拧紧技术培训.pdf
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1、拧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)。然而这些力的施加,也都是依靠 也
2、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)。然而这些力的施加,也都是依靠“拧紧拧紧”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
3、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。 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
4、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。 扭矩与拧紧技术原理 一、拧紧的基本概念一、拧紧的基本概念 T F 屈服 断 裂 A 图 1 Z TF 2力矩率 力矩率R所表示的是力矩增量T对转角A的比值(见图2),即: RT /A (1) 硬性连接的R值高,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
5、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斜线中的任何位置。 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。 2力矩率 力矩率R所表示的是力矩增量T对转角A的比值(见图2),即: RT /A (1) 硬性连接的R值高,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
6、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斜线中的任何位置。 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。 图2 图 3 A T T T A A =0 图4 F T =0.4 =0.5 =0.1 =0.2 =0.3 质量等级 安全等级 客户定义等级 质量等级 安全等级 客户定义等级 装配工作按精度等级分为三类装配工作按精度等级分为三类 测量拧紧 效
7、果 我们能够测量的是扭矩我们能够测量的是扭矩T 我们想要得到的是夹紧力我们想要得到的是夹紧力F T F F FF 张力 张力 剪切力 剪切力 抗张力 螺拴与连接件的关系螺拴与连接件的关系 螺拴和连接的变形螺拴和连接的变形 螺栓连接的变形关系螺栓连接的变形关系 轴向工作载荷的影响轴向工作载荷的影响 通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧 旋转螺母或螺丝使螺杆受力伸长旋转螺母或螺丝使螺杆受力伸长 螺杆伸长产生的夹紧力把连接件夹紧螺杆伸长产生的夹紧力把连接件夹紧 我们需要的是连接件中的夹紧力我们需要的是连接件中的夹紧力 力力 (F)*力臂力臂 (L) = 扭矩扭矩(M) 螺栓旋
8、转的越多,得到的扭矩越大螺栓旋转的越多,得到的扭矩越大 但是但是, 90% 的扭矩被摩擦力消耗的扭矩被摩擦力消耗 只有只有10%的扭矩转化为夹紧力的扭矩转化为夹紧力 施加的扭矩并不象夹紧力那么简单施加的扭矩并不象夹紧力那么简单 夹紧力夹紧力, 10% 螺纹副中的摩螺纹副中的摩 擦了擦了, 40% 螺栓头下表面的螺栓头下表面的 摩擦力摩擦力, 50% 夹紧力与摩擦力的关系夹紧力与摩擦力的关系夹紧力与摩擦力的关系夹紧力与摩擦力的关系 通常的情况通常的情况通常的情况通常的情况 螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力 50%50% 螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩
9、擦力 40%40% 10%10% 在螺栓头支承面下加润滑油在螺栓头支承面下加润滑油在螺栓头支承面下加润滑油在螺栓头支承面下加润滑油 螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力 45%45% 螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力 40%40% 夹紧力夹紧力夹紧力夹紧力 15%15% 螺纹副中有缺陷,如杂质、磕碰等螺纹副中有缺陷,如杂质、磕碰等螺纹副中有缺陷,如杂质、磕碰等螺纹副中有缺陷,如杂质、磕碰等 螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力螺栓头下摩擦力 50%50% 螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力螺纹副中摩擦力 45%45% 5%5% 一定要确
10、保施加的扭矩达到最小需要扭矩一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩 夹紧力一定要高于外部载荷夹紧力一定要高于外部载荷 安全余量载荷的影响因素安全余量载荷的影响因素: 振动振动 摩擦力的变化摩擦力的变化 连接件尺寸变化连接件尺寸变化 拧紧精度拧紧精度 施加的扭矩不要超过使用极限施加的扭矩不要超过使用极限 旋转转角 扭矩夹紧力 施加的扭矩过大会使螺施加的扭矩过大会使螺 栓过度伸长栓过度伸长 安全余量取决于安全余量取决于: 拧紧精度拧紧精度 材料等级材料等级 屈服强度极限抗拉强度极限 螺栓连接件的特性螺栓连接件的特性 应力N/mm
11、2 85% 50% 弹性区域 失效 抗拉强度抗拉强度/屈服特性屈服特性 抗拉强度 拉伸度 抗拉应力抗拉应力 100*8=800 N/mm2 屈服应力屈服应力 800*0.8=640 N/mm2 螺栓连接件的特性螺栓连接件的特性 . 生产商生产商 第一个数第一个数 = 1/100 的最小抗拉的最小抗拉 强度强度 (N/mm2) 1008 = 800 N/mm2 第二个数第二个数 =屈服强度与最小抗拉屈服强度与最小抗拉 强度之间的关系强度之间的关系 0.8 = 80% 两数相乘得出屈服应力两数相乘得出屈服应力 800* 0.8 = 640 N/mm2 螺栓标识系统螺栓标识系统 公制螺纹公制螺纹 .
12、 弹性变软会影响夹紧力 材料弹性松弛材料弹性松弛(变软变软)会使夹紧力衰减会使夹紧力衰减! Time 内部分析内部分析 平均加载平均加载 (80%屈服屈服) 如我们恰巧看到螺纹与支承面连接表面,我们注意此处压痕 非常高,因为螺栓伸长远端出现屈服以及这些区域出现崩溃 而使夹紧力减少。 二、螺栓拧紧的方法二、螺栓拧紧的方法 拧紧,实际上就是要使两被连接体间具备拧紧,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)。而不论是两被连接体间的压紧 力还是螺栓
13、上的轴向预紧力,在工作现场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。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)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栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的
14、拧紧扭矩T成正比的关系。它们之间的关系矩T成正比的关系。它们之间的关系 可用:可用: T T K F (2)K F (2) 来表示。其中K为扭矩系数,其值大小主来表示。其中K为扭矩系数,其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦 阻力F阻力F 来决定。在实际应用中,K值的大小常用下列公式计算: 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+0.585dK=0.161p+0.585d2 2+0.25(D+0.25(De e+D+Di i) (3)) (3) 其中: p为螺纹的螺距;为综合摩擦系数其中: p为螺纹的螺距;为综合摩擦系数 ;d
15、d2 2为螺纹的中径;为螺纹的中径; D De e为支承面的有效外径;D为支承面的有效外径;Di i为支承面的内径为支承面的内径 螺栓和工件设计完成后,p、d螺栓和工件设计完成后,p、d2 2、D、De e、D、Di i均为确定值,而值随加工情况的不均为确定值,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。值波动的因素是综合摩擦系数。 有试验证明,一般情况下,K值大约在0.20.4之间,然而,有的甚至可能在有试验证明,一般情况下,K值大约在0.20.4之间,然而,有的甚至可能在 0.10.5之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺
16、栓轴向预紧力影响较大,相0.10.5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,所获得的螺栓轴向预紧力相差很 大(摩擦系数对螺栓轴向预紧力的影响参见图4 )。大(摩擦系数对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。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
17、为明确的印象,下,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;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的误差为分析表1可知,当拧紧扭矩T的误差为0时,螺栓轴向预紧力的误差最大可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。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
18、大了F的离散度。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日本住友金属工业公司通过试验说明 了环境温度每增加1,其扭矩系数K就下降0.31%。了环境温度每增加1,其扭矩系数K就下降0.31%。 表1 不同扭矩系数值对F与T的精度的影响表1 不同扭矩系数值对F与T的精度的影响 注:所用螺栓:M1016DIN931 10.9级;表面处理:磷化锌、涂油。螺母:注:所用螺栓:M1016DIN931 10.9级;表面处理:磷化锌、涂油。螺母: M10 DIN931 氧化处理。Rt为粗糙度参数。M10 DIN931 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
19、时有试验表明,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,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,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。轴向预紧力的控制精度不高,不能充分利用材料的潜力。 拧紧曲线 合格窗口合格窗口合格窗口合格窗口 扭矩上限扭矩上限 扭矩下限扭矩下限 角度下限角度下限 角度上限角度上限 扭矩开始 比较
20、缓慢) 扭矩开始 比较缓慢) 扭矩扭矩 (夹紧力夹紧力) 角度角度, 目标扭矩目标扭矩目标扭矩目标扭矩螺栓屈服点螺栓屈服点螺栓屈服点螺栓屈服点 塑性区塑性区弹性区弹性区 扭矩斜度扭矩斜度=连接率连接率 拧紧方法 扭矩控制拧紧过程扭矩控制拧紧过程扭矩控制拧紧过程扭矩控制拧紧过程 扭矩上限扭矩上限 扭矩下限扭矩下限 kdPT =kdPT = 扭矩开始 比较缓慢 扭矩开始 比较缓慢 扭矩扭矩 (夹紧力夹紧力) 角度角度, 目标扭矩目标扭矩 拧紧方法 扭矩控制拧紧扭矩控制拧紧扭矩控制拧紧扭矩控制拧紧 ?直接或间接控制地加载扭矩 ?实际目标扭矩通常是屈服扭矩的50% to 85% ?用在拴紧弹性区域 ?
21、90%的加载扭矩用于克服摩擦力 ?Also known as: 扭矩,垂直扭矩 预紧力正确度预紧力正确度 25% T A AC AC TS 低摩擦系数 高摩擦系数 S2 S1 图 5 2.扭矩2.扭矩转角控制法(TA),又称超弹性控制法转角控制法(TA),又称超弹性控制法 扭矩扭矩转角控制法是在扭矩控制法转角控制法是在扭矩控制法 上发展起来的,上发展起来的, 应用这种方法,应用这种方法, 首先是把螺栓拧到一个不大的扭矩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的控制方法。它是基于的一定转 角,使螺栓产生一定的轴
22、向伸长及角,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)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)的不同仅阻力(图中以摩擦系数表示
23、的)的不同仅影响测量转角的起点,并将其影响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,故其对力对其的影响已不复存在,故其对 螺栓轴向预紧力影响不大。因此,其精度螺栓轴向预紧力影响不大。因此,其精度比单纯的拧矩法高。从图5可见,比单纯的拧矩法高。从图5可见, 扭矩扭矩转角控制法对螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量转角的起点,即转角控制法对螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量转角的起点,即 图中T图中TS S所对应的S所对应的S1 1(或S(或S2 2)点。因此,为了获得较高的拧紧精度,应注意对S)点。因此,为了获得
24、较高的拧紧精度,应注意对S 点的研究。扭矩点的研究。扭矩转角控制法与扭矩控制法最大的不同在于:扭矩控制法通转角控制法与扭矩控制法最大的不同在于:扭矩控制法通 Y M S F1 F2 第二次拧紧 F A A 图6 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;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; 而扭矩而扭矩转角控制法一般以Y-M区为标准,最理想的是控制在屈服点偏后。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。 扭矩扭矩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,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
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