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拧紧效果的检测及拧紧中问题的分析

一.对拧紧效果的检测方法

拧紧机在安装完成后,必须经过质检部门的专业人员对其进行检定合格后,方可投入使用。且在正常运行中也均有规定的检定周期,加上当前各正规厂家生产的拧紧机,无论是精度还是稳定性也都比较高,因而螺栓拧紧完成后,拧紧机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好的设备或仪器也不可能不出问题,而且无论是谁也不能肯定设备和仪器不出问题,或什么时候出问题,所以,对拧紧效果的检测,即对拧紧扭矩值的确认是非常必要的(一般均规定有抽检的频次,即多少件中检一件)。而对其拧紧效果的检测,一般可采用下述两种方法:

1. 事后法

就是在拧紧过程完成后进行检测的方法。事后法的检测有三种: ⑴ 松开法:将拧紧的螺栓用扭矩扳手松开,读出松开时的瞬时值。 采用这种方法检测,由于螺纹升角的关系,松开的扭矩比拧紧的扭矩要小,一般要差30%左右。这种检测方法显然误差较大,除特殊情况外很少采用。

⑵ 紧固法:即对已经拧紧的螺栓用扭矩扳手,沿螺栓的拧紧方向再 施加一个逐渐增大的扭矩,直至螺栓再一次产生拧紧运动,读出此时的瞬时值。 采用这种方法检测,其扭矩偏差为实际扭矩的-5—+25%。其偏差产生的原因是:在旋动螺栓的瞬间所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中的摩擦阻力,因二者的摩擦系数不同(前者为静摩擦,后者为动摩擦);加上操作人员掌握程度、用力大小、感觉的偏差等,均会造成不同程度的偏差。该方法适用于拧紧后不超过30分钟的螺栓扭矩的检测。

⑶ 标记法:即对已经拧紧螺栓的拧紧位置做一个标记,将螺栓拧松之后,读出再拧紧到原来位置时的扭矩值。 采用这种方法检测,该扭矩偏差为实际扭矩的-12—+5%。可见,这种方法较前两种方法的精度都高,但有许多螺栓规定不允许重复拧紧,限制了这种方法的使用。

2, 过程法

就是在拧紧过程中进行检测的方法,这种方法需要有专门用于检测的扭矩传感器。过程法的检测也有三种:

⑴ 直接法:即在需要检测时,把用于检测的扭矩传感器直接串接于拧紧头与被拧紧的螺栓之间,拧紧时可以直接读出读数。

这种方法的扭矩传感器如若是临时随意安装的,将不可能稳固,会造成三者不在一条直线上,而造成一定的测量误差。如若有专用的连接部件,精度还是可以保证的。

⑵ 固定传感器法:这种方法与直接法的区别是,用于检测的扭矩传感器不是临时安装的,而是固定在拧紧头的输出轴上。 这种方法虽然避免了直接法的检测误差,但每个拧紧头的输出轴上均要安装一个专门用于检测的扭矩传感器,平时又不用,故造成了较大的浪费。

⑶ 传感器替换法:这种方法仅应用于拧紧头的输出轴上原来就装有扭矩传感器的设备上。可在原拧紧头安装扭矩传感器的部位上,装一根装卸尺寸与扭矩传感器完全相同的可以快速拆卸的活动轴,当要测试时,将快速拆卸活动轴卸下(即原扭矩传感器随之卸下),换上检测用的扭矩传感器。

这种方法由于只用一只扭矩传感器,故较固定传感器法成本低。且这只传感器仅在需要检测时才装在拧紧头上,平时还可用于其它同类拧紧头的检测,也方便了自身的精度检定。上述的事后法实际上是一种静态检测方法,它比较简便,易于实施,因而得到生产和质检部门的普遍应用。但由于所述各方面的因素所造成的误差难以避免,望在检验中能予以考虑。 上述的过程法是动态检测方法,由于是在拧紧过程中检测的,故其误差较小。但由于需要另外安装扭矩传感器,故增加了费用和工作量,因而在对拧紧效果检测上很少应用,大多用于对拧紧工具(即拧紧机)的检定。

二.对拧紧工作中出现的一些问题的分析

由于拧紧机是工作于自动拧紧的状态,各方面的因素均混杂在一起,而在运行中出现的一些问题,有时不太好确认到底是不是拧紧机的问题。下面就把笔者在日常中所遇到的一些问题汇集在一起,大体上分分类,并逐条予以分析(以下的分析是以拧紧机工作正常、显示准确,检验所用的扳手准确为前提)。

1.人工检测的扭矩值与机器显示值不符

这个问题出现的机率最多,可分为两方面来讨论: ⑴ 人工检测的扭矩值大于机器显示值 由于当前通常检验扭矩的方法,基本上均采用事后法中的紧固法,前面已经提到,由于各方面的因素,其误差可能在-5—+25%之间,即人工检测的扭矩值可能大于机器显示值的+25%,尤其是在采用指针式扳手时,除了扳手本身的固有误差外,可能还会混有零点定位误差、操作人员的视觉误差等,这些都会增大误差值。

⑵ 人工检测的扭矩值小于机器显示值

采用紧固法检验,其误差有-5%的可能性,这虽然也是一个方面,但在对于高弹性系数,且拧紧后即行检测的扭矩值,负值误差的机率极少。根据笔者的实际经验,出现人工检测的扭矩值小于机器显示值的情况,分别如下:

① 拧紧后时间较长(超过半个小时),尤其是上午拧的下午检验。实践证明,这种情况的检验有可能会低10%左右。

② 工件本身有问题。如对缸盖瓦盖拧紧机在验收时出现的:

拧紧后即人工检测,其值较拧紧机显示值低较多,经过多次试验及检查,是瓦盖有问题。

2.拧紧扭矩值偏大(转角未达到设定值)

这个问题基本上都出现在工件、垫片和螺栓上。

⑴ 对于工件:主要是工件的螺纹不好或螺孔内有异物,使螺纹接触面摩擦阻力增大所至。

⑵ 对于垫片:尤其是带有弹簧垫片或带定位点的平垫片对其的影响较大,扭紧靠座后,弹簧垫片(或带定位点的平垫片)可能会随螺栓旋转所产生的摩擦阻力增大所至。

⑶ 对于螺栓:主要是螺纹不好,在零部件国产化中,刚开始用的国产螺栓时曾出现过,而螺纹改进后就再未发生过。还有一点就是螺栓未按规定处理(蘸油)或把本来涂的油清洗掉了也会出现此现象。

⑷ 其它原因:进行了两次拧紧。

3.拧紧扭矩值偏小(转角已达到设定值)

拧紧扭矩值偏小的问题多半是出在螺栓上,其主要原因是螺栓的质量不好(屈服点较低)。当然,从理论上来讲,工件的螺孔攻大,螺栓螺纹直径偏小也会出现这种情况,但在实际生产中,这种情况出现的机率极小。

4.其它应当商讨的问题:

⑴ 我们认为的“拧紧扭矩值偏小”,是不是真正的偏小?

讨论这个问题必须针对具体实例,我们以缸体(缸体主轴承瓦盖)自动拧紧机为例:

工艺规定:拧至41NM再转90°,其终止扭矩的上限不超过130NM ,下限不低于90NM。而在有一段时间内,工艺部门把扭矩的下限值修定为:不低于100NM和105NM,在此期间内,时而出现扭矩值偏小情况(即达不到100NM和105NM)。 我们在这里再特别强调一下前面已经介绍的如下几个问题:

① 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,人们采取了上述几种方法予以间接控制。

② 扭矩控制法:由于只能对于扭紧的扭矩进行控制,而这个扭矩与螺栓轴向预紧力的关系受摩擦阻力影响较大,即同样大小的扭矩其螺栓的轴向预紧力可能相差很大。

③ 扭矩-转角控制法:摩擦阻力的不同,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,摩擦阻力对螺栓轴向预紧力的影响已不复存在。

综上可知,螺栓连接需要的是被连接体间的压紧力,扭紧的扭矩虽然与压紧力成正比,但其比例系数随摩擦系数的不同,离散度较大。即扭矩的大小并不能确切地反映出压紧力的大小,同一状况的连接体,由于摩擦系数的影响,以至扭矩相差很大,而压紧力却相差不大;而不同状况的连接体,由于摩擦系数的影响,可能扭矩大的还没有扭矩小的压紧力大。如若螺栓和被连接体螺纹的螺距精度可以保证,那么,拧紧的转角的精度就可以保证压紧力的精度了。

因而,作为扭矩-转角控制法,只要确保起始扭矩和控制转角精度就可以了。至于扭矩也并不是一点也不考虑,主要是把它作为一个监视值来作为参考(用以发现扭矩偏大或偏小中的问题),因而扭矩上下限的范围不宜太小。否则,本来没有问题的拧紧也被当做有问题的看待了。

从上述情况来看,在扭矩-转角控制法中,过于看重或提高下限扭矩的实际意义是不大的。实际上这台缸体主轴承瓦盖拧紧机,出厂工艺规定:拧至41NM再转90°,其终止扭矩上限不超过130NM ,下限不低于78NM。对于这个扭矩范围,是根据前序有关加工、螺栓等综合情况对拧紧扭矩的影响而制定的。 再如,连杆瓦盖拧紧机,查原始工艺参数的记载:拧至54NM再转90°,其终止扭矩上限不超过160NM ,扭矩下限不低于40NM。这个工艺参数乍看起来很矛盾,它是拧至54NM再转90°,其终止扭矩下限怎么能低于40NM呢?其答案是:正因为它不可能低于40NM,即在这里其拧紧的扭矩在工艺上是不考虑的,只要满足其拧至54NM再转90°就可以了。它限制其终止扭矩的上限不超过160NM是一种保护措施。

综上,目前我们所认为的“扭矩值偏小”的问题,希望大家广泛讨论,深入探讨,踊跃提出宝贵意见。

⑵ 对于不同型号的同种工件,在同一台拧紧机上拧紧,拧紧机上显示的扭矩相同,而人工检测却相差较大。 这个问题也是笔者亲身所遇,突出表现在发动机上罩盖的拧紧机上,其上罩盖分为二种,其中一种为铝合金(铸造的);另一种为钢板的。当天是混流生产,在先装配50台铝合金上罩盖的过程中,其中4#、5#拧紧头显示扭矩12NM,而人工检测为14-16NM,其它7个拧紧头的扭矩均与人工检测值相符(该拧紧机共9个拧紧头)。用扭矩校准仪校准,9个拧紧头的扭矩均相符,即拧紧机没有问题。而当这50台发动机装完成后,上罩盖恢复使用原来钢板的,4#、5#拧紧头显示扭矩12NM,又与人工检测值相符了。

为什么只是4#、5#拧紧头所拧的螺栓,其扭矩在人工检测时偏大呢?较为引人注目的一点是:4#、5#拧紧头所拧的螺栓及在铝合金罩盖上的摩擦痕迹如图(a),其它螺栓及在铝合金罩盖上的摩擦痕迹均如图(b)

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 对比图(a)与(b)可见,4#、5#头拧紧的摩擦痕迹是面(而其它头是点),在拧紧进行中为动摩擦,其摩擦阻力与其它头相比差值不大。而人工检测时为静摩擦,其摩擦阻力比其它头大的较多,扭矩之差就显现出来了。然而用铁罩盖时4#、5#头为什么扭矩不大呢?其原因是铁罩盖表面有一层漆,光滑的漆表面使其静摩擦阻力也相差不大了。

从上述分析来看,在拧铝合金罩盖时,4#、5#头在人工检测时,扭矩虽然偏大,但由于拧紧机正常,故不应当按人工检测工件的结果来修正拧紧机的。