螺纹拧紧技术

拧任何机体均是由多种零件连接（即组装）起来的，而零件的连接有多种，采用螺栓连接就是其中昀常用的一种，而欲采用螺栓连接就必须应用拧紧，因而这“拧紧”也就成了装配工作中应用得极为广泛的概念。零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合，并为承受一定的动载荷，还需要两被连接体间具备足够的压紧力，以确保被连接零件的可靠连接和正常工作。这样就要求作为连接用的螺栓，在拧紧后要具有足够的轴向预紧力（即轴向拉应力）。然而这些力的施加，也都是依靠“拧紧”来实现的。因而，我们很有必要了解一些有关拧紧的基本概念。一．螺栓拧紧的基本概念1．拧紧过程中各量的变化在螺栓拧紧时，总体的受力情况是，螺栓受拉，连接件受压；但在拧紧的整个过程中，受力的大小是不同的（见图1），大体上分为下述几个阶段：⑴在开始拧紧时，由于螺栓未靠座，故压紧力F为零；但由于存在摩擦力，故扭矩T保持在一个较小的数值。⑵当靠座后(Z点)，真正的拧紧才开始，压紧力F和拧矩T随转角A的增加而迅速上升。⑶达到屈服点，螺栓开始朔性变形，转角增加较大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。⑷再继续拧紧，力矩T和压紧力F下降，直至螺栓产生断裂。扭矩与拧紧技术原理一、拧紧的基本概念TF屈服断裂A图1ZTF2．力矩率力矩率R所表示的是力矩增量△T对转角△A的比值（见图2），即：R＝△T/△A（1）硬性连接的R值高，软性连接的R值低。R值与螺栓的长度、连接中各件之间的摩擦以及连接件垫圈的弹性有关。摩擦系数的变化，是影响力矩率的主要因素。此外，再加上垫圈、密封垫片等引起的弹性变化，装配线上同样螺纹连接之间的力矩率变化可能超过百分之百，这样，力矩/转角的曲线就可能落在图3斜线中的任何位置。3．摩擦与力矩对压紧力的影响从图4中可见，同一力矩T值，而由于摩擦系数μ值的不同，压紧力F可能相差很大。所以，摩擦系数μ对压紧力F的影响是非常大的。这里的摩擦系数主要是指螺纹接触面、螺栓与被连接件支撑面间的摩擦系数。图2图3ATTΔTΔAAμ=0图4FTμ=0.4μ=0.5μ=0.1μ=0.2μ=0.3质量等级安全等级客户定义等级装配工作按精度等级分为三类测量拧紧效果我们能够测量的是扭矩T我们想要得到的是夹紧力FTFFFF张力张力剪切力剪切力抗张力螺拴与连接件的关系螺拴和连接的变形螺栓连接的变形关系轴向工作载荷的影响通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧•旋转螺母或螺丝使螺杆受力伸长•螺杆伸长产生的夹紧力把连接件夹紧•我们需要的是连接件中的夹紧力力(F)*力臂(L)=扭矩(M)螺栓旋转的越多，得到的扭矩越大但是,•90%的扭矩被摩擦力消耗•只有10%的扭矩转化为夹紧力施加的扭矩并不象夹紧力那么简单夹紧力,10%螺纹副中的摩擦了,40%螺栓头下表面的摩擦力,50%夹紧力与摩擦力的关系夹紧力与摩擦力的关系通常的情况通常的情况螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力50%50%螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力40%40%10%10%在螺栓头支承面下加润滑油在螺栓头支承面下加润滑油螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力45%45%螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力40%40%夹紧力夹紧力15%15%螺纹副中有缺陷，如杂质、磕碰等螺纹副中有缺陷，如杂质、磕碰等螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力50%50%螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力45%45%5%5%一定要确保施加的扭矩达到昀小需要扭矩一定要确保施加的扭矩达到昀小需要扭矩•夹紧力一定要高于外部载荷•安全余量载荷的影响因素:–振动–摩擦力的变化–连接件尺寸变化–拧紧精度施加的扭矩不要超过使用极限旋转转角扭矩夹紧力•施加的扭矩过大会使螺栓过度伸长•安全余量取决于:–拧紧精度–材料等级屈服强度极限抗拉强度极限螺栓连接件的特性应力N/mm285%50%弹性区域失效抗拉强度/屈服特性抗拉强度拉伸度•抗拉应力100*8=800N/mm2•屈服应力800*0.8=640N/mm2螺栓连接件的特性.生产商第一个数=1/100的最小抗拉强度(N/mm2)100×8=800N/mm2第二个数=屈服强度与最小抗拉强度之间的关系0.8=80%两数相乘得出屈服应力800*0.8=640N/mm2螺栓标识系统公制螺纹.弹性变软会影响夹紧力材料弹性松弛(变软)会使夹紧力衰减!Time内部分析平均加载(80%屈服)如我们恰巧看到螺纹与支承面连接表面，我们注意此处压痕非常高，因为螺栓伸长远端出现屈服以及这些区域出现崩溃而使夹紧力减少。二、螺栓拧紧的方法拧紧，实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力（即轴向拉应力）。而不论是两被连接体间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，也就很难予以直接控制，因而，人们采取了下述几种方法予以间接控制。1.扭矩控制法（T）：扭矩控制法是昀开始同时也是昀简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值Tc时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的拧紧扭矩T成正比的关系。它们之间的关系可用：T＝KF（2）来表示。其中K为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力Fμ来决定。在实际应用中，K值的大小常用下列公式计算：K=0.161p+0.585μd2+0.25μ(De+Di)（3）其中:p为螺纹的螺距；μ为综合摩擦系数；d2为螺纹的中径；De为支承面的有效外径；Di为支承面的内径螺栓和工件设计完成后，p、d2、De、Di均为确定值，而μ值随加工情况的不同而不同。所以，在拧紧时主要影响K值波动的因素是综合摩擦系数μ。有试验证明，一般情况下，K值大约在0.2－0.4之间，然而，有的甚至可能在0.1－0.5之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大（摩擦系数μ对螺栓轴向预紧力的影响参见图4）。另外，由于连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法的不同，对扭矩系数K也有很大的影响。对于上述各方面因素对扭矩系数K的影响，为给大家一个较为明确的印象，下面把德国工程师协会（VDI）拧紧试验报告列于表1；分析表1可知，当拧紧扭矩T的误差为±0％时，螺栓轴向预紧力的误差昀大可以达到±27.2％，因此，试图用扭矩控制法来保证高精度的螺栓拧紧是不现实的想法。此外，由于测量方法的不同，测量时环境温度的不同等，对扭矩系数K也有很大的影响，从而更加增大了F的离散度。日本住友金属工业公司通过试验说明了环境温度每增加1℃，其扭矩系数K就下降0.31%。表1不同扭矩系数值对F与T的精度的影响注：所用螺栓：M10×16DIN93110.9级；表面处理：磷化锌、涂油。螺母：M10DIN931氧化处理。Rt为粗糙度参数。有试验表明，在拧紧发动机缸盖的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其螺栓轴向预紧力的数值相差昀大可能达一倍。扭矩控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩传感器或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。拧紧曲线合格窗口合格窗口扭矩上限扭矩上限扭矩下限扭矩下限角度下限角度下限角度上限角度上限扭矩开始比较缓慢)扭矩开始比较缓慢)扭矩(夹紧力)角度,θ目标扭矩目标扭矩螺栓屈服点螺栓屈服点塑性区塑性区弹性区弹性区扭矩斜度=连接率拧紧方法扭矩控制拧紧过程扭矩控制拧紧过程扭矩上限扭矩上限扭矩下限扭矩下限kdPT=kdPT=扭矩开始比较缓慢扭矩开始比较缓慢扭矩(夹紧力)角度,θ目标扭矩目标扭矩拧紧方法扭矩控制拧紧扭矩控制拧紧À直接或间接控制地加载扭矩À实际目标扭矩通常是屈服扭矩的50%to85%À用在拴紧弹性区域À90%的加载扭矩用于克服摩擦力ÀAlsoknownas:扭矩，垂直扭矩预紧力正确度±25%TAACACTS低摩擦系数高摩擦系数S2S1●图52.扭矩—转角控制法（TA），又称超弹性控制法扭矩—转角控制法是在扭矩控制法上发展起来的，应用这种方法，首先是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从此点始，拧一个规定的转角的控制方法。它是基于的一定转角，使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用这种方法拧紧时，设置初始扭矩（TS）的目的是在于把螺栓或螺母拧到紧密接触面上，并克服开始时的一些如表面凸凹不平等不均匀因素。而螺栓轴向预紧力主要是在后面的转角中获得的。从图5中可见，摩擦阻力（图中以摩擦系数表示的）的不同仅影响测量转角的起点，并将其影响延续到昀后。而在计算转角之后，摩擦阻力对其的影响已不复存在，故其对螺栓轴向预紧力影响不大。因此，其精度比单纯的拧矩法高。从图5可见，扭矩—转角控制法对螺栓轴向预紧力精度影响昀大的是测量转角的起点，即图中TS所对应的S1（或S2）点。因此，为了获得较高的拧紧精度，应注意对S点的研究。扭矩—转角控制法与扭矩控制法昀大的不同在于：扭矩控制法通YMS●●●ΔF1ΔF2第二次拧紧FAΔA图6常将昀大螺栓轴向预紧力限定在螺栓弹性极限的90％处，即图6中Y点处；而扭矩—转角控制法一般以Y-M区为标准，昀理想的是控制在屈服点偏后。扭矩—转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，通过图6即可看出，同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF2比弹性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF1要小得多。扭矩—转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。角度控制kdPT=()ol360pFpθ=≡Δ转角下限转角下限转角上限转角上限起始(开门)扭矩起始起始((开门开门))扭矩扭矩扭矩(夹紧力)Angle,θ转角控制拧紧过程转角控制拧紧过程À步骤1:应用一个固定扭矩(起始（开门）扭矩)À步骤2:转动扣紧件到达预定转角À离屈服拧紧的昀初阶段，此刻也用在弹性区域。À需要用试验确定起始（开门）扭矩与转角参数À关键词：螺母转动，扭矩-转角预紧力正确度±15%角度控制角度控制拧紧方法扭矩—转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，通过图6即可看出，同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF2比弹性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF1要小得多。扭矩—转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点屈服点控制法是把螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。它是利用材料屈服的现象而发展起来的一种高精度的拧紧方法。这种控制方法，是通过对拧紧的扭矩/转角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈服点的。螺栓在拧紧的过程中，其扭矩/转角的变化曲线见图7。真正的拧紧开始时，斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a_b区间）。过b点后，其斜率经简短的缓慢下降后，又快速下降。当斜率下降一定值时（一般定义，当其斜率下降到昀大值的二分之一时），说明已达到屈服点（即图7中的Q点），立即发出停止拧紧信号。屈服点控制法的拧紧精度是非常高的，其预紧力的误差可以控制在±4％以内，但其精度主要是取决于螺栓本身的屈服强度。3.屈服点控制法（TG）图71/2昀大斜率转角扭矩斜率baQ转角扭矩屈服点控制昀高梯度的50%昀高梯度的50%扭矩扭矩梯度螺栓屈服点螺栓屈服点扭矩扭矩扭矩(夹紧力)Angle,θ屈服点控制拧紧过程屈服点控制拧紧过程拧紧方法屈服点控制屈服点控制À扭矩与转角是在拧紧中受到监控À当一点昀大值梯度下降时来判别昀大梯度与屈服点À利用昀大压紧力潜能À摩擦力未减小À允许每次拧紧的观察扭矩转角À螺栓能再使用À关键词：屈服扭矩预紧力正确度±8%4.落座点—转角控制法（SPA）落座点—转角控制法是昀近新出现的一种控制方法，它是在TA法基础上发展起来的（在日本已经开始应用）。TA法是以某一预扭矩TS为转角的起点，而SPA法计算转角的起点，采用扭矩曲线的线性段与转角A坐标的交点S（见图8）。图中；F1是TA法昀大螺栓轴向预紧力误差，F2是SPA法昀大螺栓轴向预紧力误差。从图8可见，采用TA法时，由于预扭矩TS的误差（ΔTS=