螺栓扭矩控制方法

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(zhuǎn)螺栓后，螺桿受力伸長了，螺桿伸長產(chǎn)生夾緊力把連接件夾緊了。我們知道，施加的扭矩并不象夾緊力那么簡單，在通用公式中：

      力（F）*力矩（L）=扭矩M

      也就是說螺栓旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為了夾緊力。打個比方，當你上緊一顆工藝要求為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(shù)力矩都被摩擦力消耗掉了。

      摩擦力和夾緊力是什么關(guān)系呢? 前面已經(jīng)講到，通常情況下，遵循50-40-10原則，就是50%的螺栓頭下摩擦力，40%的螺紋副中摩擦力，10%的夾緊力。但是在一些條件下夾緊力的比例是可以變化的。

      比如說當衡翼工人師傅拿起一顆螺栓發(fā)現(xiàn)其螺紋有碰傷或者有雜質(zhì)，您一旦將其裝入螺孔內(nèi)，這樣的螺栓產(chǎn)生怎樣的夾緊力呢？一般認為螺紋副中有缺陷（雜質(zhì)、磕碰等）按照裝配力矩裝配后，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。如果這里螺栓在飛輪，曲軸等這樣的運動件上就非常容易發(fā)生脫落，這就造成了我們經(jīng)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(jīng)常發(fā)生夾緊力衰減，就是因為螺栓下面有機油盤墊片（軟質(zhì)材料的原因）。

        試想我們需要螺桿伸長而產(chǎn)生夾緊力，扭矩越大螺桿可以伸的越長，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(fā)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zui初始也是zui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(guān)系，可用一個公式T=K·F來表示，這個K則是扭矩系數(shù)。當一個螺釘設(shè)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(shè)定我們的擰緊扭矩也被工藝部門規(guī)范下來。但是總裝車間經(jīng)常出現(xiàn)擰緊扭矩達到但是裝配的螺栓依然不合格，這是為什么呢？

      關(guān)鍵就在這個扭矩系數(shù)，扭矩系數(shù)K的變化主要波動因素是綜合摩擦系數(shù)ｕ，也就是說螺栓，螺孔的精度，雜質(zhì)，是否磕碰都會影響這個綜合摩擦系數(shù)ｕ。而且這個K值和溫度也有關(guān)系，經(jīng)過日本住友公司通過實驗證明環(huán)境溫度每增加1℃，扭矩系數(shù)K就下降0.31%。扭矩控制法到底是否呢？給大家加深下影響，根據(jù)德國工程師協(xié)會擰緊實驗報告稱當擰緊力矩T的誤差為±0時（即*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
實際目標扭矩通常是屈服扭矩的50% to 85%
用在拴緊彈性區(qū)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(yōu)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(zhì)量。
其缺點就是：擰緊精度不夠，不能充分發(fā)揮材料潛力，環(huán)境影響大（溫度，螺栓螺紋，雜質(zhì)、磕碰等）。

  2 、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）又稱超彈性控制法

      扭矩-轉(zhuǎn)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%（由工藝驗證后制定），再從此點開始，擰一個規(guī)定的轉(zhuǎn)角的控制方法。

       這種方法它是基于一定的轉(zhuǎn)角，是螺產(chǎn)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，并克服了一些表面凹凸不平等不均勻因素，而后面所需求的軸向夾緊力由轉(zhuǎn)角產(chǎn)生。在計算轉(zhuǎn)角之后，摩擦阻力對軸向夾緊力的影響不復存在，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(zhuǎn)角的起點，一旦這個轉(zhuǎn)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產(chǎn)生了一種適應生產(chǎn)力的工具，就是電動擰緊工具，它是由電機—驅(qū)動齒-彎頭齒輪-傳感器等構(gòu)成，可以相對比較容易的設(shè)定預警力矩及起始轉(zhuǎn)角。

應用步驟：
應用一個固定扭矩 (起始（開門）扭矩)
轉(zhuǎn)動扣緊件到達預定轉(zhuǎn)角
離屈服擰緊的zui初階段， 此刻也用在彈性區(qū)域。
需要用試驗確定起始（開門）扭矩與轉(zhuǎn)角參數(shù)
預緊力正確度±15%

 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）優(yōu)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(tǒng)比較復雜，需要測量預緊扭矩及轉(zhuǎn)角2個數(shù)據(jù)，質(zhì)量部門不易找出適當?shù)姆椒▽Q緊結(jié)果進行檢查跟進。

3.屈服點控制法（TG）

      通過上面夾緊力圖即可看出，同樣的轉(zhuǎn)角誤差在其朔性區(qū)的螺栓軸向預緊力誤差ΔF2比彈性區(qū)的螺栓軸向預緊力誤差ΔF1要小得多。屈服點控制法就是把螺栓擰緊至屈服點后，停止擰緊的一種方法。它是利用材料屈服的現(xiàn)象而發(fā)展起來的一種高精度的擰緊方法。這種控制方法，是通過對擰緊的扭矩/轉(zhuǎn)角曲線斜率的連續(xù)計算和判斷來確定屈服點的。螺栓在擰緊的過程中，其扭矩/轉(zhuǎn)角的變化曲線見扭矩、扭矩斜率對比圖。真正的擰緊開始時，斜率上升很快，之后經(jīng)過簡短的變緩后而保持恒定（ a_b區(qū)間）。過b點后，其斜率經(jīng)簡短的緩慢下降后，又快速下降。當斜率下降一定值時（一般定義，當其斜率下降到zui大值的二分之一時），說 明已達到屈服點（即扭矩對比圖中的Q點），立即發(fā)出停止擰緊信號。屈服點控制法的擰緊精度是非常高的，其預緊力的誤差可以控制在±4％以內(nèi)，但其精度主要是取決于螺栓本身的屈服強度。

扭矩與轉(zhuǎn)角是在擰緊中受到監(jiān)控
當一點zui大值梯度下降時來判別zui大梯度與屈服點
利用zui大壓緊力潛能
摩擦力未減小
允許每次擰緊的觀察扭矩轉(zhuǎn)角
螺栓不能再使用
預緊力正確度±8%

4. 落座點—轉(zhuǎn)角控制法 （SPA）

      落座點—轉(zhuǎn)角控制法是zui近新出現(xiàn)的一種控制方法，它是在扭矩-轉(zhuǎn)角T-A法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。TA法是以某一預扭矩Ts為轉(zhuǎn)角的起點，而SPA法計算轉(zhuǎn)角的起點，采用扭矩曲線的線性段斜率與轉(zhuǎn)角A坐標的交點S（見圖）。

      圖中；F1是TA法zui大螺栓軸向預緊力誤差，F(xiàn)2是SPA法zui大螺栓軸向預緊力誤差。從圖中可見，采用TA法時，由于預扭矩TS的誤差（ΔTs=Ts2-Ts1，對應產(chǎn)生了螺栓軸向預緊力誤差ΔFs）,在轉(zhuǎn)過相同的轉(zhuǎn)角A1后，相對于兩個彈性系數(shù)高低不同的擰緊工況，其螺栓軸向預緊力誤差為F1；即使是彈性系數(shù)相等的，但由于ΔTs 的存在，也有一定的誤差（見圖中的ΔF1、ΔF2）。如若采用SPA法，由于是均從落座點S開始轉(zhuǎn)過A2轉(zhuǎn)角后，相對于兩個彈性系數(shù)高低不同的擰緊工況，其螺栓軸向預緊力誤差為F2。顯然F2小于F1，即落座點—轉(zhuǎn)角控制法擰緊精度高于扭矩－轉(zhuǎn)角控制法。采用SPA法，摩擦系數(shù)大小對于螺栓軸向預緊力的影響幾乎可以*消除，下一圖為擰緊中不同摩擦系數(shù)所對應的扭矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。圖中摩擦系數(shù)： µ1>µ2>µ3。雖然不同的摩擦系數(shù)所對應的扭矩－轉(zhuǎn)角關(guān)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(shù)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(yōu)點是：能克服在Ts時已產(chǎn)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(fā)生變化的曲線并不重合，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(zhuǎn)角曲線中的扭矩斜率值的變化作為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為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并且可zui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(qū)的轉(zhuǎn)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(qū)的轉(zhuǎn)角法相比，螺栓的塑性即反復使用等方面出現(xiàn)的問題較少，有一定的優(yōu)勢，但是，緊固工具比較復雜，也比較昂貴。

 HY-2000N.m微機控制螺紋摩擦系數(shù)測試儀