淺談裝配過程中螺栓擰緊控制方法

謝富強(qiáng) 買吾拉·阿不都瓦克 于光輝 李川 田威振 唐明明

1.廣汽乘用車有限公司新疆分公司 新疆烏魯木齊市 830068 2.廣汽傳祺技能大師工作室 新疆烏魯木齊市 830068

1 前言

螺栓是制造業(yè)和國防工業(yè)中不可缺少的緊固件是航空、汽車、船舶、鐵路、橋梁、建筑等重要基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部件。

為了將許多硬件設(shè)備精確地裝配在一起，螺栓需要精確地?cái)Q緊。錯(cuò)誤的擰緊，可能會(huì)導(dǎo)致成本浪費(fèi)，甚至螺栓塑性變形或者斷裂等災(zāi)難性的后果。螺栓連接的原理以及控制擰緊過程的常用方法，都是看似簡單的，但正確擰緊螺紋緊固件是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要了解螺栓連接的特點(diǎn)和各種擰緊方法。

圖1 螺栓緊固失效工程案例

本文探討了螺栓緊固過程中的力學(xué)性能及不同的擰緊控制方法，同時(shí)力矩控制方法為例對螺栓擰緊進(jìn)行了預(yù)緊力理論計(jì)算、強(qiáng)度理論計(jì)算，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

2 螺栓緊固件的力學(xué)性能

鋼是工程中廣泛應(yīng)用于制作螺栓的金屬材料，跟很多其他的金屬材料一樣，鋼是彈性的。對高吞吐量、高精度裝配、高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)中了解螺栓連接的原理及力學(xué)性能極其重要。

2.1 螺栓連接的原理

沒有工作載荷，螺栓只是一個(gè)夾緊裝置。在實(shí)用上，在螺栓連接裝配中，部件被夾在螺栓和螺母之間（螺栓聯(lián)接為例），并絕大多數(shù)在裝配時(shí)都必須擰緊，即螺栓插入被連接件，利用螺母或內(nèi)螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產(chǎn)生軸向的拉力，將被夾零件擠壓在了一起，螺栓擰緊時(shí)的這種力稱為預(yù)緊力。在無外荷載的裝配狀態(tài)下，螺栓預(yù)緊力與夾緊部件的夾緊力相等但相反，此時(shí)的螺栓預(yù)緊力稱為軸向拉力。

螺栓擰緊的目標(biāo)就是施加適當(dāng)?shù)妮S向拉力。理論上，只要產(chǎn)生了足夠的夾緊力，完全可以保證被夾零件在震動(dòng)、高低溫等惡劣環(huán)境下安全工作，而不必使用涂膠等輔助方法。

2.2 螺栓連接的特性

螺栓連接的質(zhì)量很大程度上取決于對螺栓預(yù)緊力的控制。過高的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，從而導(dǎo)致疲勞或斷裂，不充足的預(yù)緊力會(huì)引起結(jié)構(gòu)連接的振動(dòng)、松弛和滑移，從而破壞結(jié)構(gòu)的完整性，影響任何利用螺栓連接裝配設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖2 螺栓擰緊原理及連接件中的力

分析螺栓連接應(yīng)力-應(yīng)變圖可以知道，σ的作用下，螺栓材料沿其作用方位發(fā)生正應(yīng)變?chǔ)拧Ｔ诔跏茧A段，正應(yīng)力與正應(yīng)變成正比（圖中之OA），即遵循胡克定律σ=Eε，線性階段最高點(diǎn)A所對應(yīng)的正應(yīng)力σ稱為比例極限。超過比例直線后，應(yīng)力與應(yīng)變不再保持正比關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力增加至某一定值時(shí)，螺栓材料失去抵抗繼續(xù)變形的能力，并應(yīng)力幾乎不變，而變形卻急劇增長稱為屈服。使螺栓材料發(fā)生屈服的正應(yīng)力σ稱為屈服應(yīng)力或屈服極限。經(jīng)過屈服階段后，隨著應(yīng)力的增大螺栓材料重新呈現(xiàn)抵抗繼續(xù)變形的能力稱為應(yīng)變硬化。硬化階段的最高點(diǎn)D所對應(yīng)的正應(yīng)力σ稱為強(qiáng)度極限。當(dāng)應(yīng)力增長之強(qiáng)度極限σ之后螺栓的某一局部顯著收縮，產(chǎn)生所謂縮頸?？s頸出現(xiàn)后，使螺栓繼續(xù)變形所需之拉力減少，最后導(dǎo)致螺栓在縮頸處斷裂。所以精確地?cái)Q緊螺栓需要利用好螺栓緊固件的力學(xué)性能。

T：擰緊力矩[N·m]、F：軸向力[N]、σ：正應(yīng)力[MPa]、ε：正應(yīng)變、E：彈性模量[GPa]、σ：比例極限[MPa]、σ：屈服極限[MPa]、σ：強(qiáng)度極限[MPa]。

3 螺栓擰緊方法

工程實(shí)踐中對高吞吐量、高精度裝配、高質(zhì)量產(chǎn)品等性能要求，使得螺栓緊固過程中的預(yù)緊力控制問題日益突出。目前有幾種常用的螺栓擰緊方法，它們的擰緊原理及擰緊質(zhì)量，精度都不一樣，以下是目前最常用的擰緊方法及它們的優(yōu)缺點(diǎn)：

3.1 力矩控制方法

螺栓預(yù)緊力的大小是通過擰緊力矩來加以控制，比如汽車裝配現(xiàn)場常用定力矩扳手來控制擰緊力矩，當(dāng)擰緊力矩超過規(guī)定值時(shí)，定力矩扳手內(nèi)部機(jī)構(gòu)之間發(fā)生打滑。這是一種目前最常用、最廣泛使用的的擰緊控制和操作方式，擰緊方法原理非常的簡單及快速，易于標(biāo)準(zhǔn)化。

圖3 螺栓連接應(yīng)力-應(yīng)變圖

但是理論研究的日益深化發(fā)展及很多試驗(yàn)研究結(jié)果指出，這種方法存在著一些固有的缺陷。擰緊力矩受摩擦系數(shù)、環(huán)境、擰緊速度、工具精度、拆卸再擰緊、接觸面特性元素等波動(dòng)的影響較大，導(dǎo)致應(yīng)力公差過大，準(zhǔn)確性較差。

3.2 轉(zhuǎn)角控制方法

螺栓擰緊由通過旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行管理，旋轉(zhuǎn)角度從螺栓頭的固定點(diǎn)開始。這種方法從緊貼力矩的特定角度進(jìn)行擰緊，在塑性區(qū)內(nèi)擰緊，軸向拉力分散較低，操作簡單。但由于擰緊會(huì)超出屈服點(diǎn)，因此接頭會(huì)受到附加載荷的限制或難以重新擰緊，很難定義擰緊角度。

3.3 力矩梯度法

通過在屈服點(diǎn)處力矩梯度隨旋轉(zhuǎn)角的變化來管理擰緊，這種變化通過電子裝置進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算。由于軸向拉力的分散性較小，因此有可能設(shè)計(jì)出較大的螺栓效率。即使在擰緊之后，也可以檢查螺栓本身，但因在屈服點(diǎn)以上進(jìn)行擰緊，且擰緊裝置昂貴，因此在使用領(lǐng)域很難采用相同的方法。

3.4 伸長率測量方法

緊固由螺栓緊固產(chǎn)生的螺栓伸長率來控制。伸長率可以通過千分尺、超聲波或螺栓內(nèi)嵌的測量傳感器來測量。軸向拉力的分散性很小，可以在彈性區(qū)域內(nèi)擰緊，螺栓聯(lián)接效率高?？梢赃M(jìn)行附加加載和重新擰緊螺栓，但是螺栓端面必須精加工，擰緊裝置昂貴，成本高。

3.5 加載方法

通過在螺栓上施加拉伸載荷的同時(shí)擰緊螺母，通過釋放載荷后產(chǎn)生的拉力來控制擰緊。軸向拉伸可直接控制，螺栓不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，但是擰緊裝置和螺栓是特制的，成本很高。

3.6 加熱方法

擰緊由螺栓加熱前后伸長率的變化來控制。擰緊不需要空間和力，但是熱和軸向張力之間沒有明確的關(guān)系，溫度設(shè)定控制比較困難。

4 力矩控制方法計(jì)算案例

力矩控制方法為例，進(jìn)行螺栓擰緊相關(guān)理論計(jì)算。

圖4 螺栓副擰緊力矩

4.1 預(yù)緊力的計(jì)算

裝配時(shí)由于擰緊力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生預(yù)緊力F，擰緊力矩T等于螺栓副間的摩擦力矩T和螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支承面間的摩擦力矩T之和。

螺栓副間的摩擦力矩為：

螺母與支承面間的摩擦力矩為：

從（1）、（2）、（3），得：

表1 力矩系數(shù)和摩擦系數(shù)

對于一定公稱直徑d的螺栓，當(dāng)擰緊力矩同樣的情況下，按照公式（6）可得螺栓的預(yù)緊力：

從案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預(yù)緊力浮動(dòng)在在10416[N]～20833[N]。力矩控制方法受各元素波動(dòng)的影響較大，導(dǎo)致公差過大，準(zhǔn)確性較差。

4.2 強(qiáng)度計(jì)算

螺栓的強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)聯(lián)接的類型、裝配情況、載荷狀態(tài)等，確定螺栓的受力。然后按照相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度。

在擰緊時(shí)螺栓除受預(yù)緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。

先計(jì)算公稱直徑：d=12（mm）=0.012（m）螺栓的最大拉伸應(yīng)力、最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，最后得出等效應(yīng)力：

螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸應(yīng)力：

圖5 擰緊時(shí)螺栓應(yīng)力狀態(tài)

由此可見對于M10～M64粗牙普通螺紋的鋼制螺栓聯(lián)接，在擰緊時(shí)螺栓除受預(yù)緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。螺栓擰緊過程中螺栓副間的摩擦力矩T和螺栓反復(fù)松緊產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ，可能會(huì)導(dǎo)致等效應(yīng)力的增加并超過材料屈服極限。

5 結(jié)論

（1）探討了螺栓緊固過程中的力學(xué)性能及最常用的擰緊方法及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

（2）力矩控制方法為例對螺栓擰緊進(jìn)行了相關(guān)的理論計(jì)算。從預(yù)緊力的計(jì)算案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預(yù)緊力出現(xiàn)浮動(dòng)，導(dǎo)致公差過大，準(zhǔn)確性較差。

（3）從強(qiáng)度計(jì)算案例中可以得知，在擰緊時(shí)螺栓除受預(yù)緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，螺栓反復(fù)松緊可能會(huì)導(dǎo)致等效應(yīng)力的增加并超過材料屈服極限。