拧紧技术及拧紧机

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1、螺栓拧紧技术及拧紧机螺栓拧紧在机械制造业中的应用非常广泛，机械制造中零部件的连 接与装配，机械整体的装配等等，可以说几乎是都离不开螺栓拧紧。第一节 螺栓拧紧的基本概念及拧紧的方法任何机体均是由多种零件连接（即组装）起来的，而零件的连接 有多种，采用螺栓连接就是其中最常用的一种，而欲采用螺栓连接就 必须应用拧紧，因而这“拧紧”也就成了装配工作中应用得极为广泛 的概念。零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合， 并为承受 一定的动载荷，还需要两被连接体间具备足够的压紧力，以确保被连 接零件的可靠连接和正常工作。这样就要求作为连接用的螺栓，在拧 紧后要具有足够的轴向预紧力（即轴向拉应力）。然

2、而这些力的施加， 也都是依靠“拧紧”来实现的。因而，我们很有必要了解一些有关拧 紧的基本概念。一.螺栓拧紧的基本概念1拧紧过程中各量的变化在螺栓拧紧时，总体的受力情况是，螺栓受拉，连接件受压；但 在拧紧的整个过程中，受力的大小是不同的（见图1）,大体上分为下述几个阶段：在开始拧紧时，由于螺栓未靠 座，故压紧力F为零；但由于存在摩 擦力，故扭矩T保持在一个较小的数 值。当靠座后（Z点），真正的拧紧 才开始，压紧力F和拧矩T随转角A 的增加而迅速上升。达到屈服点，螺栓开始朔性变形，转角增加较大而压紧力和扭 矩却增加较小，甚至不变。再继续拧紧，力矩T和压紧力F下降，直至螺栓产生断裂。2. 力矩率力矩

3、率R所表示的是力矩增量 T对转角 A的比值（见图2）,即:(1)3斜线中的任何位置硬性连接的R值咼，软性连接的R值低。R值与螺栓的长度、连 接中各件之间的摩擦以及连接件垫圈的弹性有关。摩擦系数的变化， 是影响力矩率的主要因素。此外，再加上垫圈、密封垫片等引起的弹 性变化，装配线上同样螺纹连接之间的力矩率变化可能超过百分之百， 这样，力矩/转角的曲线就可能落在图3. 摩擦与力矩对压紧力的影响 从图4中可见，同一力矩T值， 而由于摩擦系数值的不同，压紧力 F可能相差很大。所以，摩擦系数口 对压紧力F的影响是非常大的。这里 的摩擦系数主要是指螺纹接触面、螺 栓与被连接件支撑面间的摩擦系数。二.螺栓拧

4、紧的方法拧紧，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，人们采取了下述几种方法予以间接控制。1. 扭矩控制法( T)： 扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩 达到某一设定的控制值 Tc 时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当 螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的拧紧扭矩T成正比的 关系。它们之间的关系可用：T = K F(2)来表示。其中K为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙 之间的摩擦阻力F

5、u来决定。在实际应用中，K值的大小常用下列公式计 算：K=0.161p+0.585ud2+0.25u(De+Di )(3)其中：p为螺纹的螺距；为综合摩擦系数 ；d2为螺纹的中径； De为支承面的有效外径；D为支承面的内径螺栓和工件设计完成后，p、Cl2、De、D均为确定值，而值随加工 情况的不同而不同。所以，在拧紧时主要影响 K值波动的因素是综合摩 擦系数卩。有试验证明，一般情况下，K值大约在0.2 0.4之间，然而，有的 甚至可能在 0.1 0.5 之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预 紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的 螺栓轴向预紧力相差很大(摩擦系数对

6、螺栓轴向预紧力的影响参见图 4 )。另外，由于连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法的不 同，对扭矩系数K也有很大的影响。对于上述各方面因素对扭矩系数 K的影响，为给大家一个较为明确 的印象，下面把德国工程师协会(VDI)拧紧试验报告列于表1；分析表1可知，当拧紧扭矩T的误差为士 0%时，螺栓轴向预紧力的 误差最大可以达到 27.2，因此，试图用扭矩控制法来保证高精度的 螺栓拧紧是不现实的想法。此外，由于测量方法的不同，测量时环境温度的不同等，对扭矩系 数K也有很大的影响，从而更加增大了 F的离散度。日本住友金属工业 公司通过试验说明了环境温度每增加 1C,其扭矩系数K就下降0.31%。

7、表1不同扭矩系数值对F与T的精度的影响被连接零件支承面 摩擦系 数a a螺栓摩擦系数a f拧紧扭矩精度（土）材料表面状态0351020预紧力精度（土）钢 37K( AISI016)2(T =520N/mm端铣削Rt=10 卩 m0.16 28%0.15 14%19.619.820.222.028.0钢 CK65(AISI065)2(T =950N/mm磨削Rt=10 卩 m0.20 23%0.15 14%17.718.018.420.326.7钢 37( AISI010)2(T =520N/mm拉拔、镀镉Rt=4.5 卩 m0.12 36%0.15 14%21.922.122.524.129.

8、7铸铁刨削Rt=25 卩 m0.14 14%0.15 14%12.312.713.315.923.5铝镁合金AIMgSi0.5拉削0.12 48%0.15 14%27.227.427.029.733.8注：所用螺栓： M1（X 16DIN931 10.9级；表面处理：磷化锌、涂油。螺母：M10DIN931氧化处理。Rt为粗糙度参数。有试验表明，在拧紧发动机缸盖的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其 螺栓轴向预紧力的数值相差最大可能达一倍。扭矩控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩传感器或高精度 的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。2. 扭矩一转

9、角控制法（TA :扭矩一转角控制法是在扭矩控制法 上发展起来的， 应用这种方法，首先 是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从 此点始，拧一个规定的转角的控制方法。 它是基于的一定转角，使螺栓产生一定 的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产 生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用 这种方法拧紧时，设置初始扭矩（TS）的目的是在于把螺栓或螺母拧到紧密接触面上，并克服开始时的一些 如表面凸凹不平等不均匀因素。而螺栓轴向预紧力主要是在后面的转 角中获得的。从图5中可见，摩擦阻力（图中以摩擦系数表示的）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 力对其的影响已不复存在，故其对螺栓轴

10、向预紧力影响不大。因此，其精度比单纯的拧矩法高。F-第二次， 拧紧从图5可见，扭矩一转角控制法对 螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量 F2转角的起点，即图中Ts所对应的Si （或 Fi S2）点。因此，为了获得较高的拧紧精 度，应注意对S点的研究。扭矩一转角 控制法与扭矩控制法最大的不同在于： 扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力 限定在螺栓弹性极限的90%处，即图6 中Y点处；而扭矩一转角控制法一般以 Y-M区为标准，最理想的是控制在屈服点偏后。扭矩一转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，通过图 6即 可看出，同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差 F2比弹性 区的螺栓轴向预紧力误差

11、 Fi要小得多。扭矩一转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较 大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是： 控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当 的方法对拧紧结果进行检查。3. 屈服点控制法（TG：屈服点控制法是把螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。它 是利用材料屈服的现象而发展起来的一种高精度的拧紧方法。这种控制方法，是通过对拧紧的扭矩/转角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈 服点的。螺栓在拧紧的过程中，其扭矩/转角的变化曲线见图7。真正的拧紧 开始时，斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a_b区间） 过b点后，其斜率经简

12、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，当其斜率下降到最 大值的二分之一时），说明已达到屈服 点（即图7中的Q点），立即发出停止 拧紧信号。屈服点控制法的拧紧精度是非常高 的，其预紧力的误差可以控制在士 4% 以内，但其精度主要是取决于螺栓本 身的屈服强度。屈服点控制法的优点是：可获得很 大的预紧力，能充分发挥材料的潜力。 其缺点是：控制系统较复杂，要测量 扭矩和转角两个量，对螺栓的一致性 要求较高，对螺栓和连接件的表面也 要求较高，以避免假屈服。4. 落座点一转角控制法（SPA：落座点一转角控制法是最近新出现的一种控制方法，它是在 TA法基 础上发展起来的（在日本已经开始应

13、用）。TA法是以某一预扭矩Ts为转 角的起点，而SPA法计算转角的起点，采用扭矩曲线的线性段与转角 A 坐标的交点S （见图8）。图 8图中；Fi是TA法最大螺栓轴向 预紧力误差，F2是SPA法最大螺栓轴 向预紧力误差。从图8可见，采用 TA法时，由于预扭矩Ts的误差（ Ts =Ts2-Tsi,对应产生了螺栓轴向预紧力 误差 Fs）,在转过相同的转角Ai后， 相对于两个弹性系数高低不同的拧紧 工况，其螺栓轴向预紧力误差为 Fi; 即使是弹性系数相等的，但由于厶Ts 的存在，也有一定的误差（见图 8 中的 Fi、A F2）。如若采用SPA法, 由于是均从落座点S开始转过A转角 后，相对于两个弹性

14、系数高低不同的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为 F2。显然F2小于Fi,即落座点一转 角控制法拧紧精度高于扭矩-转角控制法。采用SPA法，摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完 全消除，图九为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩一转角关系曲线。图 中摩擦系数：歩3虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩一转角关系曲 线的斜率不同，但其落座点（曲线线性段的斜率与横轴的交点）相差不大 （见图9）。故从此点再拧一个角度Ac,不同摩擦系数对螺栓轴向预紧力 的影响基本可以消除。为了更清楚地说明这个问题，我们把图四的纵、能克服在Ts时已产生的扭矩误预紧力超声频率图 11对比图9与图10,就可以更清楚地看出SPA法

15、摩擦系数大小对于螺 栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除。SPA法与TA法比较，其主要优点是: 差，因此，可以进一步提高拧紧精度。5. 螺栓伸长法（QA :QA法是通过测量螺栓的伸长量来 确定是否达到屈服点的一种控制方法， 虽然每一个螺栓的屈服强度不一致， 也会给拧紧带来误差，但其误差一般 都非常小。在QA法中所采取的测量螺栓伸长 量的方法，一般是用超声波测量，超 声波的回声频率随螺栓的伸长而加大，所以，一定的回声频率就代表了一定的伸长量。 图11就是QA法的原理, 由于螺栓在拧紧和拧松时，用超声仪所测得的回声频率随螺栓的拧紧 （伸长）和拧松（减小伸长量）而发生变化的曲线并不重合，同一螺栓 轴向预紧力的上升频率低于下降频率。这样，在用来测量螺栓的屈服点 时应予以注意。该法业已在日本的生产中得到应用。第二节 螺栓拧紧常用的方法及拧紧机螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象，以前人们只是 考虑在装配时，把螺栓（或螺母）拧到最紧的程度。后来人们才发现， 这个“