螺栓摩擦系数与头部倾角有何关系？
一
概述
紧固件摩擦系数的重要性是目前大家都比较关注的，摩擦系数的大小和散差会严重影响紧固件的拧紧后预紧力。同样的拧紧扭矩拧紧后，不同的摩擦系数范围，会得到差别非常大的预紧力。
大家都比较熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原则，也就是说摩擦系数变化小，但是预紧力会变化非常大。因为螺栓头支撑面和螺纹副的扭矩占比非常大，即使很小的摩擦系数变化，对螺栓头支撑面和螺纹副扭矩影响看似不是非常大，但是会影响产生预紧力的扭矩占比，可能产生预紧力的占比因为摩擦系数的变化，产生了5%的增减，最终就会较大的影响预紧力的占比。
我们知道目前螺栓摩擦系数的测试标准要是ISO 16047，GB/T 16823.3等标准，当然也有一些企业会制定自己的企业标准。不管是采用ISO 16047标准还是企业标准，基本存在两种检测要求，一种是对于螺栓支撑面直径尺寸按照标准值，例如螺栓头支撑面直径按照螺栓的dwmin，螺栓孔直径按照中等装配精度来计算等效的支撑面摩擦直径；一种是采用螺栓头压痕的实际尺寸，这个实际尺寸需要通过拧紧后的压痕，测量压痕的外径和内径，算出等效的支撑面直径。
通过标准可以看出螺栓的摩擦系数是根据测量出的拧紧扭矩，螺纹扭矩（或支撑面扭矩）和预紧力，并根据螺纹规格，等效摩擦直径等尺寸来计算出来的。在产品确定以后，一般可以认为摩擦系数是一个基本属性，不会因外部尺寸等变化而产生变化，但是螺栓摩擦系数由于是通过计算反推得出，这样就会跟相关的尺寸产生一定的影响，我们就要不得不分析其影响因素。这也就是为什么我们的产品材料，表面粗糙度，表面处理药水，甚至表面处理的润滑剂都是一样，但是实际螺栓测出的摩擦系数会差异还是比较大，特别是如果按照ISO 16047标准中的方法，采用标准中的支撑面直径dwmin和中等装配精度螺栓孔直径dh来得出的摩擦系数。
由于实际支撑面直径采用的测量方法不同，在摩擦系数的计算中就会出现摩擦系数不一致的问题。本期我们主要分析支撑面直径的影响。
二
摩擦系数测试
及摩擦系数计算方法
摩擦系数测试一般采用先进的摩擦系数试验机，该摩擦系数试验机能够测量拧紧扭矩，螺纹扭矩（或支撑面扭矩），预紧力，从而就能得出相应的总摩擦系数，支撑面摩擦系数和螺纹摩擦系数。
>>>具体计算方法<<<
总摩擦系数μtot计算
总摩擦系数μtot根据测试的拧紧扭矩与夹紧力的结果，可以用下列公式近似计算：
螺纹摩擦系数μth计算
螺纹摩擦系数根据测试的螺纹扭矩及夹紧力的结果，用下列公式计算：
注：通常摩擦系数试验机上可以测量出螺纹扭矩和支撑面摩擦扭矩中的一种扭矩，另外一种扭矩可以通过拧紧扭矩得出：
支撑面摩擦系数μb计算
支撑面摩擦系数应根据测试的支撑面摩擦扭矩和夹紧力结果，用下列公式计算：
三
采用标准计算方法的误差分析
按照标准中的支撑面直径dwmin和中等装配精度的螺栓孔尺寸dh来计算支撑面摩擦系数。
假设一批螺栓实际测试时候螺纹和支撑面摩擦系数为0.13。螺栓制造时候按照标准的内倾角1.5°进行加工，这样就会造成在拧紧时候，螺栓支撑面的外圈与垫片接触，也就是说在测试时候螺栓的外圈与垫片产生摩擦，在外圈部分产生了压痕。通过实测假设压痕的外径尺寸为23.8mm，压痕的内径为19.8mm。
由于此时螺纹和支撑面摩擦系数为0.13，螺栓头部按照实际压痕外圈接触。这样就可以根据VDI 2230标准来得出支撑面的摩擦扭矩为74.3925Nm。
也就是说这种拧紧，如果螺栓头外圈接触，产生的支撑面扭矩比正常整个螺栓头接触是更大。如果我们按照标准ISO 16047中支撑面直径dwmin和螺栓孔中等装配精度dh来计算，摩擦系数结果会是怎么样呢？
四
ISO 16047标准计算方法
根据测试结果，支撑面扭矩为74.3925Nm，而这个测试如果按照标准ISO 16047的标准计算方法，螺栓的支撑面直径应为dwmin23.8mm，而中等装配精度螺栓孔尺寸dh为13.5mm，按照这种方法得出的支撑面摩擦系数如下表：
计算结果标准，按照ISO 16047标准的方法得出的摩擦系数是0.152，比实际的摩擦系数0.13高出0.022，高出比例为16.9%。由于摩擦系数的公差范围一般±0.03，虽然0.022看起来不是太大，但是相对于摩擦系数公差来说影响还是非常大的。
五
结论
从以上分析可以得出下面的一个结论：
1、螺栓头支撑面倾角如果出现较大的内倾角，摩擦系数测试时候会存在外圈接触的情况。
2、采用ISO 16047标准的额支撑面直径dwmin和中等装配精度螺栓孔dh直径测量计算出的支撑面摩擦系数会比实际值偏大。
3、从这个分析来看，支撑面的内倾角会影响按照ISO 16047标准测试的支撑面摩擦系数。
4、螺栓摩擦系数测试时候如果需要测试实际零件的摩擦系数建议采用压痕的方法。这样模拟装配测试螺栓的拧紧扭矩曲线时候也能够与摩擦系数测试结果对应起来。实测压痕摩擦系数，再根据模拟装配的拧紧曲线确定出合适的拧紧扭矩。
5、如果没有条件进行模拟装配拧紧曲线测试，而实际产品的装配扭矩是按照螺栓强度，相关尺寸和摩擦系数范围来计算的拧紧扭矩，此时，建议摩擦系数测试时候按照实际螺栓头下的产品作为垫片，实际螺母作为配对用螺母测量螺栓的摩擦系数，而摩擦系数计算方法采用ISO 16047标准的计算方法，这样就能够跟实测的摩擦系数范围（此时摩擦系数是按照标准值计算），计算出出最终的装配扭矩（此时计算装配扭矩中的支撑面直径dwmin，螺栓孔直径dh也是按照标准值计算）。
关于螺栓摩擦系数与头部倾角的影响分析就分析到这里，内倾角对螺栓摩擦系数的影响也是相对比较大的，因此，需要重视螺栓内倾角的稳定性。我们ECM测试设备可以快速对螺栓的内倾角进行测量，一般30s就可以快速把螺栓全尺寸和形位公差测量完成。
如果大家对该问题还有相关的看法或需要了解ECM测试设备，欢迎入群交流。如果大家对螺栓计算软件感兴趣，也请联系小编试用。
