精确度约为±5°（甚至是3°)，角拧紧可以将张力分布归为±15%。方法适用于重要的拧紧和尺寸与弹性性能恒定的零件52532.4.2.1力矩和角度控制自动拧紧工具可以通过角度控制更好地控制紧固54

2.4.3塑性区的紧固这个方法旨在完成超过螺钉弹性极限的角度紧固。曲线斜率更低，张力分布大大的降低。这样能达到±5%的分布。这个方法通常使用在装配件中，其拧紧长度很长并且受到低动力应力的作用。必须要求熟悉使用螺钉在塑性领域的性能。它可以优化利用螺钉机械性能和对预负荷进行低分布，而且因为保持了最大弹性，所以可以更好的保证避免拧松的风险。5556

2.4.4弹性极限点紧固（斜率法）某些拧紧设备可以根据角力矩梯度更精确的达到弹性极限。通过同时测量力矩C和角度A，曲线C=F（A）的斜率按规定间隔计算而得。一旦逐渐减少的预定的值就停止紧固。57582.4.5拧紧方法和适用范围592.5拧紧的失效形式工作中的破坏通常是错误的使用紧固件1、螺栓级别与螺栓所承受的应力不适应

2、装配中预紧力过大或过小6061断裂原因失效举例使用环境偶然冲击

干扰振动装配拧紧力过大

拧紧力过小

使用了不合适的垫圈材料选择钢号与尺寸不符(未淬透)设计螺栓级别选择错误

尺寸选择错误

产生弯曲应力表面处理氢脆热处理表面脱碳

回火脆性

回火温度不够成型螺纹加工缺陷,头下圆角

头下折叠622.6紧固件的断裂位置螺栓螺纹处断裂占75%632.7装配中预紧力的损失预紧力的损失是众多破坏的原因之一，表现为两种形式：

1、零件永久变形

2、紧固件的自松永久变形的原因：

1、塑性材料零件的挤压变形

2、进入塑性范围（螺栓、支承面等）自松的原因：垂直于紧固件的动载最容易引起紧固件的自松。紧固件的直径越小、预紧力、摩擦力及拧紧高度越大越不容易自松642.8拧紧检查为了使一个总成很好的固定，必须在螺钉上施加足够的张力以避免组件有任何脱离和滑移现象如上面所说，需要预负荷(1-λ)Fez来避免分离。为避免滑动，还要施加一个等效预负荷Fexy/fg，其中fg表示零件接触面的摩擦系数，Fexy表示x和y轴上横向应力的向量和，即65另外预负荷应考虑到零件接头及其镀层(Fj)自然压缩的必要应力（tz与压缩材料机械件性能相关-见附录）安装时最小预负荷：我们还可以在上面增加热应力相关的力所以，拧紧的检查实际上是对螺栓上张力的测量662.8.1测量方法一：拧紧过程中的测量

1、测量紧固力矩对于不关键的紧固可以采用测量力矩的方式来间接得到张力。对于力矩，简单的可以使用扭力扳手，对于那些复杂的，则使用扭力测量仪