螺纹摩擦系数测试

一、概述

螺纹连接是机械装配中最常见的连接方式之一，其紧固质量直接关系到产品的安全性与可靠性。在螺纹紧固过程中，拧紧扭矩大部分被摩擦所消耗——通常仅有10%~15%的扭矩转化为有效的轴向夹紧力。因此，准确测定螺纹连接副的摩擦系数，对于优化装配工艺、控制紧固质量具有重要意义。

螺纹摩擦系数测试，本质上是通过模拟实际拧紧过程，测量拧紧扭矩、螺纹扭矩与轴向夹紧力之间的关系，进而计算出螺纹接触面及支承面的摩擦系数。以下从测试标准、检测项目、测试方法等维度进行系统梳理。

二、测试标准体系

螺纹摩擦系数测试涉及多个层面的标准，主要包括国际标准、国家标准和行业标准三大类。

（一）国际标准

ISO 16047《紧固件 扭矩-夹紧力试验》 是螺纹紧固件摩擦系数测试领域最具权威性的国际标准。该标准规定了螺纹紧固件及相关零件进行扭矩-夹紧力试验的条件，适用于ISO米制螺纹M3至M39的紧固件。标准内容涵盖试验原理、摩擦系数的确定方法、扭矩系数K的测定以及T/F比值的计算等。

（二）国家标准

GB/T 16823.3《紧固件 扭矩-夹紧力试验》 是等同采用ISO 16047的国家标准。该标准主要适用于碳钢和合金钢制造的、螺纹规格为M3~M39的螺栓、螺钉和螺柱。标准规定的紧固特性值项目包括：扭矩系数、螺纹摩擦系数、支承面摩擦系数、屈服紧固轴力、屈服紧固扭矩和极限紧固轴力。

（三）行业标准

QC/T 715《汽车用螺纹连接副摩擦系数测试方法》 是汽车行业专用标准，规定了采用自动拧紧摩擦系数测试试验装置，对汽车用螺栓、螺母的螺纹连接副摩擦系数进行检验测试的方法。该标准已发布2026年更新版本。

T/CSAE 74—2018《紧固件摩擦系数试验方法》 由中国汽车工程学会发布，2018年3月1日正式实施，适用于碳钢和合金钢米制螺纹紧固件的摩擦系数测试，螺纹规格范围为M4-M39。

此外，DIN 946《螺栓连接系统摩擦系数测定》 和 JIS B1084 等标准也在特定行业和区域得到广泛应用。

三、核心检测项目

螺纹摩擦系数测试的核心检测项目可归纳为以下几个维度：

（一）摩擦系数类

1. 螺纹摩擦系数（μ_th） ：表征螺纹接触面之间的摩擦特性，是评估螺纹副拧紧性能的核心参数。

2. 支承面（端面）摩擦系数（μ_b） ：表征螺栓头或螺母支承面与被连接件接触面之间的摩擦特性。

3. 总摩擦系数（μ_tot） ：综合反映螺纹副整体摩擦状况的参数。

（二）扭矩与力类

4. 拧紧扭矩（总扭矩） ：施加于紧固件上的总拧紧力矩。

5. 螺纹扭矩 ：螺纹接触面上实际传递的扭矩分量。

6. 支承面扭矩 ：支承面摩擦所消耗的扭矩分量。

7. 轴向夹紧力（预紧力） ：紧固后螺栓所产生的轴向拉力。

（三）衍生参数类

8. 扭矩系数（K值） ：表征扭矩与轴向预紧力之间换算关系的系数。

9. 屈服扭矩与屈服夹紧力 ：紧固件达到屈服状态时的扭矩和夹紧力。

10. 极限扭矩与极限夹紧力 ：紧固件破坏前的最大扭矩和夹紧力。

（四）其他考察项目

11. 摩擦系数稳定性 ：同一批次或不同批次样品摩擦系数的一致性。

12. 重复性与再现性 ：同一条件下多次测试结果的偏差分析。

13. 温度影响系数 ：温度变化对摩擦系数的影响程度。

14. 润滑剂影响 ：不同润滑条件下的摩擦系数变化。

四、测试流程与方法

（一）样品准备

测试前需对待测样品进行严格确认和记录，包括规格型号、材料牌号、强度等级、表面处理状态、生产批次等信息。样品表面应无油污、锈蚀等明显缺陷。

待测试螺栓的长度一般需确保至少3d（拧紧时螺纹应露出至少2颗牙纹），如长度不满足要求需与委托方协商确认试验方案。样品状态应与供货状态一致，表面处理后一般需放置24小时后再进行测试。

（二）试验装置

测试通常采用专用的螺纹摩擦系数试验机，配备复合传感器以同步测量总扭矩、螺纹扭矩和轴向夹紧力。设备一般具备以下技术指标：

• 扭矩测量精度：±0.5%

• 轴向力测量精度：±1%

• 转角分辨率：0.001°

• 旋转速度：0~40 r/min

• 测试范围：M6~M16（不同设备有所差异）

（三）测试步骤

1. 安装样品：将待测紧固件按要求安装在试验设备上，确保接触紧密。

2. 设置参数：根据标准要求设定拧紧速度、目标扭矩或目标轴力等参数。

3. 执行拧紧：以规定转速平稳施加扭矩，实时采集扭矩、轴力、转角等数据。

4. 数据记录：记录全过程扭矩-轴力-转角曲线。

5. 计算分析：依据标准公式计算螺纹摩擦系数、支承面摩擦系数、总摩擦系数及扭矩系数等。

（四）影响因素控制

测试结果的准确性受多种因素影响，需加以控制：

• 试验垫片：应满足一定的硬度、表面粗糙度和平面度要求。

• 环境条件：实验室温湿度需保持稳定。

• 拧紧速度：不同速度可能导致摩擦系数差异。

• 表面状态：润滑条件、表面处理工艺等均会影响测试结果。

五、检测报告

完整的螺纹摩擦系数检测报告通常包含以下内容：

• 样品信息（规格、材料、表面状态等）

• 测试标准及方法依据

• 测试设备信息

• 测试环境条件

• 原始测试数据（扭矩、轴力、转角等）

• 计算结果（各摩擦系数、扭矩系数等）

• 扭矩-轴力-转角曲线图

• 结论与判定

六、结语

螺纹摩擦系数测试是紧固件质量控制体系中的重要环节。从ISO 16047、GB/T 16823.3等基础标准，到QC/T 715、T/CSAE 74等专用标准，形成了较为完善的标准体系。测试项目涵盖螺纹摩擦系数、支承面摩擦系数、总摩擦系数、扭矩系数等多个维度，测试过程涉及样品准备、设备操作、数据采集与计算分析等环节。