淺談裝配過程中螺栓擰緊控制方法

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1 前言

螺栓是制造業和國防工業中不可缺少的緊固件是航空、汽車、船舶、鐵路、橋梁、建筑等重要基礎設施的關鍵部件。

為了將許多硬件設備精確地裝配在一起，螺栓需要精確地擰緊。錯誤的擰緊，可能會導致成本浪費，甚至螺栓塑性變形或者斷裂等災難性的后果。螺栓連接的原理以及控制擰緊過程的常用方法，都是看似簡單的，但正確擰緊螺紋緊固件是一個復雜的過程，需要了解螺栓連接的特點和各種擰緊方法。

圖1 螺栓緊固失效工程案例

本文探討了螺栓緊固過程中的力學性能及不同的擰緊控制方法，同時力矩控制方法為例對螺栓擰緊進行了預緊力理論計算、強度理論計算，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

2 螺栓緊固件的力學性能

鋼是工程中廣泛應用于制作螺栓的金屬材料，跟很多其他的金屬材料一樣，鋼是彈性的。對高吞吐量、高精度裝配、高質量產品生產中了解螺栓連接的原理及力學性能極其重要。

2.1 螺栓連接的原理

沒有工作載荷，螺栓只是一個夾緊裝置。在實用上，在螺栓連接裝配中，部件被夾在螺栓和螺母之間（螺栓聯接為例），并絕大多數在裝配時都必須擰緊，即螺栓插入被連接件，利用螺母或內螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產生軸向的拉力，將被夾零件擠壓在了一起，螺栓擰緊時的這種力稱為預緊力。在無外荷載的裝配狀態下，螺栓預緊力與夾緊部件的夾緊力相等但相反，此時的螺栓預緊力稱為軸向拉力。

螺栓擰緊的目標就是施加適當的軸向拉力。理論上，只要產生了足夠的夾緊力，完全可以保證被夾零件在震動、高低溫等惡劣環境下安全工作，而不必使用涂膠等輔助方法。

2.2 螺栓連接的特性

螺栓連接的質量很大程度上取決于對螺栓預緊力的控制。過高的預緊力會導致螺栓產生嚴重的塑性變形，從而導致疲勞或斷裂，不充足的預緊力會引起結構連接的振動、松弛和滑移，從而破壞結構的完整性，影響任何利用螺栓連接裝配設備的正常運行。

圖2 螺栓擰緊原理及連接件中的力

分析螺栓連接應力-應變圖可以知道，σ的作用下，螺栓材料沿其作用方位發生正應變ε。在初始階段，正應力與正應變成正比（圖中之OA），即遵循胡克定律σ=Eε，線性階段最高點A所對應的正應力σ稱為比例極限。超過比例直線后，應力與應變不再保持正比關系。當應力增加至某一定值時，螺栓材料失去抵抗繼續變形的能力，并應力幾乎不變，而變形卻急劇增長稱為屈服。使螺栓材料發生屈服的正應力σ稱為屈服應力或屈服極限。經過屈服階段后，隨著應力的增大螺栓材料重新呈現抵抗繼續變形的能力稱為應變硬化。硬化階段的最高點D所對應的正應力σ稱為強度極限。當應力增長之強度極限σ之后螺栓的某一局部顯著收縮，產生所謂縮頸。縮頸出現后，使螺栓繼續變形所需之拉力減少，最后導致螺栓在縮頸處斷裂。所以精確地擰緊螺栓需要利用好螺栓緊固件的力學性能。

T：擰緊力矩[N·m]、F：軸向力[N]、σ：正應力[MPa]、ε：正應變、E：彈性模量[GPa]、σ：比例極限[MPa]、σ：屈服極限[MPa]、σ：強度極限[MPa]。

3 螺栓擰緊方法

工程實踐中對高吞吐量、高精度裝配、高質量產品等性能要求，使得螺栓緊固過程中的預緊力控制問題日益突出。目前有幾種常用的螺栓擰緊方法，它們的擰緊原理及擰緊質量，精度都不一樣，以下是目前最常用的擰緊方法及它們的優缺點：

3.1 力矩控制方法

螺栓預緊力的大小是通過擰緊力矩來加以控制，比如汽車裝配現場常用定力矩扳手來控制擰緊力矩，當擰緊力矩超過規定值時，定力矩扳手內部機構之間發生打滑。這是一種目前最常用、最廣泛使用的的擰緊控制和操作方式，擰緊方法原理非常的簡單及快速，易于標準化。

圖3 螺栓連接應力-應變圖

但是理論研究的日益深化發展及很多試驗研究結果指出，這種方法存在著一些固有的缺陷。擰緊力矩受摩擦系數、環境、擰緊速度、工具精度、拆卸再擰緊、接觸面特性元素等波動的影響較大，導致應力公差過大，準確性較差。

3.2 轉角控制方法

螺栓擰緊由通過旋轉角度進行管理，旋轉角度從螺栓頭的固定點開始。這種方法從緊貼力矩的特定角度進行擰緊，在塑性區內擰緊，軸向拉力分散較低，操作簡單。但由于擰緊會超出屈服點，因此接頭會受到附加載荷的限制或難以重新擰緊，很難定義擰緊角度。

3.3 力矩梯度法

通過在屈服點處力矩梯度隨旋轉角的變化來管理擰緊，這種變化通過電子裝置進行監測和運算。由于軸向拉力的分散性較小，因此有可能設計出較大的螺栓效率。即使在擰緊之后，也可以檢查螺栓本身，但因在屈服點以上進行擰緊，且擰緊裝置昂貴，因此在使用領域很難采用相同的方法。

3.4 伸長率測量方法

緊固由螺栓緊固產生的螺栓伸長率來控制。伸長率可以通過千分尺、超聲波或螺栓內嵌的測量傳感器來測量。軸向拉力的分散性很小，可以在彈性區域內擰緊，螺栓聯接效率高。可以進行附加加載和重新擰緊螺栓，但是螺栓端面必須精加工，擰緊裝置昂貴，成本高。

3.5 加載方法

通過在螺栓上施加拉伸載荷的同時擰緊螺母，通過釋放載荷后產生的拉力來控制擰緊。軸向拉伸可直接控制，螺栓不產生扭轉應力，但是擰緊裝置和螺栓是特制的，成本很高。

3.6 加熱方法

擰緊由螺栓加熱前后伸長率的變化來控制。擰緊不需要空間和力，但是熱和軸向張力之間沒有明確的關系，溫度設定控制比較困難。

4 力矩控制方法計算案例

力矩控制方法為例，進行螺栓擰緊相關理論計算。

圖4 螺栓副擰緊力矩

4.1 預緊力的計算

裝配時由于擰緊力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被聯接件之間產生預緊力F，擰緊力矩T等于螺栓副間的摩擦力矩T和螺母環形端面與被聯接件支承面間的摩擦力矩T之和。

螺栓副間的摩擦力矩為：

螺母與支承面間的摩擦力矩為：

從（1）、（2）、（3），得：

表1 力矩系數和摩擦系數

對于一定公稱直徑d的螺栓，當擰緊力矩同樣的情況下，按照公式（6）可得螺栓的預緊力：

從案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預緊力浮動在在10416[N]～20833[N]。力矩控制方法受各元素波動的影響較大，導致公差過大，準確性較差。

4.2 強度計算

螺栓的強度計算，根據聯接的類型、裝配情況、載荷狀態等，確定螺栓的受力。然后按照相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉而產生扭轉切應力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉的復合應力狀態下。

先計算公稱直徑：d=12（mm）=0.012（m）螺栓的最大拉伸應力、最大扭轉切應力，最后得出等效應力：

螺栓危險截面的拉伸應力：

圖5 擰緊時螺栓應力狀態

由此可見對于M10～M64粗牙普通螺紋的鋼制螺栓聯接，在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉而產生扭轉切應力，使螺栓處于拉伸與扭轉的復合應力狀態下。螺栓擰緊過程中螺栓副間的摩擦力矩T和螺栓反復松緊產生扭轉應力τ，可能會導致等效應力的增加并超過材料屈服極限。

5 結論

（1）探討了螺栓緊固過程中的力學性能及最常用的擰緊方法及它們的優缺點，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

（2）力矩控制方法為例對螺栓擰緊進行了相關的理論計算。從預緊力的計算案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預緊力出現浮動，導致公差過大，準確性較差。

（3）從強度計算案例中可以得知，在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉而產生扭轉切應力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉的復合應力狀態下，螺栓反復松緊可能會導致等效應力的增加并超過材料屈服極限。