Som en kärnindikator för kontrollbultspännkraft, är verkligheten att det mesta av åtdragningsmomentet förloras genom friktion, med endast en liten del som faktiskt omvandlas till spännkraft. Så, vilka faktorer bestämmer slutligen fördelningen av bultens vridmoment och storleken på friktionskoefficienten? Idag kommer redaktören från Jiangsu Jinrui att dela med sig av en empirisk studie baserad på mikrotopografianalys, som avslöjar nyckelfaktorerna som påverkar bultfördelningen och friktionskoefficienten, vilket ger en stark grund för att uppnå hög-tillförlitlighetsfästning.
1. Friktionskoefficient och vridmomentfördelning
Vid åtdragning av en bult används inte det ingående vridmomentet helt för att sträcka bulten och generera klämkraft. Faktum är att vridmomentet är fördelat på tre förbrukningsvägar:
Gängfriktion: Friktion uppstår i gängkontaktområdet mellan bulten och muttern, vilket förbrukar en stor mängd vridmoment;
Lagerytfriktion: Friktion finns också mellan bulthuvudet och brickan eller ytan på den anslutna komponenten, och vridmomentet som förbrukas i denna del står för en större andel;
Gängans vinkeleffekt (dvs effektiv förspänningskomponent): Endast denna del av vridmomentet används verkligen för att sträcka bulten och därmed bilda klämkraft.
Studier har visat att cirka 85 % till 90 % av vridmomentet används för att övervinna friktionen, och endast cirka 10 % omvandlas till bultdragkraft.
Detta betyder att när friktionskoefficienten ändras kommer vridmomentomvandlingseffektiviteten att ändras i enlighet med detta, vilket resulterar i en möjlig skillnad på mer än dubbelt i klämkraften som genereras under samma vridmoment. Därför är det opålitligt att låsa klämkraften enbart med vridmoment.
2. Schema Design
För att på djupet utforska kärnfaktorerna som bestämmer bultmomentfördelning och friktionskoefficient, utformade Tribology Laboratory vid École Centrale de Lyon i Frankrike ett systematiskt experimentellt schema. Kärnmålet med detta schema är att kombinera mekanisk testning med ytmikrotopografianalys för att fastställa ett orsakssamband mellan friktionsbeteende och mikrostruktur.
Experimentet utfördes i enlighet med ISO 16047-standarden för testning av vridmoment-spännkraft. Bultarna som användes var av specifikation M10×60, gjorda av 30MnB4 stål, som var kall-huvud, gängade- och sedan elektrogalvaniserade. De specifika värdena för det totala vridmomentet registrerades i detalj, medan gängvridmoment och vridmoment på lagerytan separerades för att exakt beräkna friktionskoefficienten och analysera vridmomentfördelningslagen. Tre-dimensionell topografiskanningsteknik användes för att extrahera råhetsrelaterade-parametrar, och parameterändringarna före och efter åtdragning jämfördes för att utforska den inneboende korrelationen mellan friktionsbeteende och mikrotopografi. Denna design tar inte bara hänsyn till mekanisk prestanda utan fördjupar sig också i mikronivån, och avslöjar de grundläggande orsakerna till förändringar i bultmomentfördelning och friktionskoefficient.
3. Testverifieringsmetod
Baserat på ovanstående schema byggdes en testanordning som överensstämmer med ISO 16047-standarden, som noggrant kan mäta vridmoment och spännkraft. Testprocessen innehåller följande länkar:
Bultfästning och belastning: Installera bulten på en standardiserad testbänk, applicera ett inställt vridmoment och realtidsregistrera värdena för totalt vridmoment, gängvridmoment, lagerytans vridmoment och klämkraft;
Friktionsseparationsmätning: Separera gängfriktion från lagerytfriktion genom enhetens och sensorernas speciella struktur för att säkerställa noggrannheten i beräkningen av friktionskoefficienten;
Topografisk skanningsarrangemang: Före och efter varje åtdragningsoperation utför du tre-avsökning på bulthuvudets och brickytans lageryta för att fånga in mikron-funktionsinformation;
Parameterextraktion och analys: Extrahera råhetsrelaterade-parametrar och kombinera dem med friktionsdata för att analysera motsvarande förhållande mellan yttopografiförändringar och friktionsbeteende.
Figuren nedan visar strukturen på testbänken och de specifika positionerna för mätpunkterna.
4. Analys av topografiresultat
Testdata avslöjade flera nyckelfenomen som hjälper till att på djupet förstå de grundläggande faktorerna som bestämmer vridmomentfördelningen och friktionskoefficienten:
4.1 Dynamiska förändringar av friktionskoefficient
Under åtdragningsprocessen är friktionskoefficienten inte konstant utan ändras kontinuerligt med kontakttillståndet. I allmänhet är lagerytans friktionskoefficient cirka 44 % högre än gängfriktionskoefficienten, vilket indikerar att det mesta av vridmomentet förbrukas på lagerytan snarare än gängytan.
4.2 Betydande vridmomentspridning
Även när samma spännkraftsmål är inställt kan skillnaden i det erforderliga vridmomentet vara nästan dubbelt. Till exempel kräver vissa bultar ett vridmoment på 96,7 Nm, medan andra bara behöver 54,5 Nm. Denna spridning av vridmomentvärden orsakas direkt av instabiliteten hos friktionskoefficienten.
4.3 Betydande utveckling av yttopografi
De tre-dimensionella skanningsresultaten visar att råhetsparametrarna för lagerytan har genomgått betydande förändringar:
Sq (root mean square roughness) minskade från cirka 5,3 μm till 1,04 μm, och ytan blev slätare;
Ssk (skevhet) blev negativ, vilket tyder på en förändring i fördelningen av yttoppar och dalar, med mer material koncentrerat i ytans låga punkter (dalar) och gropdragen blev mer uppenbara;
Värdet på Sku (kurtosis) ökade, vilket innebar att ytbärigheten förbättrades.
Dessa förändringar indikerar att ytan under åtdragningsprocessen genomgår plastisk deformation, den verkliga kontaktytan ökar och friktionsbeteendet ändras därefter. Bilden nedan visar den tredimensionella topografin av bulthuvudets lageryta före och efter åtdragning: före åtdragning uppvisar ytan en uppenbar grov topp-dalstruktur; efter åtdragning klipps de grova topparna, ytan tenderar att vara platt och riktningen är tydligare. Detta visar att friktion inte bara förbrukar energi utan också omformar ytstrukturen på mikronivå.
Bilden nedan markerar tydligt friktionsmärkena och plastiska deformationsområden på lagerytan genom mikroskopisk observation: det finns betydande repor i vissa områden, och utsträckningsriktningen för reporna överensstämmer med bultens rotationsriktning, vilket indikerar att friktionen har orsakat materialflöde och ytskador.
Figuren nedan visar de ojämna egenskaperna hos lagerytekontakt: den faktiska kontaktytan är mycket mindre än den nominella arean och belastningen är koncentrerad till några mikroområden, vilket leder till lokala höga-spänningstillstånd och plastisk deformation. Denna ojämna kontakt är nyckelfaktorn som orsakar fluktuationer i friktionskoefficienten.
