屈服區域轉角扭矩法擰緊系統

鄭友存

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

屈服區域轉角扭矩法擰緊系統

鄭友存

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

針對發動機關鍵螺栓，采用屈服區域轉角扭矩擰緊法，考慮擰緊工藝參數的選擇確定、軸向預緊力的超聲波測量以及擰緊過程質量控制的整個過程，建立一套可靠的擰緊系統。

螺栓預緊力擰緊工藝超聲波軸力測量

1 前言

螺紋連接作為發動機中最為普遍的緊固方式，其連接質量直接影響著整車安全性、動力性及功能性。各大主機廠都對螺紋尤其是重要螺紋的緊固系統十分重視，對軸向預緊力的控制、擰緊工藝及質量評價等方面作了大量的探索。

然而，最近幾年，很多發動機廠家及擰緊設備供應商均面臨一個新的課題，即考慮到成本投入及柔性化要求，越來越多的廠家采用柔性擰緊設備，對螺栓組進行分步擰緊。在這種情況下，控制預緊力的離散性更加困難，再采用傳統的擰緊工藝及質量評價手段就顯得有點力不從心。

本文重點介紹屈服區域轉角扭矩擰緊法[1]，從柔性擰緊機構、螺栓的受力分析、擰緊工藝參數確定、預緊力測量以及質量控制等方面展開探討。

2 柔性擰緊機構介紹

柔性擰緊機通常采用可變距的擰緊軸組，對螺栓組進行半自動或全自動分組擰緊，也有些采用機器人帶擰緊軸來擰緊螺栓組。

圖1和圖2是我公司目前在使用的2種缸蓋螺栓擰緊機，10軸及4軸的擰緊機。

圖1 10軸擰緊機擰緊順序

10軸擰緊機的擰緊動作如下：第1#組①~⑩軸同時擰緊；然后①、②軸停止，用伺服機構帶動③~⑥、⑦~⑩擰緊軸組，進行第2#組擰緊，完成4缸發動機缸蓋18個螺栓的擰緊過程；6缸發動機則再行進到第3#組擰緊，共26個螺栓。擰緊機本體通過①、②軸帶動與工件同步進行流水作業，①~⑩軸通過變距可以實現4缸和6缸2個系列發動機缸蓋螺栓的擰緊功能。

4軸擰緊機的擰緊動作如下：①~④軸同時擰緊，通過人工操作，依次進行1#~5#組（對于4缸機），或1#~7#組（對于6缸機）的擰緊，其中擰緊第5#組(4缸機)和第7#組(6缸機)時，③、④軸自動停止工作。

圖2 4軸擰緊機擰緊順序

3 螺栓連接的基本概念

3.1 螺栓連接的受力模型

有別于傳統的螺紋連接受力模型[2]，考慮載荷偏心而帶來的附加彎距作用的受力模型如圖3所示。當外部載荷在0~FA之間變化，連接從受力開始時，沿V-H直線呈線性變化，從H點連接開始分離，從V-H直線逐漸彎曲與直線S-J相交。圖中的實線代表低預緊力FM1，虛線代表高預緊力FM2，可以表明，在高預緊力情況下螺栓承受的載荷變化幅度FSA2低于低預緊力下的變化幅度FSA1。因此預緊力不但直接影響殘余預緊力的大小，還影響螺栓的動載荷應力幅，從而影響螺栓的連接質量及疲勞強度[3]。

圖3 偏心連接、偏心受力模型

這一理論導致螺栓連接的研究進入到對預緊力的控制及減少離散性的研究，相應發展出轉角扭矩法（簡稱轉角法）、屈服法等旨在有效控制預緊力的擰緊方法。屈服區轉角扭矩擰緊法由于能實現比轉角法更好的預緊力離散性控制，因此被越來越多的廠家在發動機重要部位的螺栓所采用。

3.2 屈服區域轉角扭矩擰緊法

所謂屈服區域轉角扭矩擰緊法，即采用“扭矩+轉角”的擰緊工藝，將擰緊力最終控制在螺栓屈服點之后附近的適當位置，如圖4所示。

圖4 屈服區域扭矩角度擰緊法

對于轉角法擰緊工藝，在扭矩控制階段，初始扭矩產生的預緊力變化與摩擦系數直接相關。由于摩擦系數受螺紋材質、表面處理、加工精度、潤滑狀態、擰緊速度、溫度等因素影響很大，因此在本階段預緊力的離散性很大；進入轉角控制后，在彈性范圍內，預緊力的變化與聯接體的相對剛度有關，摩擦系數理論上對其沒有影響，預緊力比較穩定；進入屈服區后，預緊力的變化主要與螺栓的強度有關，而且由于斜率減小，同等角度變差，在屈服區域帶來的預緊力變差遠比彈性區域的小，因此預緊力離散性大大減小。所以，對于要求預緊力充足且均勻的螺紋聯接，越來越多的廠家采用屈服區轉角扭矩擰緊工藝。

4 擰緊參數的確定及預緊力測量

4.1 扭矩及角度的確定

為了達到良好的預緊力控制，采用屈服區轉角扭矩擰緊法必須對扭矩、角度等工藝參數進行充分的計算、試驗與調整。

首先，按照螺栓受力、數量及強度等確定螺栓所需預緊力的范圍，然后依據螺栓彈性特性、擰緊特性、墊片的承載特性試驗及擰緊工具的狀況對擰緊工藝進行初步計算及試驗。螺栓起始扭矩一般為貼合點的扭矩或超過貼合扭矩，保證在轉角控制開始時螺栓及被聯接件變形均勻和穩定，以便在施加轉角控制時螺栓的伸長量更加穩定。轉角θ可以按下式進行初步計算：

其中，p為螺距；ΔL1、ΔL2、ΔL3分別為在轉角θ區域所對應的預緊力F2作用下螺栓、被連接件和墊片的變形量。

由于實際裝配條件與試驗條件存在差異，比如螺紋的個體差異，而且考慮到采用柔性擰緊機對螺栓組進行先后擰緊時，螺栓之間的預緊力還會互相影響。因此，為了獲得均勻分布的預緊力，必須現場對預緊力進行測試，以實際預緊力達到設計預緊力為準，對擰緊參數進行適當的調整。

4.2 預緊力的測量

實際生產中對預緊力的測量，可以采用超聲波預緊力儀[4~5]，其測量原理見圖5。超聲波從傳感器傳播到螺栓末端過程中，當遇到傳播介質密度的突變，比如螺栓末端，大部分的超聲波反射，反射波通過螺栓被傳感器接收。預緊力儀測出聲波從發出到接收到反射波的時間，除以超聲波的往返次數，再乘以超聲波速度，即可獲得螺栓的超聲波測量長度，用來作為計算的基本參數。由于超聲波的傳輸速度并非固定的常數，材料特性、應力及溫度對其有很大的影響，因此必須通過試驗對超聲波測量長度進行修正，之后可以得出螺栓的實際物理長度，從而可以得到螺栓加載應力導致的應變，再通過預先試驗標定取得的螺栓應力應變關系計算得到螺栓的預緊力。

對于特定受力范圍的螺栓，預緊力儀也可以直接用拉伸儀進行標定，即在試驗室模擬螺栓實際的連接狀況，用拉伸儀測出螺栓的拉力，同時用超聲波預緊力儀測出對應的數值，多次試驗后用回歸分析得出預緊力儀與實際預緊力的關系式，利用這一關系式，實際生產中用預緊力儀可以測得螺栓的預緊力。

圖5同時還顯示螺栓擰緊最終落在彈性區域或屈服區域時的不同測量方式。螺栓擰緊落在彈性區域時，在擰緊前后測量，應力導致的長度變化量為ΔL；螺栓擰緊落在屈服區域時，由于螺栓發生塑性變形，因此在擰緊前后及松開后對螺栓長度進行測量，有效預緊力導致的長度變化量為ΔL＇。

5 擰緊系統質量控制

5.1 預緊力離散性主要影響因素及改善措施

采用以上的現場預緊力測量方式來調整擰緊工藝，屈服區轉角扭矩法能夠減小預緊力的離散性。以本公司情況為例，采用柔性擰緊機，缸蓋螺栓的預緊力CPK值可以達到1.33以上，主軸承蓋螺栓的預緊力CPK值可以達到1.67以上。從其擰緊機理、設備結構等方面進行分析，可以從以下幾個方面進一步提高其過程能力。

圖5 超聲波測量預緊力

（1）提高螺栓材質的穩定性：屈服區扭矩/轉角法最終能獲得的預緊力與螺栓的彈性系數直接相關。

（2）穩定螺紋副的摩擦系數：摩擦系數不但影響著角度起始點的位置，也影響最終實際扭矩的變差。螺紋采用專用緊固件潤滑劑（也稱摩擦系數穩定劑）進行涂層處理，或在裝配時使用，不但可以大幅度降低摩擦系數，還可以降低摩擦系數的變差[5]。

（3）提高擰緊機自身的穩定性及剛性：有些柔性擰緊設備在擰緊軸上帶有一些齒輪傳動機構以及中心距變距機構，扭矩傳遞損耗比較大，再考慮到摩擦系數因素的影響，最終實際扭矩的相差比較大，因此擰緊軸承受的反作用力無法做到完全的同步及平衡。這種擰緊軸之間的相互影響將造成扭矩及角度控制的離散性增大，因此要選用足夠剛性的擰緊系統，設計帶有承受反作用力的機構更好。

（4）選擇合適的擰緊工藝步驟及參數也可以降低預緊力離散性，比如采用反復預擰緊、松開、再擰緊的多步驟擰緊方式，并且選擇合適的擰緊速度、加速度、同步等待處理等等。

5.2 擰緊過程質量控制

對擰緊質量的日常管理，很多企業通常定期用傳感器對擰緊機扭矩、角度進行動態校準，采用事后檢查法對螺栓連接的質量進行評價，即在裝配結束后，采用指示式扭矩扳手以抽檢的方式進行擰緊扭矩測試，看其是否落在x±3s的控制范圍內。以上方法操作方便，有一定實用性，但局限性也很大，不但對實際擰緊的預緊力缺乏直觀檢測評價手段，而且對擰緊過程缺乏實時監控，因此可以采用以下方法進一步完善。

1）擰緊系統的統計過程控制

設定合理的抽檢頻次，例如每班2次，用上述的超聲波預緊力測量法進行抽檢，并采用如Xbar-R等統計過程工具，對抽查結果進行控制管理，可以對擰緊系統狀態及變化趨勢進行有效監控。

一般情況下，超聲波預緊力儀對被檢測螺栓的頭部及末端的粗糙度都有特別的要求，因此檢測用螺栓需要事先準備，可以在每批螺栓隨機選擇需要的數量，進行端面精車或研磨等。

對于缸蓋等數量較大的螺栓組，考慮到檢測成本，可以對不同位置的螺栓進行編號輪次抽檢，以便全面監控。

2）擰緊步驟中的實時監控

對擰緊過程中的各個階段，可以通過設置控制值與監視值參數進行實時監控，如圖6所示。通常可以按照表1進行設置。監視參數通過統計方法來確定，即測量大量合格的螺栓擰緊數據，得到監視參數的平均值及標準差s。監測范圍則根據實際“虛發”報警情況再進行適當調整，通常可取x± 3s~4s。

圖6 屈服區轉角扭矩法的擰緊過程監控

表1 擰緊各階段參數設置

5.3 擰緊系統的防錯控制

為了達到關鍵螺栓擰緊的零缺陷，對擰緊過程還需要采取必要的防錯措施。擰緊過程如果采用全自動操作，防錯控制比較容易實現。但有些柔性擰緊機采用半自動或人工作業，比如前文所提到的4軸缸蓋螺栓擰緊機即采用人工操作，因此必須對擰緊結果是否存在重復、遺漏，以及擰緊順序是否正確等采取有效的防錯措施。

（1）重復擰緊的防錯很簡單，在上文的1#預擰階段設置合理的認帽扭矩即可。比如有些螺栓已經用風動扳手預先打緊，最大扭矩不超過50 N·m，那么可以設定認帽扭矩為70 N·m，認帽過程中如果超過70 N·m即判斷該組螺栓已經擰緊過。

（2）遺漏防錯可以采用計數器，在預定的時間內沒有完成規定的合格次數即報錯。比如設定缸蓋螺栓在3 m in之內必須合格地完成26個螺栓的擰緊，超過時間即報漏擰。

（3）擰緊順序的防錯，可以采用位置傳感器，比如上述的4軸缸蓋擰緊機，可以安裝7個傳感器。用于6缸機氣缸蓋螺栓擰緊時，必須按從1#到7#正確的工藝順序操作，否則擰緊機不能正常工作。

（4）為了便于目視檢查，可以在擰緊軸上裝噴墨印裝置，每合格擰緊一軸即自動在工件上作標記，便于檢查確認。

（5）擰緊防錯系統可以采用聲光報警，也可以與裝配線控制單元進行通信，作不放行或停線等控制處理。

（6）對安全關鍵的螺栓，建立以發動機流水號為索引的擰緊數據庫，對擰緊過程的數據實時進行記錄，不但便于事后追溯，也有利于進行統計分析。

為了保證對報警信息作出及時、正確的應對處理，本公司在每天擰緊工作完成時，打印擰緊匯總報表，并由相關人員進行簽字確認，對異常情況進行及時處理，如表2所示。

表2 發動機擰緊情況日報表

6 結束語

螺栓擰緊是一個復雜的系統，要實現螺栓擰緊過程的精確、可靠的控制，不但要保證螺紋質量的穩定，選擇可靠的擰緊設備，還需要不斷完善擰緊理論研究、擰緊控制方法、測量手段以及質量管理手段。經過實際生產的驗證，對發動機關鍵螺栓的擰緊而言，采用屈服區扭矩角度法擰緊系統是有效、可靠并且相對經濟適用的。

1張瓊敏.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝研究[J].汽車科技，2003(02).

2楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業出版社，1981.

3顧永生主編.現代轎車先進制造工藝[M].上海：上海交通大學出版社，1998.

4 StressTel.Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners[Z].Part No.021-002-175 Rev.B.

5水口義久，名和輝好.超音波による締結狀態下のボルト軸力測定[J].非破壊検査，2005，54（7）.

Study on Yielded Torque-Angle Tightening System

Zheng Youcun (Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China)

A yield torque-angle tightening m ethod is applied to key engine bolts.To control tightening quality,a reliable tightening system is developed by considering torqueangle control（yielded area）parameters,ultrasonic measurement of clamping load and tightening process control.

bolt,clamping load,tightening process,ultrasonic loadmeasurement

來稿日期：2009-04-04

鄭友存(1977－)，男，本科，主要研究方向為發動機工藝技術管理及應用。