法蘭螺栓，為什么是可以取代墊片的設計？

墊片，傳統上用于在擰緊過程中保護接頭表面不受損壞，并在螺栓頭和螺母下分配負載，防止接觸面產生壓潰。

近年來，墊片開始被法蘭頭緊固件所取代，今天，我們跟大家一起討論這些原因。

在討論原因之前，讓我們先了解一些背景知識。

▲ 圖 1

利用扭矩間接控制螺栓的夾緊力是目前最常用的控制緊固方法。這是由于它的簡單性和被大多數工程師所理解。

將螺栓緊固到特定夾緊力所需的扭矩可以從標準表格中確定，或者通過使用扭矩與產生的夾緊力之間的關系進行計算，還可以通過測試確定。

眾所周知，作用于螺栓螺紋和螺栓頭下的摩擦消耗了大部分緊固扭矩。對于一個自由旋轉的螺栓，實際上只有大約15%的扭矩用于產生夾緊力，(如圖2)。

▲ 圖 2

法蘭螺栓（螺母）可以消除使用墊片所引起的缺陷。

通常，標準墊片比使用它們的螺栓（螺母）硬度稍低，在承受的高應力下會發生塑性變形。對于強度較高的緊固件，可能會導致墊片的壓潰，從而導致夾緊力損失。

圖3顯示了這樣一個墊片的示例。而法蘭螺栓（螺母）則不會受到這種影響，因為支撐面與緊固件保持一樣的整體硬度。

▲ 圖 3

解決壓痕問題，可以使用特殊的硬化墊片，但這種墊片成本較高。

研究表明，由于墊片中的間隙孔，可能會發生偏心加載，從而導致非常高的局部應力。

為了避免螺栓頭下過渡圓弧產生干涉，墊片需要有一個比較大的間隙孔。這種間隙可能導致墊片擰緊時中心偏離螺栓軸線上，導致局部負荷集中，增加壓痕和接頭損傷的風險。這種情況如圖所示4。

▲ 圖 4

另一個影響是墊片的跟轉。有時當螺栓被擰緊時，墊片開始在接頭表面旋轉。也就是說，螺母和墊片作為一個整體旋轉。其效果如圖5所示。施加的扭矩和螺栓夾緊力之間的關系發生了改變。對于給定的施加扭矩，這可能導致螺栓夾緊力的顯著損失。

除非在擰緊過程中進行仔細觀察，否則無法判斷是否發生了這種效應。

▲ 圖 5

使用墊片的最后一個影響是增加了表面的嵌入。在顯微鏡下看，看似平坦的表面根本不是平坦的。鍍鋅墊片表面的照片如圖6所示。當這個表面與另一個表面接觸時，只有表面的頂部接觸。

▲ 圖 6

嵌入是發生在螺栓面下、接頭面和螺紋的局部塑性變形，是表面粗糙度塑性變平的結果。在某種程度上，當兩個表面接觸并加載時，這種情況就會發生。當接頭中的零件第一次接觸壓緊時，大部分嵌入損失發生。

對于每個金屬與金屬表面，損失量通常在0.002至0.006mm之間，在涂過漆的表面上，這種效果會更明顯。

使用墊片會增加接頭內的接觸面數量。由于每個面都將承受嵌入損失，使用墊片會加劇這種影響，從而導致的螺栓夾緊力的損失。

尤其在在使用夾緊長度相對較短的接頭上，這種額外的嵌入效果會特別明顯，夾緊力降低高達50%是很正常的。

綜上所述，可以解釋為什么法蘭螺栓（螺母）比帶墊片螺栓（螺母）的設計更可取。可行的做法是可用法蘭緊固件替換相同的規格的帶墊片緊固件，需要注意的是，原來的安裝扭矩需要通過計算或測試進行調整。