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螺栓拧紧的基本概念及拧紧的方法

       螺栓拧紧在机械制造业中的应用非常广泛,机械制造中零部件的连接与装配,机械整体的装配等等,可以说几乎是都离不开螺栓拧紧。  
 

        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最常用的一种,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。 
 
2.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                        
 
 
   
 
 
 
 

        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。  
 
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)。而不论两被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): 
 
        扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法,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 = K F 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)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, 不同扭矩系数值对F与T的精度的影响 
 
 
 
注:所用螺栓:M10³16DIN931 10.9级;表面处理:磷化锌、涂油。螺母:M10 DIN931 氧化处理。Rt为粗糙度参数。 
 
 
        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最大可以达到±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。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最大可能达一倍。 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。 
 
2.扭矩—转角控制法(TA):
 
        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,并将其影响延续到最后。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最大的是测量 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最大的不同在于: 
 
 
        扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力 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,最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。  
                     
 3.屈服点控制法(TG): 
 
        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,当其斜率下降到最 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。                    
                         
屈服点控制法的优点是:
 
        可获得很 大的预紧力,能充分发挥材料的潜力。
 
 其缺点是:
 
        控制系统较复杂,要测量 扭矩和转角两个量,对螺栓的一致性 要求较高,对螺栓和连接件的表面也 要求较高,以避免假屈服。
 
4.落座点—转角控制法(SPA):             
           
        落座点—转角控制法是最近新出现的一种控制方法,它是在TA法基础上发展起来的。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法最大螺栓轴向 预紧力误差,F2是SPA法最大螺栓轴 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  =TS2-TS1,对应产生了螺栓轴向预紧力 误差ΔFS),在转过相同的转角A1后, 相对于两个弹性系数高低不同的拧紧 工况,其螺栓轴向预紧力误差为F1; 即使是弹性系数相等的,但由于ΔTS 的存在,也有一定的误差(见图8  中的ΔF1、ΔF2)。如若采用SPA法,  由于是均从落座点S开始转过A2转角后,相对于两个弹性系数高低不同的 拧紧工况,其螺栓轴向预紧力误差为F2。显然F2小于F1,即落座点—转角控制法拧紧精度高于扭矩-转角控制法。采用SPA法,摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除,图九为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩-转角关系曲线。图中摩擦系数:µ1>µ2>µ3。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩-转角关系曲线的斜率不同,但其落座点(曲线线性段的斜率与横轴的交点)相差不大(见图9)。故从此点再拧一个角度AC,不同摩擦系数对螺栓轴向预紧力的影响基本可以消除。为了更清楚地说明这个问题,我们把图四的纵、横坐标交换一下,绘成图
 
10:
 
        对比图9与图10,就可以更清楚地看出SPA法摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除。 SPA法与TA法比较,其主要优点是:能克服在Ts时已产生的扭矩误差,因此,可以进一步提高拧紧精度。 
 
5. 螺栓伸长法(QA): 
 
       QA法是通过测量螺栓的伸长量来 确定是否达到屈服点的一种控制方法,  虽然每一个螺栓的屈服强度不一致,  也会给拧紧带来误差,但其误差一般 都非常小。 
 
        在QA法中所采取的测量螺栓伸长 量的方法,一般是用超声波测量,超 声波的回声频率随螺栓的伸长而加大, 所以,一定的回声频率就代表了一定的伸长量。图11就是QA法的原理,由于螺栓在拧紧和拧松时,用超声仪所测得的回声频率随螺栓的拧紧(伸长)和拧松(减小伸长量)而发生变化的曲线并不重合,同一螺栓轴向预紧力的上升频率低于下降频率。这样,在用来测量螺栓的屈服点时应予以注意。