薛亮

摘 要 緊固件雖小，但作為重要的基礎(chǔ)零部件，越來(lái)越多的得到汽車(chē)廠以及配套生產(chǎn)廠的關(guān)注和重視。緊固件看似簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)試等過(guò)程十分復(fù)雜。本文僅對(duì)不同擰緊方式下產(chǎn)生的夾緊力散差以及擰緊后復(fù)驗(yàn)扭矩曲線的各種類(lèi)型，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞 擰緊方法;夾緊力散差;復(fù)驗(yàn)扭矩曲線

引言

螺栓擰緊是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)螺栓擰緊過(guò)程的精確、可靠的控制，不但要保證螺紋質(zhì)量的穩(wěn)定，選擇可靠的擰緊設(shè)備，還需要不斷完善擰緊理論研究、擰緊控制方法、測(cè)量手段以及質(zhì)量管理手段。

螺栓連接的功能是要提供足夠的夾緊力，使連接件不會(huì)在載荷下滑移或者分離。其夾緊力的產(chǎn)生，是由于螺桿的伸長(zhǎng)從而產(chǎn)生了夾緊力，扭矩越大螺桿可以伸的越長(zhǎng)，但過(guò)大的扭矩會(huì)導(dǎo)致螺栓的過(guò)度伸長(zhǎng)，螺栓超過(guò)了屈服極限就會(huì)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)失效，所以在實(shí)際操作中，不論是兩個(gè)被連接件之間的夾緊力或者是螺栓上的軸向力，均很難檢測(cè)，也就更難以控制。因?yàn)椋壳爸饕扇∫韵聨追N方法予以簡(jiǎn)介控制。

1 扭矩?cái)Q緊法

在目前生產(chǎn)中，出于成本控制的考慮，扭矩?cái)Q緊法被廣泛的應(yīng)用到螺栓連接件的裝配中。該方法是將扭矩作為監(jiān)控目標(biāo)，現(xiàn)階段大部分廠家也是采用扭矩?cái)Q緊法進(jìn)行裝配，主要使用螺栓的彈性階段，其扭矩范圍約在螺栓屈服扭矩的60%，即0.6Rp0.2。

12.9級(jí)的M10的螺栓采用扭矩法控制時(shí)，產(chǎn)生夾緊力的離散型如下圖：

由上圖可以看出：對(duì)于總的安裝扭矩T，存在Tmin與Tmax的一個(gè)ΔT的扭矩偏差，在摩擦系數(shù)μ=0.14與μ=0.10的曲線上，由于安裝扭矩引起的夾緊力偏差就為①④、②③。對(duì)于總摩擦系數(shù)μ=0.10在最大扭矩Tmax時(shí)，其螺紋扭矩為⑤，其為0.9倍的Rp0.2（屈服強(qiáng)度），所以可以得出μ=0.10，Tmax=Tb+Tth。從圖上也可看出總摩擦系數(shù)越大，相同安裝扭矩下獲得的夾緊力也就越小。故Tmin與μ=0.14的交點(diǎn)②為獲得的最小夾緊力。圖上的陰影面積即為扭矩偏差ΔT與摩擦系數(shù)0.10～0.14引起的夾緊力的散差。為安裝扭矩引起的夾緊力偏差，為摩擦系數(shù)引起的夾緊力偏差。

支撐面摩擦系數(shù)（）只影響總扭矩T的高低，對(duì)于預(yù)緊力并無(wú)直接影響。僅螺紋扭矩（包含螺紋摩擦扭矩和有效螺紋扭矩）才能產(chǎn)生夾緊力。

其影響夾緊力主要因素有：

摩擦系數(shù)估計(jì)的偏差。

螺栓與被連接件間摩擦系數(shù)的散差較大，其中包含尺寸變化造成的支撐面直徑（）散差。

擰緊工具的精度偏低，包含人為操作因素和讀數(shù)錯(cuò)誤。

當(dāng)M14的螺栓的總摩擦系數(shù)在0.10～0.16范圍內(nèi)時(shí)，扭矩法控制產(chǎn)生的夾緊力會(huì)產(chǎn)生20%的偏差。如圖2所示。

所以扭矩法對(duì)夾緊力的控制較為粗略，擰緊精度不足，由于僅僅使用螺栓的彈性階段，不能充分發(fā)揮材料的潛力。

2 屈服點(diǎn)擰緊控制

擰緊時(shí)，螺栓屈服之后扭矩T和旋轉(zhuǎn)角之間不再存在線性相關(guān)性。在擰緊過(guò)程中，首先擰緊到一個(gè)起始扭矩值用以確保被連接構(gòu)件間沒(méi)有間隙，并且扭矩曲線達(dá)到線性區(qū)域。從這一點(diǎn)開(kāi)始，扭矩和角度被記錄下來(lái)。擰緊曲線的梯度會(huì)被連續(xù)地計(jì)算。在彈性區(qū)域的最大梯度將被識(shí)別并記錄。當(dāng)擰緊曲線遠(yuǎn)離彈性區(qū)域（直線段），達(dá)到螺栓屈服點(diǎn)后，該梯度急劇下降。在下降至記錄最大梯度50%時(shí)，擰緊停止。

屈服點(diǎn)控制擰緊的特點(diǎn)：

（1）該工藝可能獲得最大的夾緊力——可最大利用螺栓的性能。

（2）屈服點(diǎn)擰緊工藝，摩擦系數(shù)的分散對(duì)夾緊力的影響沒(méi)有采用扭矩法擰緊工藝大。

（3）在擰緊中，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)螺栓的過(guò)擰緊現(xiàn)象，因當(dāng)達(dá)到螺栓屈服點(diǎn)時(shí)，擰緊過(guò)程會(huì)自動(dòng)停止。

支承面摩擦系數(shù)對(duì)預(yù)緊力完全無(wú)影響。相比扭矩法，支承面摩擦系數(shù)的變化不會(huì)成為影響擰緊質(zhì)量的一個(gè)因素。

（4）只有螺栓的屈服點(diǎn)散差和螺紋摩擦系數(shù)散差會(huì)影響螺栓夾緊力的散差。

（5）擰緊過(guò)程與螺栓的剛度和被連接件的剛度（彈性回彈比）沒(méi)有太大的關(guān)系。

（6）已經(jīng)被擰到屈服的螺栓再次使用也沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槁菟ǖ乃苄宰冃紊扉L(zhǎng)只有0.2-0.3%. 以M8×45 12.9 級(jí)和8.8級(jí)螺栓為例，當(dāng)它被擰至0.3 % 塑性變形時(shí)，仍然可被再擰28次（12.9級(jí)）和55次（8.8級(jí)）而不會(huì)發(fā)生斷裂。

（7）即使是短螺栓也可以使用該方法進(jìn)行擰緊。

由上圖可以看出：對(duì)于屈服點(diǎn)擰緊，端面的摩擦扭矩對(duì)夾緊力并無(wú)影響，僅螺紋扭矩的大小，影響夾緊力。在螺紋摩擦系數(shù)μ=0.14與μ=0.10的曲線上，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)與兩個(gè)螺紋扭矩，以及由于屈服點(diǎn)不同，造成在螺紋摩擦系數(shù)μ=0.14與μ=0.10的曲線上，出現(xiàn)的②、③兩個(gè)最大、最小夾緊力。因而形成了由于屈服點(diǎn)、螺紋扭矩形成的夾緊力散差范圍（陰影部分）。

3 角度擰緊法

當(dāng)轉(zhuǎn)角法是在擰緊時(shí)，首先緊固件被加載到一個(gè)起始扭矩，確保裝配部件完全貼合。將螺栓與螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，稱(chēng)之為緊固轉(zhuǎn)角，這個(gè)角度是從起始扭矩值開(kāi)始測(cè)量的。把一個(gè)確定的緊固轉(zhuǎn)角作為指標(biāo)來(lái)對(duì)夾緊力進(jìn)行控制的一種方法。

該擰緊法可在螺栓的彈性區(qū)和塑性區(qū)使用。而且大多數(shù)角度控制擰緊工藝擰緊過(guò)緊固件的屈服點(diǎn)。其通過(guò)現(xiàn)則過(guò)螺栓屈服點(diǎn)的角度，可以達(dá)螺栓的最佳利用率。由于幾乎水平的夾緊力曲線，角度誤差對(duì)夾緊力的散差無(wú)重大影響。故保證了夾緊力的良好再現(xiàn)性。對(duì)于可靠性方面，應(yīng)采用對(duì)原始連接進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定擰緊角度。

為了控制擰緊過(guò)程，要確定一個(gè)最終扭矩的公差范圍作為扭矩監(jiān)控窗口。最終裝配扭矩必須在這個(gè)范圍內(nèi)。和扭矩控制法相比，轉(zhuǎn)角法的最大優(yōu)點(diǎn)是在塑性變形區(qū)螺栓伸長(zhǎng)通過(guò)給定的角度確定的。切斷扭矩一般高于屈服扭矩。螺栓被使用到螺栓材料的極限。

在角度擰緊過(guò)程中，夾緊力的散差主要來(lái)自以下因素：

由下圖擰緊曲線可以看出，螺紋摩擦系數(shù)、支承面摩擦系數(shù)和螺栓強(qiáng)度對(duì)扭矩法和角度擰緊法的影響。扭矩法在不同摩擦系數(shù)下，達(dá)到最大扭矩時(shí)，其所獲得的夾緊力較小。在角度擰緊時(shí)，多于不同摩擦系數(shù)、不同螺栓強(qiáng)度，選取的最大轉(zhuǎn)角均在屈服強(qiáng)度點(diǎn)之后，角度擰緊比扭矩?cái)Q緊獲得了更大的螺栓夾緊力，并且獲得更小的夾緊力散差。

4 擰緊方法與擰緊因子

由于擰緊裝配方法不能直接測(cè)量裝配的夾緊力，所以只能通過(guò)擰緊扭矩，彈性伸長(zhǎng)，擰緊角度或擰到螺栓屈服點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配夾緊力。在上面對(duì)其中三種擰緊方法進(jìn)行了簡(jiǎn)述?，F(xiàn)在通過(guò)引入擰緊因子來(lái)對(duì)不同的擰緊方法進(jìn)行對(duì)比。我們把擰緊時(shí)獲得的最大夾緊力與最小夾緊力的比值稱(chēng)之為擰緊因子：

5 復(fù)驗(yàn)扭矩

一般在裝配和裝配后由于緊固工具的不同、裝配程序的不同、被連接件以及螺栓的一致性、潤(rùn)滑、涂層對(duì)摩擦系數(shù)的影響等因素。導(dǎo)致裝配后螺紋連接無(wú)法確保是否達(dá)到正確狀態(tài)，無(wú)法判定是否達(dá)到裝配扭矩。復(fù)驗(yàn)扭矩為螺栓由擰緊設(shè)備擰緊至工藝要求的額定扭矩后，在進(jìn)一步擰緊少量角度（一般為10°以?xún)?nèi)）時(shí)，測(cè)得的最小扭矩。

如果是硬連接，擰緊曲線通常會(huì)持續(xù)上升。如果是軟連接，一般會(huì)出現(xiàn)擰緊曲線先上升，在下降，然后再上升。主要是由于擰緊的時(shí)候的靜摩擦系數(shù)會(huì)比動(dòng)摩擦系數(shù)大。其他介于中間的部分連接，可能會(huì)出現(xiàn)上述兩種情況，就是持續(xù)上升或先上升，在下降，然后再上升的這兩種擰緊曲線。如下圖：

平滑過(guò)渡型曲線：擰緊曲線先陡直然后平緩上升，殘余扭矩值=曲線斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

轉(zhuǎn)折型曲線：曲線陡直上升-轉(zhuǎn)折下降-平緩上升，殘余扭矩值=螺栓開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩最小值。

轉(zhuǎn)折跌落型曲線：曲線陡直上升-扭矩跌落-平緩上升，殘余扭矩值=平滑過(guò)渡曲線的第一個(gè)值。

所以需要在對(duì)螺栓進(jìn)行復(fù)驗(yàn)扭矩測(cè)試時(shí)，不能僅僅使用數(shù)顯扭力扳手，因?yàn)閿?shù)顯扳手只能記錄再擰緊過(guò)程中的最大值，從而獲得的復(fù)驗(yàn)扭矩往往是不準(zhǔn)確的。因而需要更為專(zhuān)業(yè)的測(cè)量設(shè)備，對(duì)擰緊過(guò)程中的扭矩-扭角進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并繪制出曲線，才能得到準(zhǔn)確的螺栓復(fù)驗(yàn)扭矩。

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