擰緊技術及其在裝配質量管理的應用

黃積澤

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

擰緊技術普遍用于機械制造業中，但對螺紋連接的擰緊工藝及設備分析不夠透徹，經常發生螺紋實際擰緊工藝未達到設計要求。為解決這個問題，國外在擰緊方法進行研究，純粹扭矩控制法及扭矩+角度控制法應運而生。本文主要論述擰緊的基本知識以及擰緊工具的選擇與應用，著重介紹了擰緊方案的選擇及運用，為提升擰緊工藝及裝配質量提供了一些參考。

1 擰緊技術

1.1 擰緊的基本概念

工件與工件的連接有不同的方式，其中螺栓緊固連接是較普遍的一種，使用螺栓緊固連接需要用到擰緊技術。工件使用螺栓緊固連接的作用就是使工件與工件之間緊密貼合，并可承受特定作用力，形成相應的貼合力，以確保工件與工件之間連接的可靠性。

1.1.1 緊固過程中相應變量的變化趨勢

螺栓緊固時，其受力情況為：螺栓受拉，工件受壓（見圖1）。然而在緊固的過程中，工件受力的大小是不同的（見圖2），可分為以下幾種情形：

（1）剛開始緊固時，螺栓尚未與工件接觸，壓緊力F為零；由于螺紋副本身摩擦力的存在，扭矩T呈現出較小的值。

（2）當螺栓與零件開始接觸時（Z點），此時開始正式緊固，壓緊力F與扭矩T隨螺母/螺栓轉動角度的增大而急速增大。

（3）當T增大到屈服點時，螺栓產生朔性變形，角度增加量ΔA上升而壓緊力和扭矩增量ΔF或ΔT變化不大，增量約為零。

（4）持續往下擰緊，力矩T和壓緊力F減小，直至螺栓斷裂。

圖1 螺栓緊固受力分析圖

圖2 壓緊力與擰緊轉角關系圖

1.1.2 螺紋副摩擦與擰緊力矩對壓緊力的影響

在擰緊工藝中，想要的是擰緊夾緊力F，而實際測量的是扭矩T，如圖3所示。

圖3 螺栓扭矩與夾緊力示意圖

從圖4的T-F曲線圖中可知，取相同力矩T時，根據摩擦系數μ的不同，壓緊力F存在相差較大的情況。由此可知，摩擦系數μ變化時，壓緊力F也隨之變化，μ值的不同可能會導致F值相差甚遠。以上所提的摩擦系數μ主要是指螺母與螺紋之間的接觸面、螺栓/螺母與零件間的摩擦系數。

圖4 扭矩與壓緊力關系圖

在一般的擰緊過程中，約90%的扭矩用于克服螺紋副之間的摩擦力，約只有10%的扭矩有效轉化為夾緊力，如圖5所示。

圖5 螺栓扭矩與夾緊力轉換關系圖

夾緊力與摩擦力的關系以及摩擦力對夾緊力的影響詳見圖6、圖7。

圖6 夾緊力與摩擦力的轉換關系圖

圖7 摩擦力-夾緊力曲線

1.1.3 螺栓擰緊的特性

在擰緊過程中，扭矩增加不能超過螺栓允許的最大值，扭矩超過螺栓允許的最大值時會使螺栓過度拉長，超過抗拉強度極限，從而使螺栓斷裂，如圖8所示。

圖8 扭矩/夾緊力-旋轉角度曲線

1.2 螺栓擰緊的常用方法

1.2.1 純粹扭力控制法（T）

純粹扭力控制法是只監控扭矩的擰緊方法，即當擰緊扭矩達到目標扭矩時直接停止擰緊。螺栓緊固時，軸向力F與扭矩T是正比關系，其關系為：T＝K·F，其中K為扭矩系數，由螺栓頭/螺母與零件接觸面之間、螺母與螺紋副之間的摩擦系數μ來決定。K大小可用下列公式估算：

式中:p為螺紋的螺距；μ為綜合摩擦系數；d2為螺紋的中徑；De為支承面的有效外徑；Di為支承面的內徑。

當螺栓和工件設計完成后，p、d2、De、Di均為確定值，而μ值隨表面光滑度的不同而不同。所以，在緊固過程中主要影響K值波動的因素是綜合摩擦系數μ。

圖9 扭矩-角度曲線

采用純粹扭力控制法擰緊，施加扭矩時，實際的設定扭矩常常是屈服扭矩的50%～85%，主要作用于栓緊彈性區間，施加的扭矩中約90%被摩擦力消耗。

1.2.2 扭矩+角度控制法（TA）

扭矩+角度控制法是將螺栓擰到一個規定的扭矩值，并以此為起點擰至一個設定的角度的控制方法。采用該方法擰緊時，設定初始扭矩（Ts）的目的是擰緊過程中先使零件表面與螺栓或螺母完全接觸，克服一些工件表面凹凸不均勻的因素，擰緊工件軸向力主要是在螺栓轉動角度中取得。從圖10中分析可知，摩擦阻力（摩擦系數）不同僅影響計算轉角的起點，并將其影響延續到最后。計算轉角時，摩擦系數影響較小，可忽略不計，對工件軸向力影響較小。因此，其擰緊精度比純粹扭力控制法高。

由圖10可知，影響扭矩+角度控制法精度較大的是計算角度的起始點，即與Ts對應的S1（或S2）點。其缺點是較難確定規定扭矩和角度這兩個參數，較難找出合適的方法對擰緊結果進行復檢防錯。

圖10 摩擦系數對扭矩、角度關系的影響

1.3 動態扭矩與靜態扭矩

1.3.1 動態扭矩

動態扭矩是指連接零件在擰緊過程中測算得出的最大值，通常是由擰緊工具施加得到的扭矩，其是在擰緊過程中動態測量的。

1.3.2 靜態扭矩

靜態扭矩是零件擰緊完成后，順著擰緊方向繼續旋轉的瞬間所需要的扭矩，其是在擰緊完成后測量所得到的數值。

1.3.3 硬連接與軟連接的概述

硬連接是指扭矩或夾緊力與轉角或時間的關系曲線比較陡，即擰至設定扭矩時所需的時間較少或轉角較小。對于硬連接的螺栓模擬器，測試扭矩從10%增加到100%的過程中，對應的轉角應小于27°[1]。

軟連接是指要將螺栓轉動較大角度方能完成擰緊過程即擰至設定扭矩時所需時間較長或轉角較大。對于軟連接的螺栓模擬器，測試扭矩從10%達到100%的過程中，對應的轉角應不小于650°[1]。

圖11 轉角與硬連接、軟連接的關系

1.3.4 動態扭矩與靜態扭矩的大小關系

動態扭矩與靜態扭矩的大小有如下關系[2]：

（1）若緊固件衰減較明顯（軟連接），靜態扭矩就小于動態扭矩；

（2）若緊固件衰減（硬連接）較小，靜態扭矩就大于動態扭矩；

（3）若是通常的緊固件（中性連接），靜態扭矩一般約等于動態扭矩；

（4）當所選工具、操作人員、擰緊方法及零件等條件相對穩定時，靜態扭矩檢測值將在一定范圍內變化。

如圖12[2]，軟連接時，由于扭矩衰減的因素，靜態扭矩比動態扭矩要偏小；從表2知悉，硬連接時，由于靜態摩擦力的因素，靜態扭矩比動態扭矩要偏大（圖 13）。

圖12 軟硬連接與動、靜態扭矩的數據統計

圖13 靜態扭矩與靜態扭矩關系圖

1.4 常用的扭矩檢測方式

1.4.1 松開法

采用帶表盤扭矩扳手將緊固好的螺栓松開，記錄螺栓松開時所需的扭矩值。該方式誤差較大，除特殊情況外較少采用。

1.4.2 緊固法

采用帶表盤扭矩扳手將緊固好的螺栓沿擰緊方向施加扭矩，記錄螺栓轉動時所需的扭矩值。該方式誤差在-5%～+25%之間波動，適用于擰緊后小于30 min時的檢測。

1.4.3 標記法

采用記號筆將緊固好的螺栓標記，將螺栓松開后再擰緊至標記處，記錄扭矩值。采用此方式檢測，扭矩誤差一般在-12%～+5%之間波動。可見，此方式的擰緊精度高于緊固法及松開法，但受制于工藝要求（大多要求螺栓不允許重復擰緊），此檢測方式使用較少。

1.4.4 直接測量動態扭矩法

動態扭矩的測量通過扭矩傳感器來測量現在扭矩傳感器已廣泛應用在動力工具上，能更好地確保扭矩精度，提高擰緊品質。

2 擰緊工具的選擇與應用

2.1 公司擰緊工具配置現狀

目前公司各裝配區域的擰緊工具主要為氣動風槍預緊，定扭扳手上緊至最終扭矩和采用電動擰緊工具直接上緊至規定扭矩兩種方式。

2.2 行業內擰緊工具配置現狀

目前行業內裝配區域的主要工具為電動擰緊工具，具備高精度的扭矩及角度要求以及追溯功能。

2.3 深入研究擰緊工具的應用

為滿足高標準的裝配質量要求，實現高精度扭矩、角度監控，擰緊信息存儲、查詢，以及防錯、防漏功能，采用高精度電動擰緊工具是首選。

目前，公司內各主要產線均已經配置高精度電動擰緊軸，如何用好、用活這些電動擰緊工具還需要進行深入的工藝研究。公司內絕大部分的工藝擰緊要求是采用純粹扭矩控制法，部分新產品（如扭梁裝配、后懸架裝配）采用扭矩+角度控制法。

2.3.1 純粹扭力控制法的應用

如前面所述，目前公司內各產線主要采用扭矩控制法進行擰緊，且基本是只監控扭矩，未對角度進行監控。為提升裝配質量，采用扭矩控制法擰緊時，建議扭矩及角度同時監控，這樣可以將部分擰緊缺陷有效暴露，提前識別。如螺栓存在焊渣，若只是進行扭矩監控，有可能存在扭矩達到要求，但是實際上螺栓并未完全貼合緊固件，造成擰緊不合格而漏判的情況；若有角度監控則可將此種失效模式提前攔截，做到不傳遞缺陷。

不同連接件，由于工藝、材料等的不同，所需要的擰緊力矩及監控角度也不同。工藝扭矩一般情況下裝配圖紙會直接給出，這里不做深入研究。對于監控角度的確認，最直接的辦法是通過統計學原理，先收集大量的樣本容量進行分析后確定。如后懸架線卡鉗與輪轂螺栓擰緊，圖紙上只要求擰緊力矩100～130 N·m（115±15 N·m），在設置角度監控前，可以先做樣本容量收集。具體方法如下：

（1）將目標扭矩設為115 N·m；

（2）角度監控起始點設為目標扭矩的60%（該起始點可根據工藝要求進行變動）；

（3）角度監控終點設為目標扭矩的100%；

（4）擰緊工具自動計算出角度值；

（5）此時擰緊工具的角度監控上下限無限小及無限大，只做采集，不做監控判斷。

按以上方法收集出大約100組角度值，進行統計學分析，算出合理的角度監控值范圍，得出角度值上下限，再設置在擰緊工具中，即可進行角度監控。

2.3.2 扭矩+角度控制法的應用

如前所述，扭矩+角度控制法較純粹扭矩控制法可獲得較高精度的軸向預緊力，目前該擰緊方法正越來越普及。對于扭矩-角度控制法的程序設置，可參照以下方法。

（1）認帽：先反轉再正轉，設定轉速5 r/min；

（2）擰至預擰緊扭矩值的1/3：正轉，設定轉速180 r/min；

（3）擰至預擰緊扭矩值的1/2：正轉，設定轉速20 r/min；

（4）擰至預擰緊扭矩值的3/4：正轉，設定轉速20 r/min；

（5）暫停 50 ms：設定轉速 0 r/min；

（6）擰至預擰緊扭矩值：正轉，轉速10 r/min；

（7）擰至目標轉角值：正轉，設定轉速10 r/min。

2.4 自動擰緊與手動擰緊的應用

不管是采用何種擰緊控制法，擰緊工具的選擇均是選用高精度電動擰緊工具，而高精度擰緊工具的操作，主要分為兩種方式：自動擰緊及人工操作電動擰緊工具擰緊。

2.4.1 自動擰緊技術應用

自動擰緊，即所需擰緊工件到達擰緊工位后，由設備帶動高精度電動擰緊工具運行至所需緊固的螺栓處，通過設備PLC反饋信號給電動擰緊工具，擰緊工具按設定好的程序對螺栓進行擰緊。擰緊后退出，通過設定好的軌跡，擰緊下一螺栓。

設備帶動電動擰緊工具運行，目前各大工廠主要流行的方案是采用機器人帶動擰緊工具運行或者采用擰緊專機（雙伺服運行）帶動擰緊工具運行。采用自動擰緊技術的難點是對工件定位精度及一致性要求較高，當工件定位精度較差或工裝一致性較差時，會導致擰緊工具的認帽成功率較低，從而影響擰緊成功率。自動擰緊技術的優勢是省人，降低人工成本，且能排除人工因素帶來的擰緊質量問題。

2.4.2 手動擰緊技術的應用

所謂手動擰緊技術，即通過人工操作電動擰緊工具至所需擰緊螺栓處，完成認帽后，啟動擰緊軸擰緊至工藝要求。采用手動擰緊時，由于擰緊反作用力的問題，一般會在擰緊工具上增加懸掛機構，用于抵消擰緊軸本身的重量及反作用力，降低操作人員勞動強度。

3 結束語

通過系統地了解和學習相關擰緊技術，了解常用的擰緊方法，才能更好地根據實際工藝需求，制定出合適的擰緊方案，更好地服務于生產需求，提升裝配質量。