提高电镀锌高强度螺栓紧固性能方法

随着汽车工业的迅猛发展，传统的紧固件和装配工艺已经难以满足现代对汽车螺纹紧固件连接可靠性要求。

传统的紧固件生产并没有考虑对影响扭矩系数的关键因素进行控制，导致扭矩系数过于分散，即便拧紧枪精度足够高，也很难控制预紧力，最终使整车的安全性能下降。没有进行扭矩系数控制的螺栓，螺栓摩擦系数大且分散，拧紧扭矩过多消耗于摩擦损耗，预紧力转化率较小，螺栓在使用过程中没有充分发挥使用效能,使得螺栓选用尺寸过大，导致整车重量增加，且需要较大的拧紧扭矩，造成能量浪费。

因此非常有必要研究和开发高质量、扭矩系数稳定、防松性能好、方便装配的紧固件，以及严格科学的装配工艺。我们此次研究的是从螺栓本体的控制和拧紧工艺的改善来介绍提高电镀锌高强度螺栓紧固性能的方法。

一、提高电镀锌高强度螺栓拧矩稳定性

现在整车总装车间大多采用扭矩控制法，该种控制方法必须同时控制扭矩系数和拧紧工艺，控制扭矩系数的稳定性对于扭矩控制的影响非常显著，改进拧紧工艺不仅可以提高扭矩控制的精度，同时还可以弥补设备精度不足带来的误差。

如果对轴向力控制精度一定，提高扭矩系数的稳定性，可以放宽对拧紧精度的要求，同时还可以降低拧紧设备的投入，此外还可以提高螺栓的紧固屈服轴向力和提高螺栓使用效能以及连接的可靠性。

1.1、拧紧转速的控制

拧紧转速对电镀锌螺栓摩擦系数影响非常显著，必须加以控制。而要保证摩擦系数的稳定，转速必须是在较低的水平下，典型的拧紧过程可以分为寻帽、贴合拧紧、最终拧紧这三个阶段，如果每个阶段都用低转速进行控制，这会严重影响生产节拍，降低生产效率，降低生产的经济性，对企业的竞争力极为不利。

控制拧紧转速可以通过设定动力拧紧工具的转速，因此需要研究各拧紧阶段拧紧工具转速如何设定，以便提高连接可靠性和生产效率。

（1）寻帽阶段效率的提升

寻帽阶段就是螺母刚开始拧入螺栓的阶段，这个拧入速度取决于众多因素,主要是螺母装入螺栓的难易程度，这个阶段只是为后续拧紧做一个准备工作。

螺栓螺纹末端结构对寻帽时间影响最大，螺栓寻帽难易程度根据螺纹末端结构从难到易一次为：平端、倒角端、截锥端、圆柱端。同时螺纹末端结构设计是否合理还影响后续螺栓的拧入，如果螺栓螺纹末端结构导向性不好，初始装配中很难保证螺栓和螺纹孔同轴，在这种情况下继续拧紧，螺牙很容易损坏，最终导致螺栓很难拧入，即便螺栓最终能够拧入螺牙也已经破坏，此处连接也是不可靠的。

1996年1月起，在汽车整车装配过程中，美国制造业应用两百万颗M-POINT螺栓代替普通螺栓，M-POINT有自己的专利，它比普通螺栓更短更轻，并且运用更灵活。

它们很容易装配，可以有效防止装配过程中可能出现的问题，如交叉装配、挤压，对使用工具的装配速度没有要求，能摆正装配过程中的错位，使被连接件回到正确的位置。通用、福特等汽车公司基本把M-POINT当作应急螺栓，可以使用到各个部位。

（2）贴合拧紧阶段效率的提升

贴合拧紧阶段是螺栓已经拧入螺纹孔，直至螺栓头部与变连接件表面完全贴合的过程。这个阶段所需要的转角相比寻帽和最终拧紧阶段要大得多，约为最终拧紧阶段的10~20倍，因此这个阶段提高拧紧工具的转速，对拧紧效率的提升是最为显著的。

但是转速不能无限地提高，高摩擦系数的螺栓，螺栓螺纹接触面温度会迅速升高，螺纹接触面越粗糙的地方温度升高越快，甚至在较低的转速以及较低的夹紧力下微观的焊合现象也会发生。

发生这种焊合的危险频率也相对较高，这种微观的焊合现象增加了螺纹副之间的摩擦系数，严重影响轴向力的施加，最终导致轴向夹紧力不足，螺栓存在松动风险，即便正确施加了转矩但螺栓预紧力达不到目标值的风险还是相当高。

（3）最终拧紧阶段拧矩的控制

当贴合阶段完成之后螺栓头部与别连接件表面完全贴合，随后的转角将很大程度上取决于连接体的刚度。实际上，对于连续大批量生产的螺栓连接体，转角在90~300°之间(大约四分之一周到一周的样子)。

对于这个转角，转速对拧紧效率的提升已经没有很大意义了，而且这个最终拧紧阶段，决定扭矩控制质量的最后一道工序，如果采用较高转速，由于拧紧设备惯性存在，不利于扭矩控制，因此，此阶段需要慢速匀速拧紧。

对于最终拧紧阶段可以采用二次拧紧法，先把螺栓拧紧至一定扭矩值使螺栓和被连接件紧密贴合，然后松开一牙以上，第二次再拧紧至规定力矩值。由于存在第一次的贴合过程，螺纹面之间经过磨合，改善了螺纹之间的贴合状态，这样可以让螺栓表面一致性更好， 可以有效提高螺栓扭矩系数的稳定性。同时二次拧紧之后可以提高螺栓许用应力幅，比一次锁紧疲劳性能提高10%左右。

1.2、表面处理方式的控制

（1）对影响电镀锌摩擦系数关键因素进行控制

对电镀锌高强度螺栓摩擦系数控制，要从两方面进行：螺栓本体特征控制和拧紧工艺控制。改善拧紧工艺，对于企业应该建立自己的电镀锌螺栓摩擦系数和扭矩数据库，针对不同直径、螺距、强度等级、钝化层、镀锌厚度、被连接件表面处理的螺栓系统全面的做一次螺栓拧紧实验,得出不同条件下的摩擦系数范围，以供摩擦系数监控范围的设定，控制螺栓摩擦系数的一致性，针对不同的螺栓采用不用摩擦系数,对扭矩进行精细化管理和设定。

对螺栓本体控制，在众多影响因素之中，钝化层对螺栓的摩擦系数影响是最大的，对钝化层的控制来提高电镀锌螺栓摩擦系数稳定性也是最为显著的，对电镀锌镀层进行精确控制非常困难，同时钝化处理是螺栓表面处理的最后一道工序，如果单纯控制镀层厚度，钝化层没有控制好也是徒劳，对钝化层厚度的控制某种意义上可以弥补电镀层的不足，因此，对电镀锌螺栓摩擦系数控制，重点应该放在钝化处理阶段，这个阶段控制的精确与否直接决定了摩擦系数的大小。

根据目前资料所掌握的技术来看，C级铬酸盐处理镀锌螺栓与D级铬酸盐处理镀锌螺栓的摩擦系数相差很大，但是同一种铬酸盐处理的电镀锌螺栓摩擦系数范围相对是比较稳定的，同时不同铬酸盐处理的螺栓摩擦系数范围是没有交集的，C级铬酸盐处理镀锌螺栓摩擦系数范围大致在0.28~0.36，D级铬酸盐处理镀锌螺栓的摩擦系数范围大致在0.18~0.25。因此，对于目前电镀锌螺栓没有区分钝化层，把C级铬酸盐和D级铬酸盐处理的螺栓采用同一种扭矩进行拧紧的方式是不科学的，对预紧力的控制也极为不利。

不同的钝化层处理，不仅对摩擦系数的范围有影响，也决定了螺栓防腐性能和外观颜色。因此为了控制电镀锌摩擦系数,可以从工艺上进行控制，区分钝化层进行拧紧，不同钝化层采用与之对应的拧紧扭矩，同时还需要对摩擦系数进行监控，针对不同等级铬酸盐处理来划分摩擦系数监控范围，严格控制供应商螺栓摩擦系数的一致性。这样区分钝化层进行拧紧，电镀锌螺栓摩擦系数变动的极差由原来的0.18，减小为现在的0.8和0.7，缩小-倍多，对螺栓预紧力控制意义重大。

同时还可以通过对螺栓本体进行控制,控制铬酸盐处理方式。螺栓尺寸加工精度对摩擦系数的影响很大，但是可以通过调整钝化层在螺栓表面的的沉积量，来消除或弥补加工精度对摩擦系数的影响。当铬酸盐处理强化钝化溶液配方确定后，影响处理效果的主要因素是强化钝化层的厚度。

然而通过调整强化钝化液后甩干的时间可以获得不同的强化钝化层厚度，因此，铬酸盐处理过程中必须对钝化液甩干时间进行控制，才能得到高质量摩擦系数稳定的电镀锌螺栓。某公司为了保证螺栓装配的可靠性，对螺栓的摩擦性能提出了严格的要求，通过对强钝化处理进行控制，最终螺栓的表观总摩擦系数控制在0.15±0.03。

（2）使用摩擦系数稳定剂

摩擦系数稳定剂广义而言泛指用于降低并同时稳定摩擦系数的润滑剂。紧固件使用摩擦系数稳定剂，可以降低拧紧力矩及提高紧固件轴向夹紧力，同时可以减少摩擦系数值的变异差，提高紧固质量。

较具代表性摩擦系数稳定剂如：德国福斯润滑科技集团出品的可力特摩；HMP薄膜润滑剂系列、美国麦德美公司出品的INTControlFluid等，这一类产品多为含高分子聚合物的水性胶状分散液，是一种特殊的干式润滑剂。一般采用浸渍方式涂覆，经烘干固化后会形成一层附着性佳的透明润滑薄膜。这种润滑膜可有效降低摩擦系数并使摩擦系数之差异最小化。且因这种特殊的干式润滑因为膜层极薄，不会产生影响公差的问题。预涂润滑水蜡的零件可储存备用，随时供应组装并符合自动化操作。

随着汽车总装自动化程度的提高，以及人类对于产品性能与安全要求日趋严苛，许多知名汽车厂会要求他们的产品零件如螺丝、螺栓、螺母、垫圈与其他扣件、紧固件等，在表面处理流程最末进行摩擦系数稳定涂覆的工艺。大众汽车公司为稳定摩擦性能，要求螺纹紧固件表面要求涂敷水散性合成聚合物滑动剂干燥后产生一种蜡状润滑剂，日本明道株式会社与日本油脂株式会社联合开发出水基摩擦系数稳定剂，广泛应用于丰田汽车公司的螺纹紧固件。

为了探究螺栓进行摩擦系数稳定剂处理后螺栓性能的改善作用，本文取两组螺栓各50颗，一组进行摩擦系数稳定剂处理，另外一组不进行处理。实验螺栓选用M10*1.25*60-10.9的法兰面螺栓，表面处理为电镀环保彩锌Fe/EpZn8c2C,螺母选用与之对应的标准螺母。得到摩擦系数实验数据如下表所示；

涂有摩擦系数稳定剂的摩擦系数实验数据

不涂摩擦系数稳定剂的摩擦系数实验数据

将2组100个试验数据绘制螺栓摩擦系数的正态密度分布函数曲线，如下图所示：

螺栓的摩擦系数的正态密度分布函数曲线

从上图可知，涂摩擦系数稳定剂后螺栓摩擦系数散差范围显著缩小，涂覆前螺栓摩擦系数变化的标准差为0.031，涂覆后摩擦系数标准差为0.011，涂覆前后摩擦系数标准差缩小近3倍，同时摩擦系数的均值也从0.316减小为0.164，说明摩擦系数稳定剂不仅可以控制摩擦系数的差异，还可以减小摩擦系数的大小。

涂覆摩擦系数稳定剂后，在螺栓表面形成一层薄层，螺栓拧紧过程中时摩擦位移发生在薄层之间而不是发生在金属表面，因此涂覆摩擦系数稳定剂后螺栓的摩擦特性是体现的是薄层的摩擦特性，摩擦特性由薄层的材质所决定。这说明涂覆摩擦系数稳定剂可以显著地控制螺栓摩擦系数，这对提高螺栓连接点的可靠性意义重大。

二、提高电镀锌高强度螺栓使用效能

1、在实际的螺纹紧固件的选型设计，都是先考虑螺栓所受的载荷的作用，以被连接件结合面不滑移为准则，即被连接件结合面的摩擦力必须大于螺栓所受的横向载荷，然后考虑螺栓所受轴向力，算出螺栓所受的预紧力。最后根据预紧力选取螺栓，选择螺栓的准则是螺栓屈服紧固轴向力必须大于螺栓的预紧力，低摩擦系数的螺栓紧固屈服轴向力比高摩擦系数的大，因此选用螺栓时可能出现两种情况：低摩擦系数小直径的螺栓，高摩擦系数大直径的螺栓。

在紧固实验过程中，发现D级钝化层螺栓摩擦系数比C级钝化层小很多，屈服紧固轴向力要远大于C级钝化层，如下条形图所示。C级铬酸盐处理镀锌螺栓摩擦系数范围大致在0.28~0.36，D级铬酸盐处理镀锌螺栓的摩擦系数范围大致在0.18~0.25，如果C级和D级铬酸盐处理镀锌螺栓，相同结构尺寸和强度等级，则C级铬酸盐处理镀锌螺栓的使用效能是D级的1.4~1.5倍，因此，使用D级钝化层能提高螺栓的使用效能。

不同钝化层紧固屈服轴力

紧固件价格是一般都是根据重量来计算的，按照GB/T5782 计算的长度为60mm的螺栓重量及体积参数如下表所示，按照表中数据M10的单价比M8的贵67%，M12的单价比M10的贵46%，M14的单价比M12的贵41.4%。其中采用D级钝化层成本比C级要高30%左右，说明在可靠性设计的前提下，如果能降低螺栓直径，采用D级钝化层成本比C级的成本要低，而且还可以降低整车质量，提高螺栓效能的利用率。

不同直径螺栓重量及体积参数

2、摩擦系数稳定剂

使用摩擦系数稳定剂不仅仅可以控制摩擦系数的差异，还可以减少摩擦系数的大小。因此，使用摩擦系数稳定剂可以提高螺栓紧固屈服轴向力，现将使用摩擦系数稳定剂和没有使用摩擦系数稳定剂的螺栓紧固屈服轴向力试验数据记录如下表所示；

涂油摩擦系数稳定剂的紧固件轴向屈服轴力实验数据

不涂油摩擦系数稳定剂的紧固件轴向屈服轴力实验数据

将2组100个试验数据绘制的紧固件轴向屈服力的正态密度分布函数曲线，如下图所示。

紧固屈服轴向力的正态密度分布函数曲线

从上图可知，涂摩擦系数稳定剂后螺栓紧固屈服轴向力变化范围显著缩小，涂覆前螺栓系数变化的标准差为2.3，涂覆后的摩擦系数标准差为0.8，涂覆前后摩擦系数标准差缩小近3倍，同时紧固屈服轴向力的均值也从26.9KN提高为42.8KN,说明摩擦系数稳定剂不仅可以控制紧固屈服轴力的差异，还可以提高紧固屈服轴力的大小。

没有涂覆摩擦系数稳定剂的螺栓在拧紧过程中极易断裂，塑性变形区域非常短，几乎观测不到螺栓被拉长颈缩的现象，而涂覆摩擦系数稳定剂的螺栓不易被拧断，屈服后塑性变形区域很长，可以明显观测到螺栓的拉长劲缩，如下图图所示，这是由于没有涂覆摩擦系数稳定剂的螺栓拧紧过程中剪切应力比涂覆的要大很多，主要受剪切应力，螺栓很容易被剪切断裂，而涂有摩擦系数稳定剂的螺栓主要是受拉应力，所以容易被拉长产生劲缩。

螺栓试验后的变形实物图

三、提高电镀锌高强度螺栓抗疲劳性能

螺栓的疲劳性能是螺栓制造技术水平的综合体现，它与螺栓的结构、材料及螺栓制造的各个工艺环节都存在着密切的关系。大量实践统计表明，螺栓的断裂破坏中80%以上为疲劳破坏。而微车螺栓承受的是交变工作载荷，提高螺栓抗疲劳能力对于微车连接可靠性意义重大。

随着应力集中系数的增加，高强度钢的疲劳强度的降低速度明显大于低强度钢，以致于高强度钢的疲劳强度与低强度钢的疲劳强度相差无几。而一味地选用高强度钢材，未必能够达到目的，相反在表面较粗糙和尺寸较大的情况下有可能反而使构件的疲劳强度下降。

因此，进行结构设计和工艺选择等手段来设法降低或改进它的应力集中情况是明智之举。

1、降低螺栓摩擦系数

目前，为了提高螺栓的抗疲劳能力，常用的两种方法是:增大螺栓截面尺寸、采用合金材料。这两种方法固然能提高螺栓的抗疲劳性能，但是也存在许多弊端，第一个方法会造成材料的大量浪费，第二个方法材料不仅贵而且易诱发裂纹。

从前面摩擦系数对螺栓疲劳性能的影响研究可以看出，摩擦系数小拧紧过程中所受的剪切应力小，获得相同预紧力螺栓的总应力相对要小很多，拧紧后服役过程中螺栓的残余应力也要小很多，这有利于降低螺栓受交变载荷的应力幅。同时摩擦系数小的螺栓能承受更大拉应力，可以提高螺栓的预紧力,有利于提高螺栓疲劳极限。

因此，降低螺栓摩擦系数有助于提高螺栓抗疲劳性能。降低电镀锌螺栓的摩擦系数可以利用D级钝化层，也可以利用摩擦系数稳定剂。

2、使用塑性拧紧域

在拧紧过程中螺栓不超过屈服点为弹性区拧紧，这是现在普遍的做法。拧紧过程中超过屈服点，螺栓发生屈服，为塑性区拧紧。拧紧过程中螺栓拧紧至屈服点，则称为屈服点紧固。

螺栓在塑性域拧紧要经历四个阶段：弹性状态、局部屈服开始、弹塑性状态、全面屈服。服役中的螺栓总是在某些敏感区域先发生塑性变形，当螺栓危险截面应力达到屈服极限时，并不意味着零件的能力完全消失，,实际上还可以承受更大的交变载荷。

也就是说，螺栓的拧紧区域可以扩大到塑性紧固域,这样可以提高螺栓抗疲劳性能,这是由于施加较大的预紧力，使得外力引起的螺栓连接体变形受到约束，可以有效的减少螺栓应力幅，螺栓在塑性域紧固轴向预紧力可以达到弹性紧固域的2倍以上，螺栓的疲劳试验结果表明，塑性域螺栓紧固法可使螺栓连接体的疲劳强度提高15%~60%。

同时利用扭矩法对螺栓在弹性区域进行拧紧时，螺栓摩擦系数对扭矩系数的影响很大，预紧力会产生25%左右的偏差。但是利用塑性域拧紧，螺栓的伸长量与紧固力之间曲线几乎为一水平线，波动很小，几乎不受摩擦系数及其它外界因素的影响，对于预紧力的控制是极为有利的。

3、使用弹性元件

螺栓添加弹性元件后,相当于螺栓连接副串联了一个刚度较低的元件,整个螺栓连接串联刚度系统的刚度要小于其中任何一个元件的刚度，因此，串联的元件越多螺栓刚度越小，螺栓的内应力变化幅度会下降，螺栓的抗疲劳性能显著提高。同时添加弹性垫圈后螺栓，螺栓在受到振动和冲击载荷后，存在滑动摩擦引起的功率损失。

这种滑动摩擦引起的功率损失可以减少振动和冲击作用，相当于在模型中增加了一个阻尼，这种阻尼作用可以对螺栓承受动载荷产生消减，当有冲击或者振动时摩擦消耗大量冲击能量,起到吸能减震的作用，使交变应力大幅下降，因而提高螺栓连接的疲劳性能。

有实验统计，螺栓连接副使用弹性垫圈，交变应力幅比没有使用弹性垫圈的明显下降，应力波形为非对称的锯齿状平顶合形，半波值及应力峰值有损失，其疲劳寿命可提高30%以上。

4、使用细牙螺栓

细牙螺栓比粗牙螺栓的危险截面面积要大，螺距小，各螺牙之间受力比粗压相对均匀,所以具有较高的强度，能承受更大的轴向预紧力。同时细牙螺栓外角较小，螺栓松动转矩大于普通粗牙螺栓，自锁性能好，能承受更大的冲击、振动以及交变载荷。因此，如发动机这类受较大的交变载荷部件多采用细牙螺栓。

四、总结

本文主要从三个方面对提高电镀锌高强度螺栓紧固性能的方法进行了探讨，提高电镀锌螺栓扭矩的稳定性的措施，提高电镀锌螺栓使用效能的措施，提高电镀锌螺栓疲劳性能的措施。

1. 针对电镀锌摩擦系数分散的问题，首先利用电镀锌摩擦系数实验研究结果，提出了控制转速和二次拧紧技术。然后对影响电镀锌螺栓摩擦系数的关键因素从拧紧工艺和螺栓生产进行了控制，从拧紧工艺上将不同钝化层螺栓分开处理，采用不同扭矩，有效的解决了电镀锌螺栓分散的问题。最后进行了涂摩擦系数稳定剂的对比实验，发现摩擦系数稳定剂可有有效解决电镀锌螺栓摩擦系数分散的问题。

2. 利用螺栓摩擦系数理论分析成果，降低螺栓摩擦系数可以提高螺栓使用效能，对比采用C级钝化层和D级钝化层，实际应用结果表明D级钝化层相对于C级可以有效提高电镀锌螺栓的使用效能。同时对比涂有摩擦系数稳定剂和没有涂摩擦系数稳定剂的螺栓，发现摩擦系数稳定剂不紧可以稳定摩擦系数，还可以降低螺栓摩擦系数提高电镀锌螺栓使用效能。

3. 最后就如何提高电镀锌螺栓抗疲劳性能进行了探究，从工艺选择和结构设计两个方面提出了可行的方法，降低螺栓摩擦系数有助于提高螺栓使用效能和疲劳性能。

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