Desoutter：常见螺栓拧紧策略白皮书

常见螺栓拧紧策略 三、拧紧策略 （一）扭矩控制...·04-05(二）角度监控+扭矩控制.......06-07(三)扭矩斜率.....08(四)落座扭矩.....09-10（五）摩擦力矩监控.....11-12（六）屈服点拧紧.....13-14 四、螺栓连接的分类..·.15-17 五、拧紧精度评判依据...18-19 一、拧紧原理 螺栓连接因其方便拆装、可重复利用等特点，被广泛应用在制造业的各个领域。螺栓连接到底是什么原理？影响其连接的主要因素是什么？用什么方式来保证螺栓连接的有效性？在讨论螺栓连接的时候，我们通常会遇到一个词“扭矩”，那扭矩又是怎么来的呢？ 螺栓连接通常包含螺栓、连接件和螺母（如果螺纹孔不是通孔，那就没有螺母）等部件。螺栓连接的目的是让原本两个分离的连接件按照工艺的要求装配到一起(不发生相对位移，从此变成好基友，形影不离）。 2．为什么旋转螺栓就可以达到这样的目的？因为在螺栓旋转过程中，螺帽／螺母会逐渐与工件贴合。贴合后再旋转螺栓，螺栓就会被拉伸，同时被夹紧的工件（下图中的连接件）就会产生和拉伸方向相反的反作用力－夹紧力，而夹紧力才是能直接衡量连接的状态的变量（其实吧这原理和橡皮筋一样一样的）。 3.夹紧力是螺栓拧紧的目标、目标、目标（重要的事情说三遍）！而螺栓在被旋进的过程中，能够直接被拧紧工具测量的变量是扭矩。这也就解释了：为什么明明夹紧力是直接衡量连接质量的变量，但往往我们在紧过程中得到的却是扭矩。 一、拧紧原理 4．螺栓连接影响因素一摩擦力，同样的连接、同样的扭矩，会因为摩擦力的不同而导致夹紧力的不同。5-4-1原则则很简单的阐述了摩擦力在螺栓连接中的影响。 所以在螺栓连接中，拧紧的最终目的是夹紧力，扭矩只是我们获得夹紧力过程中不可或缺的一个变量。 二、如何测量螺栓夹紧力 夹紧力是拧紧的自标，合适的夹紧力可以提高螺栓连接的可靠性，紧密性和刚性。夹紧力过高或者过低都会导致连接失败。那如何测量夹紧力呢？有两种方式：直接测量和间接测量 直接测量 1.直接测量1-测力螺栓： 采用电阻应变计测量应力的方法，把螺栓直接作为测力元件的传感器，以最直接的方式将作用在螺栓上的力测量出来，结构简单，测量准确。 这种方式优点很明显，测量夹紧力很精确。缺点是：测力螺栓因为加装传感器的原因，内部结构（传感器往往被安置于螺栓内部）会和实际生产过程中的螺栓不一样，造成测量得到的数据和实际有一定的误差。且无法大规模生产，价格昂贵。 2.直接测量2-环形垫圈： 环形垫圈也是同样采用电阻应变片的方式，环形垫圈放在连接件中间或仅使用环形垫圈，在显示器上可以直接读出环形垫圈所受的夹紧力。 所以环形垫圈使用简单。但是螺栓和环形垫圈之间的摩擦系数和螺栓与工件的摩擦系数会不同，同时使用了环形垫圈，连接的特性也会发生该变，这就造成了夹紧力和扭矩之间的对应关系会有偏差。 间接测量 1．间接测量-超声波： 超声波测量夹紧力是利用螺栓被拧紧后会有伸长，而螺栓长度的变化对应了螺栓产生的夹紧力。超声波测量有不改变连接直接测试夹紧力的优点。 部分较老的超声波测量方法，测量前必须把螺栓的两个端面磨平，否则会影响测量准确度。所以在实际工位测试完毕后，必须把磨平的螺栓取下来，使用正常的螺栓再装配。因为螺栓 的端面被磨平后，没有了表面处理和涂层的保护，螺栓失去了防锈的功能。 以上的几种方式都可以很准确的测量夹紧力，但不适合大规模生产时应用，因为这几种方式成本很高，效率很低。那如何在生产过程中有效控制夹紧力？详见：《常见螺栓拧紧策略》 三、拧紧策略 （一）扭矩控制 扭矩控制或者称扭矩法是最为常见的拧紧策略，也是最容易实现的。 扭矩控制 设定一个扭矩数值目标，然后使用动力工具或手动扳手去实现拧紧。 实现扭矩控制的工具有很多，无论是气动和电动工具、甚至是手动扳手都可以实现，只是对于扭矩控制的精度有不同。值得一提的是：如何在拧紧结果超出上下偏差(拧紧不合格)的时候有明确报警信息？那就只有电动工具可以最直接的输出这些信息。 扭矩控制＋角度监控 这种拧紧策略本质还是扭矩控制，只是在扭矩控制基础上加了角度监控。 角度监控范围可以跟扭矩范围形成一个合格的窗口，就如图中所示。其目的是检测出像错牙，滑扣这些情况。因为这种情况下，虽然扭矩是达到了，但是因为拧紧的过程中这些情况转动的角度和正常的连接不一样，所以可以通过角度监控来监控不合格报警。这种策略可以由电动工具或带有陀螺仪的数显扳手实现。 三、拧紧策略 总结 无论是扭矩控制，还是扭矩控制+角度监控，都无法克服螺栓连接中因摩擦系数不同而带来的夹紧力的不同。正因为这样，扭矩法对于螺栓的利用率很低50%-60%，最终扭矩落在螺栓的弹性形变区，且该状况下，螺栓一般允许重复使用。因此在实际的螺栓装配过程中，要注重最终扭矩的精度，同时也要关注连接中的摩擦系数，避免摩擦系数的不合理波动，比如：螺栓的浸油状态是否不同，螺栓表面处理是否发生变化,是否增加或减少了垫圈等等这些情况。 三、拧紧策略 (二）角度控制+扭矩监控 除了扭矩控制策略之外，角度控制也是我们常见的另外一种拧紧策略，主要是被用在一些关键连接部位，例如：发动机缸盖，汽车底盘的部分工位等。 通常见到的角度控制策略的额工艺文件是这样的：20Nm+60°，不难看出在这样的一个工艺要求里，包含了两个部分：起始扭矩+旋转角度。也就是说，第一步是扭矩控制螺栓达到起始扭矩后，切换成第二步角度控制，即再让螺栓转动一定的角度。 参考右侧公式解读，是不是能更好理解了角度控制这种策略了？ Q=夹紧力=螺栓贴合拧紧力=螺栓随转角增加的夹紧力=螺栓弹性系数=螺距=螺栓转角 那背后的原理是什么呢？ 角度策略应用原理就是当螺栓被拉伸一定程度后，其张力和螺栓转动的角度成线性关系，即我们所说的弹性变形区域。所以角度法的第一步扭矩控制，是为了让螺栓进入弹性曲线，这个是很重要的，然后在此基础上转动一定角度，进而达到精确控制夹紧力的目的。下图很好的向大家展示了弹性区间和塑性区间的含义。 三、拧紧策略 角度控制拧紧策略，监控扭矩的意义是什么？ 扭矩监控是用以保证转角法工艺的安全，扭矩下限：检测出螺栓拉断或者强度不足报警；扭矩上限：检测出螺栓扭断或者摩擦系数太高。 总结 角度控制策略相对容易实现，过程也容易监控，螺栓的利用率也提高了，甚至有些螺栓可以提高到屈服点；对于连接的夹紧力有很好的控制范围。但是其实现的成本较高，工具也要同时具备检测扭矩和角度的功能。 三、拧紧策略 （三）扭矩斜率 扭矩斜率法可以单独用作拧紧的控制策略，也可以作为监控手段，比如使用扭矩拧紧+扭矩斜率监控作为拧紧策略，扭矩斜率无论是作为控制策略还是监控策略都会对拧紧的效率和质量有很高的提升。 扭矩斜率是指扭矩和角度的比值。螺栓拧紧过程中其斜率并非一成不变的，螺栓在弹性区域时，螺栓的变化是线性的，那斜率就是常数，到塑性区域时，是个曲线。 所以从弹性区域到塑性区域，再到螺栓失效的整个过程中，扭矩斜率变化是常数---降低---负数。 右图很好的解释了，在常见的螺栓拧紧中扭矩斜率的变化情况。空螺纹旋进阶段，扭矩斜率变化较小；贴合时扭矩斜率瞬间增加，当然这个也是螺栓的拧紧的特征点；而后螺栓进入线性阶段，扭矩斜率为常数；进入塑性区间时，扭矩跟角度不再是线性关系，此时扭矩斜率迅速下降。 前文我们提到，斜率既可以作为控制变量，也可以作为监控变量。当扭矩斜率作为监控手段时，只要设定一个最大、最小扭矩斜率，在拧紧完成后检测扭矩斜率是否超出了监控范围即可。扭矩斜率监控可以把瞬间扭矩到达目标值等这些情况检测出来，如错牙，乱扣，螺纹有铁屑等，比角度监控更准确。但 在拧紧时，可以同时兼具这两种监控方式而达到更有效的防错。 总结 使用扭矩斜率控制可以很好地利用螺栓强度，但同时对于螺栓自身的屈服强度及抗拉强度有严格的要求。作为拧紧中的监控策略可以检测出拧紧中的异常，但是需要工具同时具备扭矩和角度的检测功能。 三、拧紧策略 (四）落座扭矩 在拧紧自攻螺栓时，是否遇到过这种情况：螺栓正常拧紧，扭矩到了，但是螺栓没有到贴合面！那加上角度监控是不是有用呢？对于图片中的这种情况，角度监控的效果并不会很明显（因为监控的范围太窄，会产生很多误报警，太宽会漏掉不合格的拧紧） 那如何解决呢？ 落座扭矩拧紧策略就可以有效地解决上述问题，落座扭矩是结合了扭矩斜率和扭矩控制或角度控制的一种高级拧紧策略。 自攻螺栓跟我们常见的带有螺纹的机牙螺栓最大的不同点是贴合点变化较大---即自攻钉的贴合点会因工艺底孔材料深度孔径一致性螺纹咬合比等多种因素不同而不同。而落座扭矩策略就是通过扭矩斜率的变化准确的找到螺栓拧紧时的贴合点---也叫落座点。 第二步则是在落座点之后直接拧紧至目标扭矩，或者在落座点基础上进行一定扭矩角度的叠加。也就是我们经常说的有无偏移模式。 三、拧紧策略 总结 落座扭矩适合于自攻钉等的应用，在应用前必须采集尽量多的样本，包括拧紧曲线，在此基础上设定合理的螺栓落座时的扭矩斜率和叠加扭矩或角度。 若是落座后叠加固定的扭矩／角度，则最终扭矩会比较分散，如上图所示，主要是因为攻螺纹是扭矩不同和落座点扭矩不同。所以在过程能力计算时，不能以最终扭矩来计算。这也是我们习惯使用了扭矩拧紧后的思维习惯误区。 三、拧紧策略 (五）摩擦力矩监控prevailingtorque 摩擦力矩监控---prevailing torque。一般应用在回转力矩的检测及螺栓拧紧过程监控（尤其是自攻钉）等。常见的机牙螺栓拧紧曲线如下，在螺栓和工件未贴合之前，扭矩非常小。 但有些螺栓拧紧的曲线却大不相同。 尼龙螺母，涂有防松胶的螺栓，自攻螺丝等都是类似的情况，比如自攻螺丝，在螺栓和工件贴合之前，已经有比较大的扭矩（这里指的是和最终扭矩相比，比例比较大），而这个扭矩主要是自攻钉攻丝时产生的，并没有产生夹紧力。如果把同种规格的自攻螺栓和机牙螺栓使用同样的扭矩策略拧紧，就会造成夹紧力不足或不稳定。影响自攻扭矩的影响因素有很多：底孔直径、杂质、底孔材料、拧紧工艺、环境等。例如相同的连接和螺栓，但底孔孔径有差异，那么攻螺纹时的扭矩也是不一样的。那如何来监控自攻过程的扭矩是否在合理的范围之内呢？ 三、拧紧策略 摩擦力扭矩是用来监控自攻过程的常见手段，在选定的拧紧过程角度内进行持续扭矩检测，计算出平均值（也可以取最大值或最小值）。如下如所示： 在此基础上，再叠加最终的拧紧扭矩（这个扭矩是让螺栓产生夹紧力的）。比如对于一个连接，拧紧的目标扭矩是8Nm，如果攻螺纹阶段的平均力矩是1.038，那最终实际的力矩就是8.055+1.038=9.094Nm，（8.055是因为拧紧中的偏差造成），如下图所示。 总结 对于螺栓和工件还没有贴合，就产生了较大扭矩的情况，在使用拧紧策略时必须要注意一般的扭矩法已不适用，必须使用合理的拧紧策略，避免夹紧力的不足。摩擦力扭矩除了监控拧紧过程，还可以用来检测一个部件装配完成后转动时的回转力矩，比如检测发动机的曲轴回转力矩。 三、拧紧策略 （六）屈服点拧紧 屈服点拧紧策略也是由扭矩斜率演变而来，可以说是扭矩斜率控制的一种特殊形式。屈服点法利用了材料从弹性变形区向塑性变形区过渡时的扭矩斜率变化特性。但屈服点策略的使用同样要进行严格的试验或检测，以防螺栓\螺纹损坏或断裂。 如之前介绍，在螺栓与工件贴合时，扭矩斜率瞬间快速上升；进入线性区间之后，扭矩斜率保持恒定（螺栓弹性区域）；但超过弹性区间后，其扭矩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，当其扭矩斜率下到最大值的二分之一时），说明螺栓已达到屈服点。这就是所谓的屈服点拧紧的原理。所以在整个拧紧的过程中，设备一直在计算扭矩斜率，把弹性变形区域阶段的扭矩斜率作为参考斜率，把该参考斜率数值的50%作为目标扭矩斜率。 三、拧紧策略 那仅仅使用这两个扭矩斜率值就可以了吗？显然不行！还必