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垫片，传统上用于在拧紧过程中保护接头表面不受损坏，并在螺栓头和螺母下分配负载，防止接触面产生压溃。
近年来，垫片开始被法兰头紧固件所取代，今天，螺丝君跟大家一起讨论这些原因。
在讨论原因之前，让我们先了解一些背景知识。
▲ 图 1
利用扭矩间接控制螺栓的夹紧力是目前最常用的控制紧固方法。这是由于它的简单性和被大多数工程师所理解。
将螺栓紧固到特定夹紧力所需的扭矩可以从标准表格中确定，或者通过使用扭矩与产生的夹紧力之间的关系进行计算，还可以通过测试确定。
众所周知，作用于螺栓螺纹和螺栓头下的摩擦消耗了大部分紧固扭矩。对于一个自由旋转的螺栓，实际上只有大约15%的扭矩用于产生夹紧力，(如图2)。
▲ 图 2
法兰螺栓（螺母）可以消除使用垫片所引起的缺陷。
通常，标准垫片比使用它们的螺栓（螺母）硬度稍低，在承受的高应力下会发生塑性变形。对于强度较高的紧固件，可能会导致垫片的压溃，从而导致夹紧力损失。
图3显示了这样一个垫片的示例。而法兰螺栓（螺母）则不会受到这种影响，因为支撑面与紧固件保持一样的整体硬度。
▲ 图 3
解决压痕问题，可以使用特殊的硬化垫片，但这种垫片成本较高。
研究表明，由于垫片中的间隙孔，可能会发生偏心加载，从而导致非常高的局部应力。
为了避免螺栓头下过渡圆弧产生干涉，垫片需要有一个比较大的间隙孔。这种间隙可能导致垫片拧紧时中心偏离螺栓轴线上，导致局部负荷集中，增加压痕和接头损伤的风险。这种情况如图所示4。
▲ 图 4
另一个影响是垫片的跟转。有时当螺栓被拧紧时，垫片开始在接头表面旋转。也就是说，螺母和垫片作为一个整体旋转。其效果如图5所示。施加的扭矩和螺栓夹紧力之间的关系发生了改变。对于给定的施加扭矩，这可能导致螺栓夹紧力的显著损失。
除非在拧紧过程中进行仔细观察，否则无法判断是否发生了这种效应。
▲ 图 5
使用垫片的最后一个影响是增加了表面的嵌入。在显微镜下看，看似平坦的表面根本不是平坦的。镀锌垫片表面的照片如图6所示。当这个表面与另一个表面接触时，只有表面的顶部接触。
▲ 图 6
嵌入是发生在螺栓面下、接头面和螺纹的局部塑性变形，是表面粗糙度塑性变平的结果。在某种程度上，当两个表面接触并加载时，这种情况就会发生。当接头中的零件第一次接触压紧时，大部分嵌入损失发生。
对于每个金属与金属表面，损失量通常在0.002至0.006mm之间，在涂过漆的表面上，这种效果会更明显。
使用垫片会增加接头内的接触面数量。由于每个面都将承受嵌入损失，使用垫片会加剧这种影响，从而导致的螺栓夹紧力的损失。
尤其在在使用夹紧长度相对较短的接头上，这种额外的嵌入效果会特别明显，夹紧力降低高达50%是很正常的。
综上所述，可以解释为什么法兰螺栓（螺母）比带垫片螺栓（螺母）的设计更可取。可行的做法是可用法兰紧固件替换相同的规格的带垫片紧固件，需要注意的是，原来的安装扭矩需要通过计算或测试进行调整。
今天的话题，就分享到这里，不当之处，欢迎批评指正；若您有任何疑问或建议，或需要进群交流的小伙伴，可关注螺丝君微信公众号：GAF螺丝君（GAF-luosijun）
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