螺栓拧紧力矩系数的影响因素研究西北工业大学曹增强中国航空综合技术研究所林水福［提要］采用 正交设计试验研究了螺栓拧紧力矩系数的主要影响因素。结果表明：
润滑条件、支承面材料以及表 面处理状态对拧紧力矩系数均有较大影响，螺栓材料和螺栓规格对拧紧力矩系数也有一定影响。主 题词：拧紧力矩，
预紧力，拧紧力矩系数ＩｎｆｌｕｅｎｃｅＦａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅＢｏｌｔ ＴｉｇｈｔｅｎｉｎｇＴｏｒｑｕｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ￥Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｂｏｌｔｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｔｏｒｑｕｅｃｏｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｄｅｓｉｇｎｔｅｓｔｓ ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｄｉ ｔｉｏｎｓａｎｄｂｅａｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｍａｔｅｒｉａｌｃａｎｍａｋｅｇｒｅａｔｅ ｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｔｏｒｑｕｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．对于螺接结构，螺栓的 预紧力对接头的可靠性和疲劳寿命有很大影响。在螺栓及夹层允许的条件下，预紧力越大，连接越 安全可靠，疲劳寿命越长。但过大的预紧力有可能导致螺栓和夹层的破坏，因而预紧力的准确控制 就成为提高接头可靠性和疲劳寿命的关键措施之一。航空结构中的重要螺接接头均要求控制预紧力 。在装配过程中，直接测量预紧力比较困难，一般是通过控制拧紧力矩间接控制预紧力的，因而拧 紧力矩与预紧力关系的准确测定，即拧紧力矩系数的测定就成为准确控制预紧力的前提。影响拧紧 力矩系数的因素较多，各种因素的影响程度又有不同，本文对此进行了试验研究。１测量系统螺栓 拧紧力矩与预紧力关系的理论表达式为［１］：因（１）式中ｔｆ＇项很小，且一般情况下ｆ＇≈ ｆ，则（１）式化简为：（２）式可简化为：以上各式中：Ｐ──螺栓预紧力；Ｍ──拧紧力矩； ｄ２──螺纹中径；λ──螺纹升角，ｔｇλ＝ｔ／（πｄ２），ｔ为螺距；ｆ──螺母与被连接 件支承面间的摩擦系数；ρ──螺旋副当量摩擦角，ｔｇｐ＝ｆ＇／ｃｏｓβ，β为螺纹半角，ｆ ＇为螺旋副间的摩擦系数；Ｒ──螺母承力面外（半）径；γ──螺母承力面内（半）径；ｄ── 螺栓公称直径；ｋ──螺栓拧紧力矩系数。由（３）式知，只要测得Ｍ和Ｐ，就可求得拧紧力矩系 数ｋ。测量系统框图如图１所示。该系统能记录加载过程中拧紧力矩和预紧力的关系曲线。此关系 曲线为一直线，其斜率即为拧紧力矩系数ｋ。测量系统中的拉力传感器用二等标准测力仪ＥＪⅡ－ ６标定，测力扳手用精度为±０．２％～０．３％Ｆ．Ｓ．的标准测扭仪标定，保证了整个测量系 统的精度。２试验设计影响拧紧力矩系数的因素很多，本文主要考虑了润滑条件、支承面材料、表 面处理状态、螺栓规格、螺栓材料等主要因素。试验所用螺栓为ＨＢ１─１０１─８３和ＨＢ１─ １０２─８３系列，螺母为航空常用普通螺母ＧＢ５２─７６和ＧＢ５３─７６系列，垫圈为航空 常用普通垫圈ＧＢ１０１８─７６。螺母材料、表面处理状态与相配螺栓的相同，垫圈与螺母接触 面的润滑条件与螺纹表面润滑条件相同，螺纹精度为２级。为考虑各因素的不同影响，作者采用正 交设计试验。第一组正交试验为三因素三水平，如表１所示。选用Ｌ９（３４）的表头，分别用Ｍ Ｌ２５和３０ＣｒＭｎＳｉＡ两种材料的Ｍ６和Ｍ８两种规格的螺栓共做了３６组试验，每组试验 均有１０～２０个完全相同的螺栓。为分析螺栓材料、螺栓规格及表面处理对拧紧力矩系数的影响 ，设计了第２组正交试验，为三因素二水平，表头选用Ｌ４（２３）。该试验用ＭｏＳ２锂基润滑 脂润滑，支承面材料采用３０ＣｒＭｎＳｉＡ３试验结果及分析第１组正交设计试验测得的拧紧力 矩系数ｋ值如表３所示。表中数据为每组试验的平均值。组号ｍ（ｉ，ｊ，ｌ）表示第ｍ组试验条 件是这样的：第１个因素是第ｉ个水平，第２个因素是第ｊ个水平，第３个因素是第ｌ个水平，ｉ ，ｊ，ｌ＝１，２，３，如表１所示。由于试验所得４种螺栓的ｋ值的规律完全一致，因而进一步 的分析只取一种螺栓。表４中ｋｋｉｊ表示第ｊ列因素，第ｉ水平试验结果之和；ωｉｊ表示第ｊ 列因素第ｉ水平的效应；Ｒｊ表示第ｊ列因素的最大效应与最小效应之差。根据表４数据绘制的效 应与因素的关系见图２。从图２可以看出：（１）在不同的表面处理中，镀镐钝化的ｋ值最小，镀 锌钝化的次之，氧化的ｋ值最大。（２）在三种润滑条件中，２０１油膏的ｋ值最小，ＭｏＳ２油 的次之，干摩擦的ｋ值最大。（３）用２０＃钢和３０ＣｒＭｎＳｉＡ垫圈支承的螺栓ｋ值比较小 ，ＬＹ１２─ＣＺ垫圈支承的ｋ值较大。（４）由于三个因素的Ｒｊ分别为０．０７３４，０．１ ９７９和０．０９４１，所以对拧紧力矩系数ｋ影响最大的是润滑条件，其次是支承面材料，最小 的是表面处理，三个因素对拧紧力矩系数都有较大影响。另外，从表３的平均值可以看出，螺栓材 料和规格不同，ｋ值也不同；但螺栓材料、螺栓规格与润滑条件、
表面处理、支承面材料三个因素 相比，对ｋ值的影响较小。从表６数据可以看出：（１）Ｍ６的拧紧力矩系数大于Ｍ８的拧紧力矩 系数。（２）ＭＬ２５螺栓的拧紧力矩系数大于３０ＣｒＭｎＳｉＡ螺栓的拧紧力矩系数。（３） 镀锌钝化和镀镉钝化的螺栓拧紧力矩系数相差较小。对比两组正交试验的Ｒｊ可以看出，
螺栓材料 和螺栓规格的效应之差远远小于润滑条件、支承面材料和表面处理三种因素的效应之差，因而螺栓 规格、螺栓材料对拧紧力矩系数的影响远远小于另三种因素。通过试验可以看出：要准确控制预紧 力，必须根据螺栓表面处理状态、润滑条件和支承面材料选择相应的拧紧力矩系数。⊙参考文献（ 略）螺栓拧紧力矩系数的影响因素研究@曹增强，林水福$西北工业大学，中国航空综合技术研究 所拧紧力矩，预紧力，拧紧力矩系数采用正交设计试验研究了螺栓拧紧力矩系数的主要影响因素。 结果表明：润滑条件、支承面材料以及表面处理状态对拧紧力矩系数均有较大影响，螺栓材料和螺 栓规格对拧紧力矩系数也有一定影响。规格与润滑条件、表面处理、支承面材料三个因素相比，对 ｋ值的影响较小。从表６数据可以看出：（１）Ｍ６的拧紧力矩系数大于Ｍ８的拧紧力矩系数。（ ２）ＭＬ２５螺栓的拧紧力矩系数大于３０ＣｒＭｎＳｉＡ螺栓的拧紧力矩系数。（３）镀锌钝化 和镀镉钝化的螺栓拧紧力矩系数相差较小。对比两组正交试验的Ｒｊ可以看出，螺栓材料和螺栓规 格的效应之差远远小于润滑条件、支承面材料和表面处理三种因素的效应之差，因而螺栓规格、螺 栓材料对拧紧力矩系数的影响远远小于另三种因素。通过试验可以看出：要准确控制预紧力，必须 根据螺栓表面处理状态、润滑条件和支承面材料选择相应的拧紧力矩系数。⊙参考文献（略）螺栓 拧紧力矩系数的影响因素研究@曹增强，林水福$西北工业大学，中国航空综合技术研究所拧紧力矩，预紧力，拧紧力矩系数采用正交设计试验研究了螺栓拧紧力矩系数的主要影响因素。结果表明：润滑条件、支承面材料以及表面处理状态对拧紧力矩系数均有较大影响，螺栓材料和螺栓规格对拧紧力矩系数也有一定影响。