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螺栓扭矩控制方法

文章出處:未知 人氣:发表时间:2019-02-26 09:42

從螺栓連接中扭矩和夾緊力的實際情況,來探討螺栓擰緊控制方法。

如上圖所示:施加扭矩旋轉螺栓後,螺杆受力伸長了,螺杆伸長産生夾緊力把連接件夾緊了。我們知道,施加的扭矩並不象夾緊力那麽簡單,在通用公式中:

力(F)*力矩(L)=扭矩M 

也就是說螺栓旋轉的越多,得到的扭矩越大。但是90%扭矩被摩擦力消耗掉了,只有10%轉化爲了夾緊力。打個比方,當你上緊一顆工藝要求爲10N·m力矩的螺栓時,我們真正需要的是那1N·m軸向力矩,大多數力矩都被摩擦力消耗掉了。

摩擦力和夹紧力是什么关系呢? 前面已经讲到,通常情况下,遵循50-40-10原则,就是50%的螺栓头下摩擦力,40%的螺纹副中摩擦力,10%的夹紧力。但是在一些条件下夹紧力的比例是可以变化的。

比如說當工人師傅拿起一顆螺栓發現其螺紋有碰傷或者有雜質,您一旦將其裝入螺孔內,這樣的螺栓産生怎樣的夾緊力呢?一般認爲螺紋副中有缺陷(雜質、磕碰等)按照裝配力矩裝配後,存在50%的螺栓頭下的摩擦力,45%螺紋副中的摩擦力,只有5%我們想要的夾緊力。這時候這顆螺栓的裝配力矩是達到了,但是遠不符合我們所需要的夾緊力。如果這裏螺栓在飛輪,曲軸等這樣的運動件上就非常容易發生脫落,這就造成了我們經常說的“假緊”。

還有彈性材料變軟會使夾緊力衰減,也是通常我們說軟連接的扭矩衰減。比如汽缸蓋墊材料較軟我們采用二次擰緊的方法來減少夾緊力的衰減,還有機油盤螺栓經常發生夾緊力衰減,就是因爲螺栓下面有機油盤墊片(軟質材料的原因)。

試想我們需要螺杆伸長而産生夾緊力,扭矩越大螺杆可以伸的越長,是不是扭力越大越好呢?我們施加的扭矩越大會使螺栓過度伸長,螺栓超過屈服強度極限就會發生應力斷裂。

從而失去了螺栓的鏈接作用。

 

在實際工作中,不論是兩被連接體間的壓緊力還是螺栓上的軸向預緊力,均很難檢測,也就很難予以直接控制,因而,人們采取了下述幾種方法予以間接控制。

 

1、扭矩控制法(T)

扭矩控制法是最初始也是最簡單的控制法,它是基于螺紋連接時,軸向夾緊力F擰緊時與擰緊扭矩T成正比關系,可用一個公式T=K·F來表示,這個K則是扭矩系數。當一個螺釘設計出來時候他的軸向夾緊力F就是可知的,擰緊扭矩T通過工藝設定我們的擰緊扭矩也被工藝部門規範下來。但是總裝車間經常出現擰緊扭矩達到但是裝配的螺栓依然不合格,這是爲什麽呢?

關鍵就在這個扭矩系數,扭矩系數K的變化主要波動因素是綜合摩擦系數u,也就是說螺栓,螺孔的精度,雜質,是否磕碰都會影響這個綜合摩擦系數u。而且這個K值和溫度也有關系,經過日本住友公司通過實驗證明環境溫度每增加1℃,扭矩系數K就下降0.31%。扭矩控制法到底是否精確呢?給大家加深下影響,根據德國工程師協會擰緊實驗報告稱當擰緊力矩T的誤差爲±0時(即無誤差施加扭矩)螺栓軸向夾緊力誤差可以達到±27.2%。

應用步驟:

直接或間接控制地加載扭矩

实际目标扭矩通常是屈服扭矩的50% to 85%

用在拴緊彈性區域

90%的加載扭矩用于克服摩擦力

預緊力正確度±25%

扭矩控制法的優點是:成本低,可以使用簡易的擰緊工具扭矩扳手來檢查擰緊質量。

其缺點就是:擰緊精度不夠,不能充分發揮材料潛力,環境影響大(溫度,螺栓螺紋,雜質、磕碰等)。

 

2、扭矩-轉角控制法(TA)又稱超彈性控制法

扭矩-轉角控制法是先將螺栓擰到一個不大的扭矩,一般會是擰緊力矩的40%-60%(由工藝驗證後制定),再從此點開始,擰一個規定的轉角的控制方法。

這種方法它是基于一定的轉角,是螺栓産生一定的軸向伸長及連接件被壓縮了。這樣做的目的是將螺栓擰到緊密接觸面上,並克服了一些表面凹凸不平等不均勻因素,而後面所需求的軸向夾緊力由轉角産生。在計算轉角之後,摩擦阻力對軸向夾緊力的影響不複存在,所以其精度比單純的扭矩控制法要高,扭矩控制法的要點就是測量轉角的起點,一旦這個轉角確定下來我們就可以獲得相當高擰緊精度。

由于有了比較先進擰緊方法于是産生了一種適應生産力的工具,就是電動擰緊工具,它是由電機—驅動齒-彎頭齒輪-傳感器等構成,可以相對比較容易的設定預警力矩及起始轉角。

應用步驟:

应用一个固定扭矩 (起始(开门)扭矩)

轉動扣緊件到達預定轉角

离屈服拧紧的最初阶段, 此刻也用在弹性区域。

需要用試驗確定起始(開門)扭矩與轉角參數

預緊力正確度±15%

扭矩-轉角控制法(TA)優點:擰緊精度高,可以獲得較大的軸向夾緊力。

缺點:其控制系統比較複雜,需要測量預緊扭矩及轉角2個數據,質量部門不易找出適當的方法對擰緊結果進行檢查跟進。

 

3、屈服點控制法(TG)

通过上面夹紧力图即可看出,同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF2比弹性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF1要小得多。屈服点控制法就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/转角的变化曲线见扭矩、扭矩斜率对比图。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(即扭矩对比图中的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±4%以内,但其精度主要是取决于螺栓本身的屈服强度。

扭矩與轉角是在擰緊中受到監控

當一點最大值梯度下降時來判別最大梯度與屈服點

利用最大壓緊力潛能

摩擦力未減小

允許每次擰緊的觀察扭矩轉角

螺栓不能再使用

預緊力正確度±8%

 

4、落座点—转角控制法 (SPA)

落座點—轉角控制法是最近新出現的一種控制方法,它是在扭矩-轉角T-A法基礎上發

展起來的。TA法是以某一預扭矩Ts爲轉角的起點,而SPA法計算轉角的起點,采用扭矩曲線的線性段斜率與轉角A坐標的交點S(見圖)。

图中;F1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。从图中可见,采用TA法时,由于预扭矩TS的误差(ΔTs=Ts2-Ts1,对应产生了螺栓轴向预紧力误差ΔFs),在转过相同的转角A1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F1;即使是弹性系数相等的,但由于ΔTs 的存在,也有一定的误差(见图中的ΔF1、ΔF2)。如若采用SPA法,由于是均从落座点S开始转过A2转角后,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F2。显然F2小于F1,即落座点—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,下一图为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩-转角关系曲线。图中摩擦系数: µ1>µ2>µ3。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩-转角关系曲

線的斜率不同,但其落座點(曲線線性段的斜率與橫軸的交點)相差不大。故從此點再擰一個角度Ac,不同摩擦系數對螺栓軸向預緊力的影響基本可以消除。

SPA法與TA法比較,其主要優點是:能克服在Ts時已産生的扭矩誤差,因此,可以進一步提高擰緊精度。

 

5、螺栓伸長法(QA)

QA法是通過測量螺栓的伸長量來確定是否達到屈服點的一種控制方法,雖然每一個螺栓的屈服強度不一致,也會給擰緊帶來誤差,但其誤差一般都非常小。在QA法中所采取的測量螺栓伸長量的方法,一般是用超聲波測量,超聲波的回聲頻率隨螺栓的伸長而加大,所以,一定的回聲頻率就代表了一定的伸長量。圖示就是QA法的原理,由于螺栓在擰緊和擰松時,用超聲儀所測得的回聲頻率隨螺栓的擰緊(伸長)和擰松(減小伸長量)而發生變化的曲線並不重合,同一螺栓軸向預緊力的上升頻率低于下降頻率。這樣,在用來測量螺栓的屈服點時應予以注意。

 

6、扭矩斜率法

扭矩斜率法是以扭矩-轉角曲線中的扭矩斜率值的變化作爲指標對初始預緊力進行控制的一種方法。該擰緊方法通常把螺栓的屈服緊固軸力作爲控制初始預緊力的目標值。該擰緊方法一般在螺栓初始預緊力離散度要求較小並且可最大限度地利用螺栓強度的情況下使用。但是由于該擰緊方法對初始預緊力的控制與塑性區的轉角法基本相同,所以,需要對螺栓的屈服點進行嚴格的控制。該擰緊方法與塑性區的轉角法相比,螺栓的塑性即反複使用等方面出現的問題較少,有一定的優勢,但是,緊固工具比較複雜,也比較昂貴。

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