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　　由于鑄鋁具有小密度、優(yōu)良的散熱性能、良好的耐腐蝕性和便于鑄造及減重等特點，使其在越來越多的機械產(chǎn)品中得到應(yīng)用，特別是車輛等行動系統(tǒng)的各種箱體均采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，該類箱體大都通過

螺栓在箱體與箱蓋之間施加夾緊力，實現(xiàn)箱體的緊固與密封。
　　鑄鋁材料強度較低，不宜直接加工內(nèi)螺紋，通常采用加工螺紋底孔再安裝鋼絲螺套或螺紋鋼套的形式形成內(nèi)螺紋。除此之外，由于鑄鋁材料抗磨性能差，螺栓擰緊時頭部支撐面非常容易磨損，影響

支撐面的摩擦狀態(tài)，而摩擦是影響螺栓聯(lián)接中扭-拉關(guān)系的主要因素M.這些原因使鑄鋁箱體螺栓聯(lián)接中的預(yù)緊力控制成為難題。螺栓預(yù)緊力過大容易導(dǎo)致螺栓拉斷、鋼套拉出以及箱蓋局部翹曲，使得密封

失效；而預(yù)緊力不足則容易導(dǎo)致螺栓松動、密封不可靠甚至失效等質(zhì)量問題。
　　為了精確控制螺紋聯(lián)接中的預(yù)緊力，扭矩-轉(zhuǎn)角法很早就被提出，并且于1964年在歐、美等一些國家就已制定了相關(guān)規(guī)范H.大連理工大學(xué)宋莎等人中Nassar等人提出了支撐面摩擦圓環(huán)的不同壓力分布

模型，給出了各模型的等效摩擦半徑計算公式，并分析了不同模型等效摩擦半徑的計算精度。Nassar的分析表明，如果參數(shù)選擇合理時，指數(shù)型壓力p分布模型的計算精度最高，這時的螺栓擰緊示意圖如

圖所示，即接觸環(huán)形區(qū)域的內(nèi)側(cè)壓力值高于外側(cè)壓力值。本文所有試驗工裝墊塊磨損情況均為內(nèi)側(cè)磨損嚴重，外側(cè)磨損較輕，呈喇叭口狀，這種現(xiàn)象方面由內(nèi)側(cè)所受壓力偏高引起，另一方面則由于內(nèi)側(cè)

強度較低所致。由圖所示情況可推斷出，在螺栓擰緊過程中，墊圈與鑄鋁工裝墊塊隨著螺栓的不斷擰緊而逐漸達到完全貼合。對于使用過的鑄鋁工裝墊塊，螺栓擰緊過程中平墊圈由外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸貼合

，即支撐面的等效摩擦直徑在擰緊過程中不斷減小，引起在擰緊過程中扭矩系數(shù)不斷降低。
　　在螺栓擰緊過程中，支撐面摩擦因數(shù)和螺紋面摩擦因數(shù)/X，是兩個不斷變化的值，并且它們的變化是扭矩系數(shù)變化的主要原因，而引起兩個摩擦因數(shù)變化的原因有很多。本文所有試驗沒有使用任何

潤滑劑或防松膠，所有摩擦都屬于干摩擦。
　　在螺栓緊固過程中，螺栓軸向預(yù)緊力迅速增加，試驗中扭矩從20Nm到達目標扭矩70Nm時螺栓轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角平均約為80°。在一般情況下，金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實際接觸面積與載荷的非

線性關(guān)系，使得摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而降低11.本文認為在螺栓緊固過程中，支撐面摩擦副和螺紋面摩擦副中的接觸均為彈塑性接觸，即兩個摩擦因數(shù)在緊固過程中都會隨著軸向預(yù)緊力的增大而減小

，從而出現(xiàn)了試驗中所觀察到的扭矩系數(shù)K隨擰緊力矩的增大而減小的現(xiàn)象。
　　Bowden等人建立的黏著理論認為，摩擦力是黏著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和M.在鑄鋁箱體的螺栓聯(lián)接試驗中可看出，試驗中鑄鋁工裝墊塊支撐面、墊圈端面以及螺紋牙磨損之后的表面均有明顯

的摩擦溝痕形成，且成環(huán)狀條紋，擰緊次數(shù)越多，摩擦條紋越多越清晰。2所示為某鑄鋁工裝墊塊在使用數(shù)次之后的端面實物圖。
　　a）使用過的墊塊支撐端面
　　b）支撐面局部放大某鑄鋁工裝墊塊在使用數(shù)次之后的端面實物圖由于螺栓、螺母和墊圈表面都鍍有黃鋅，鑄鋁工裝墊塊表面有氧化膜，在螺栓首次擰緊時，這些表面覆蓋層能起到很好的降低并穩(wěn)定

摩擦因數(shù)的作用，從而出現(xiàn)了首次擰緊時扭矩系數(shù)總是較小，而且在整個擰緊過程中摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定的情況。在完成第1次擰緊并松開以后，發(fā)現(xiàn)所有涂覆鋅層的摩擦表面的鋅層均脫落，鋁塊表面也有

明顯的磨損痕跡，3所示為某螺栓首次擰緊之后的螺紋面鋅層脫落實物圖。當(dāng)螺栓再次擰緊時，擰緊過程中的所有直接接觸面沒有了鋅層和表面氧化層的保護，摩擦因數(shù)均迅速增加且穩(wěn)定性相對較差，導(dǎo)

致第2次擰緊過程中扭矩系數(shù)比首次擰緊大很多，瓦從也會有所上升。
　　3某螺栓首次擰緊之后螺紋面鋅層脫落實物圖從第2次擰緊開始，螺紋面摩擦副和支撐面摩擦副間的摩擦都是基體材料直接接觸的干摩擦，摩擦力主要為犁溝力和黏著力，摩擦表面有磨損擦傷，并呈

環(huán)形溝痕。以支撐面摩擦副為例，平墊圈與鑄鋁工裝墊塊都形成環(huán)形條紋，在特定的某一次擰緊過程中隨著軸向預(yù)緊力的增加磨損條紋不斷地加深。由于墊圈在各次擰緊過程中相對于鑄鋁工裝墊塊以及

螺栓的位置各不相同，所以在每次擰緊過程中摩擦副之間形成新的磨損條紋，或者在擰緊過程中自動動態(tài)調(diào)整墊圈的位置使其與之前形成的磨損溝痕相匹配。隨著擰緊次數(shù)的不斷增加，即螺栓使用次數(shù)

的增加，磨損條紋基本穩(wěn)定，相應(yīng)的摩擦因數(shù)也從第2次開始不斷減小并趨于穩(wěn)定。扭矩系數(shù)在擰緊過程中與摩擦因數(shù)有相似的規(guī)律。
　　依據(jù)黏著摩擦理論可知，滑動摩擦是黏著與滑動交替發(fā)生的躍動過程。當(dāng)滑動速度增加時，黏著時間和摩擦因數(shù)的變化幅度都將減小，因而摩擦因數(shù)值和滑動過程趨于平穩(wěn)11.滑動摩擦的這種躍動現(xiàn)

象也是擰緊過程中扭矩系數(shù)變化的個因素，并且在低速時這種影響更為明顯，即在低速擰緊時扭矩系數(shù)離散度較大。
　　對于般彈塑性接觸狀態(tài)的摩擦副，摩擦因數(shù)隨滑動速度的增加先增加，當(dāng)達到某一極大值之后再隨滑動速度的增加而減小，該極大值點的位置隨載荷或接觸表面剛度的增大而向速度較小的方向移動

M.鑄鋁表面剛度較低，且螺栓聯(lián)接中的摩擦副屬中等載荷，本文所探討的三種擰緊速度下摩擦因數(shù)隨擰緊速度的增大而增加的結(jié)果，與試驗中低擰緊速度對應(yīng)小的扭矩系數(shù)的結(jié)果相一致。
　　5結(jié)語本文研究了鑄鋁箱體用螺栓擰緊過程中的擰緊次數(shù)、擰緊速度等擰緊工藝過程可控因素對扭矩系數(shù)的影響。通過試驗及理論分析得出以下結(jié)論。
　　在螺栓擰緊過程中，扭矩系數(shù)隨著預(yù)緊力的增加而不斷減小，且首次擰緊時扭矩系數(shù)減小幅度較小，第二次擰緊時減小幅度迅速增加，之后趨于穩(wěn)定。
　　終擰扭矩系數(shù)在首次擰緊時最小，第二次擰緊時迅速增加，之后趨于穩(wěn)定，且1r/min時這種規(guī)律不明顯，5r/min時增幅較大。
　　多次擰緊時終擰扭矩系數(shù)方差（離散度）隨擰緊次數(shù)的增加而減小并趨于穩(wěn)定，且擰緊次數(shù)較少時隨擰緊速度的增大而減小。
　　針對鑄鋁材料耐磨性較差等原因?qū)е碌呐ぞ叵禂?shù)離散度大的現(xiàn)象，結(jié)合本文試驗研究成果，可為相關(guān)工藝人員給出以下幾點提示：應(yīng)對擰緊扭矩和扭矩系數(shù)進行同時控制；確定目標扭矩時不應(yīng)對所

有預(yù)緊力水平都采用相同的扭矩系數(shù)進行計算；重復(fù)使用的螺栓應(yīng)根據(jù)使用次數(shù)制定擰緊工藝參數(shù)，以區(qū)別于首次擰緊工藝；擰緊工藝應(yīng)對擰緊工具以及擰緊速度進行約束，以實現(xiàn)多個螺栓擰緊時對預(yù)

緊力離散度的控制。