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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/mm2 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) 100××8 = 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 . 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 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：M10×16DIN931 10.9级；表面处理：磷化锌、涂油。螺母：注：所用螺栓：M10×16DIN931 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 ?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F同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差F2 2比弹性区的螺栓轴比弹性区的螺栓轴 向预紧力误差F向预紧力误差F1 1要小得多。要小得多。 扭矩扭矩转角控制法的优点是：转角控制法的优点是： 螺栓轴向预紧力精度高，可螺栓轴向预紧力精度高，可 以获得较大的螺栓轴向预紧以获得较大的螺栓轴向预紧 力，且其数值可集中分布在力，且其数值可集中分布在 平均值附近。其缺点是：控平均值附近。其缺点是：控 制系统制系统 较复杂，要测量扭矩和转角较复杂，要测量扭矩和转角 两个参数，质量部门不易找两个参数，质量部门不易找 出适当的方法对拧紧结果进出适当的方法对拧紧结果进 行检查。行检查。 角度控制 kdPT = () o l 360 p Fp = 转角下限转角下限 转角上限转角上限 起始(开门) 扭矩 起始起始( (开门开门) ) 扭矩扭矩 扭矩扭矩 (夹紧力夹紧力) Angle, 转角控制拧紧过程转角控制拧紧过程转角控制拧紧过程转角控制拧紧过程 ?步骤1: 应用一个固定扭矩 (起始（开门）扭矩) ?步骤2:转动扣紧件到达预定转角 ?离屈服拧紧的最初阶段， 此刻也用在弹性区域。 ?需要用试验确定起始（开门）扭矩与转角参数 ?关键词： 螺母转动，扭矩-转角 预紧力正确度±预紧力正确度±15% 角度控制角度控制 拧紧方法 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比弹性区的螺栓轴向预 紧力误差紧力误差F1要小得多。要小得多。 扭矩扭矩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轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点屈服点控制法是把值附近。其缺点屈服点控制法是把 螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。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，是通过高精度的拧紧方法。这种控制方法，是通过 对拧紧的扭矩对拧紧的扭矩/转角曲线斜率的连续计算和判转角曲线斜率的连续计算和判 断来确定屈服点的。断来确定屈服点的。 螺栓在拧紧的过程中，其扭矩螺栓在拧紧的过程中，其扭矩/转角的变化转角的变化 曲线见图曲线见图7。真正的拧紧开始时，斜率上升很。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（快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a_b 区间）。过区间）。过b点后，其斜率经简短的缓慢下降点后，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般定义，当其斜率下降到最大值的二分之一 时），说时），说 明已达到屈服点（即图明已达到屈服点（即图7中的中的Q点），点）， 立即发出停止拧紧信号。屈服点控制法的拧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紧精度是非常高的，其预紧力的误差可以控 制在±制在±4以内，但其精度主要是取决于螺栓以内，但其精度主要是取决于螺栓 本身的屈服强度。本身的屈服强度。 3.屈服点控制法（TG）3.屈服点控制法（TG） 图7 1/2最大 斜率 转角 扭矩斜率 b a Q 转角 扭矩 屈服点控制 最高梯度的50%最高梯度的50% 扭矩扭矩梯度 螺栓屈服点螺栓屈服点螺栓屈服点螺栓屈服点 扭矩扭矩 扭矩扭矩 (夹紧力夹紧力) Angle, 屈服点控制拧紧过程屈服点控制拧紧过程屈服点控制拧紧过程屈服点控制拧紧过程 拧紧方法 屈服点控制屈服点控制 ?扭矩与转角是在拧紧中受到监控 ?当一点最大值梯度下降时来判别最大梯度与屈服点 ?利用最大压紧力潜能 ?摩擦力未减小 ?允许每次拧紧的观察扭矩转角 ?螺栓能再使用 ?关键词： 屈服扭矩 预紧力正确度±预紧力正确度±8% 4. 落座点4. 落座点转角控制法（SPA）转角控制法（SPA） 落座点落座点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（在日本已经开始应用）。TA法是以某一预扭矩T展起来的（在日本已经开始应用）。TA法是以某一预扭矩TS S为转角的起为转角的起 点，而SPA法计算转角的起点，采用扭矩点，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曲线的线性段与转角A坐标的交点S （见图8）。（见图8）。 图中；F图中；F1 1是TA法最大螺栓轴向是TA法最大螺栓轴向 预紧力误差，F预紧力误差，F2 2是SPA法最大螺栓轴是SPA法最大螺栓轴 向预紧力误差。从图8可见，采用向预紧力误差。从图8可见，采用 TA法时，由于预扭矩TTA法时，由于预扭矩TS S的误差（T的误差（TS S =T=TS2 S2-T -TS1 S1，对应产生了螺栓轴向预紧 ，对应产生了螺栓轴向预紧 力误差F力误差FS S）,在转过相同的转角A）,在转过相同的转角A1 1 后，相对于两个弹性系数高低不同后，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的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误 差为F差为F1 1；即使是弹性系数相等的，；即使是弹性系数相等的， 但由于T但由于TS S 的存在，也有一定的误 的存在，也有一定的误 差（见图8中的F差（见图8中的F1 1、F、F2 2）。如若）。如若 采用SPA法，由于是均从落座点S开采用SPA法，由于是均从落座点S开 始转过A始转过A2 2转角后，相对于两个弹性转角后，相对于两个弹性 低 A2 图8 A S A1 A1 FS FS1 FS2 F2 F1 预 紧 力 F高 弹性系数 F2F1 系数高低不同的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为F系数高低不同的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为F2 2。显然F。显然F2 2小于F小于F1 1，即，即 落座点落座点转角控制法拧紧精度高于扭矩转角控制法。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，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转角关系曲线。图九为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩转角关系曲线。 T 图9 µ1 µ2 µ3 A SAC T1 T2 T3 图 10 T1 T2 T3 T4 F T =0 =0.5 =0.4 =0.1 =0.3 =0.2 FC T 图中摩擦系数：图中摩擦系数：µ1 1 µ2 2 µ3 3。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩转角关系曲。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩转角关系曲 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（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A见图9）。故从此点再拧一个角度AC C，不同摩擦系数对螺栓轴向预紧力的影，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、横坐标问题，我们把图四的纵、横坐标 交换一下，绘成图10：交换一下，绘成图10： 对比图9与图10，就可以更清楚地看出SPA法摩擦系数大小对于螺栓轴向预对比图9与图10，就可以更清楚地看出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。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：能克服在Ts时已产生的扭矩误差，因SPA法与TA法比较，其主要优点是：能克服在Ts时已产生的扭矩误差，因 此，可以进一步提高拧紧精度。此，可以进一步提高拧紧精度。 5.螺栓伸长法（QA）5.螺栓伸长法（QA） QA法是通过测量螺栓的伸长量来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，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，虽然每一个螺栓的屈服强度不一致， 也会给拧紧带来误差，但其误差一般也会给拧紧带来误差，但其误差一般 都非常小。都非常小。 在QA法中所采取的测量螺栓伸长在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，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。业已在日本的生产中得到应用。 超声频率 预紧力 加载 卸载 图11 扭矩测量与质量控制 一对拧紧结果的检测方法一对拧紧结果的检测方法 拧紧机在安装完成后，必须经过质检部门的专拧紧机在安装完成后，必须经过质检部门的专业人员对其进行检定合格后，方可投入使用。且业人员对其进行检定合格后，方可投入使用。且 在正常运行中也均有规定的检定周期，加上当在正常运行中也均有规定的检定周期，加上当前各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳前各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳 定性也都比较高，因而螺栓拧紧完成后，拧紧定性也都比较高，因而螺栓拧紧完成后，拧紧机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好 的设备或仪器也不可能不出问题，而且无论是的设备或仪器也不可能不出问题，而且无论是谁也不能肯定设备和仪器不出问题，或什么时候谁也不能肯定设备和仪器不出问题，或什么时候 出问题，所以，对拧紧效果的检测，即对拧紧出问题，所以，对拧紧效果的检测，即对拧紧扭矩值的确认是非常必要的（一般均规定有抽检扭矩值的确认是非常必要的（一般均规定有抽检 的频次，即多少件中检一件）。的频次，即多少件中检一件）。 正确测量几个要素：正确测量几个要素： 1.连接形式1.连接形式-软连接、硬连接软连接、硬连接 目标目标 均值偏差均值偏差 扭矩扭矩 角度角度 过扭过扭 硬连接硬连接 软连接软连接 啮合点啮合点 Joint characteristics can also define the tool type required (ISO 5393) A. 硬连接：到达贴合点后，旋转硬连接：到达贴合点后，旋转 ( 30 Deg)以内达到目标扭矩以内达到目标扭矩 B. 软连接：到达贴合点后，旋转软连接：到达贴合点后，旋转 2 圈圈( 720Deg)以上达到目标扭矩以上达到目标扭矩 扭矩的过扭程度受连接件扭矩的过扭程度受连接件 硬度以及工具转速影响。硬度以及工具转速影响。 装配手测 (动态)(静态) 102.6 112 102.6 110 101.4 111 101.2 110 102.4 113 100.9 109 102.1 110 102.4 111 101.0 113 101.8 112 101.84 111.1 0.67 1.4 2.01 4.1 均值均值 标准偏差标准偏差 (Sigma) 3 Sigma 硬连接硬连接 TORQUETORQUE TLTLTL THTHTH TCTCTC 起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩 2727°°°° As A A s s 3030°°°° 装配手测 (动态) (静态) 100.2 88 100.5 84 100.7 92 100.3 86 100.4 90 100.8 88 100.5 86 100.2 85 100.2 84 100.4 84 100.42 86.7 0.21 2.8 0.63 8.3 均值均值 标准偏差标准偏差 (Sigma) 3 Sigma TORQUETORQUE As A A s s 软连接软连接 TLTLTL THTHTH TCTCTC 起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩起始扭矩 A1A1AsAs 720 720°°°° A0A0 2.静态扭矩2.静态扭矩 静态扭矩静态扭矩用手动拧紧工具对已拧紧的螺栓加一个顺用手动拧紧工具对已拧紧的螺栓加一个顺螺栓拧紧方向逐渐增大的扭矩，直至螺栓螺栓拧紧方向逐渐增大的扭矩，直至螺栓 再一次产生拧紧运动的瞬间，记录下的刚产生再一次产生拧紧运动的瞬间，记录下的刚产生运动的扭矩值，该扭矩值即为静态扭矩。如运动的扭矩值，该扭矩值即为静态扭矩。如: 所所 用扭矩扳手测量所得到的扭矩。用扭矩扳手测量所得到的扭矩。 3.动态扭矩3.动态扭矩 动态扭矩动态扭矩是自动拧紧工具在拧紧过程最终或是自动拧紧工具在拧紧过程最终或扭转过程所得到的扭矩值。如扭转过程所得到的扭矩值。如: 动力总成厂所用动力总成厂所用 的的BOSCH拧紧枪最终显示的扭矩是动态扭矩，通拧紧枪最终显示的扭矩是动态扭矩，通常拧紧规范规定的是动态扭矩。常拧紧规范规定的是动态扭矩。 T (Nm) 时间时间 20 40 60 80 100 110 120 (A)工具输出工具输出 (动态扭矩动态扭矩) (B) 扭力扳手扭力扳手 (静态扭矩静态扭矩) 原因:静态摩擦力 扭力扳手扭力扳手 静态扭矩静态扭矩 103 106 103 100 100 103 100 X=102,14 =2,27 动力工具动力工具 输出的动输出的动 态扭矩态扭矩 92 94 91 92 94 92 92 X=92,43 =1,13 拧紧机在安装完成后，必须经过质检部门的专拧紧机在安装完成后，必须经过质检部门的专业人员对其进行检定合格后，方可投入使用。且业人员对其进行检定合格后，方可投入使用。且 在正常运行中也均有规定的检定周期，加上当在正常运行中也均有规定的检定周期，加上当前各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳前各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳 定性也都比较高，因而螺栓拧紧完成后，拧紧定性也都比较高，因而螺栓拧紧完成后，拧紧机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好 的设备或仪器也不可能不出问题，而且无论是的设备或仪器也不可能不出问题，而且无论是谁也不能肯定设备和仪器不出问题，或什么时候谁也不能肯定设备和仪器不出问题，或什么时候 出问题，所以，对拧紧效果的检测，即对拧紧出问题，所以，对拧紧效果的检测，即对拧紧扭矩值的确认是非常必要的（一般均规定有抽检扭矩值的确认是非常必要的（一般均规定有抽检 的频次，即多少件中检一件）。的频次，即多少件中检一件）。 1.事后法（1.事后法（静态）静态） 就是在拧紧过程完成后进行检测就是在拧紧过程完成后进行检测的方法。事后法的检测有三种：的方法。事后法的检测有三种： (1) 松开法：(1) 松开法：将拧紧的螺栓用扭矩扳手松开，读出松开时的瞬时值。将拧紧的螺栓用扭矩扳手松开，读出松开时的瞬时值。 采用这种方法检测，由于螺纹升角的关系，松开的扭采用这种方法检测，由于螺纹升角的关系，松开的扭矩比拧紧的扭矩要小，一般要差30%左右。矩比拧紧的扭矩要小，一般要差30%左右。 这种检测方法显然误差较大，除特殊情况外很少采用。这种检测方法显然误差较大，除特殊情况外很少采用。 (2) 紧固法：(2) 紧固法：即对已经拧紧的螺栓用扭矩扳手，沿螺即对已经拧紧的螺栓用扭矩扳手，沿螺栓的拧紧方向再施加一个逐渐增大的扭栓的拧紧方向再施加一个逐渐增大的扭 矩，直至螺栓再一次产生拧紧运矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动，读出此时的瞬时值。动，读出此时的瞬时值。 采用这种方法检测，其扭矩偏差为实际扭矩的5采用这种方法检测，其扭矩偏差为实际扭矩的525。其偏差产生的原因是：在旋动螺25。其偏差产生的原因是：在旋动螺 栓的瞬间所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中栓的瞬间所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中的摩擦阻力，因二者的摩擦系数不同（前者为静的摩擦阻力，因二者的摩擦系数不同（前者为静 摩擦，后者为动摩擦）；加上操作人员掌握程摩擦，后者为动摩擦）；加上操作人员掌握程度、用力大小、感觉的偏差等，均会造成不同程度、用力大小、感觉的偏差等，均会造成不同程 度的偏差。该方法适用于拧紧后不超过度的偏差。该方法适用于拧紧后不超过30分钟的螺栓扭矩的检测。30分钟的螺栓扭矩的检测。 (3) 标记法：(3) 标记法：即对已经拧紧螺栓的拧紧位置做一个标即对已经拧紧螺栓的拧紧位置做一个标记，将螺栓拧松之后，读出再拧紧到原来记，将螺栓拧松之后，读出再拧紧到原来 位置时的扭矩值。位置时的扭矩值。 采用这种方法检测，该扭矩偏差为实际扭矩的12采用这种方法检测，该扭矩偏差为实际扭矩的125。可见，这种方法较前两种方法的5。可见，这种方法较前两种方法的 精度都高，但有许多螺栓规定不允许重精度都高，但有许多螺栓规定不允许重复拧紧，限制了这种方法的使用。复拧紧，限制了这种方法的使用。 (4) TA测量法：(4) TA测量法：a.a.用带角度(盘或数显)扭矩扳手首先扳用带角度(盘或数显)扭矩扳手首先扳到起始(开门)扭矩，然后扳到标记位置到起始(开门)扭矩，然后扳到标记位置 测量角度偏差。测量角度偏差。b b.统计紧固法50-100样本，统计紧固法50-100样本， 用定值(用定值(机械、数显) -3s扭矩扳手扳被测定螺机械、数显) -3s扭矩扳手扳被测定螺 栓，不动，则此TA法螺栓受控。栓，不动，则此TA法螺栓受控
