螺栓擰緊方法

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以下均以（牛.米）為單位。 螺栓等級(jí)材質(zhì)鑄鐵鋁鑄鐵鋁鑄鐵鋁M10453060307030M1280551055512555M14125901659019590M16180140240140290140M18230180320180400180 溫馨提示：當(dāng)準(zhǔn)備擰緊螺栓時(shí)，需要在螺栓的螺紋上涂少許機(jī)油，以便我們擰緊的時(shí)候減少多螺栓的損害；注意：機(jī)油不能涂太多，如涂太多后會(huì)造成“液鎖”現(xiàn)象。螺栓的擰緊方式及擰緊的質(zhì)量評(píng)估???在汽車制造業(yè)中，將各種汽車零部件裝配成整車的過(guò)程，需要很多種不同類型的聯(lián)接，比如焊接、螺栓聯(lián)接和粘膠聯(lián)接等。其中螺栓聯(lián)接是最重要的聯(lián)接方法之一。由于螺栓聯(lián)接可以獲得很高的聯(lián)接強(qiáng)度，又便于裝拆，具有互換性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，成本低而且價(jià)格便宜，經(jīng)常被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和底盤等重要位置的裝配中。所以，螺栓的擰緊質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的安全性和可靠性。螺栓聯(lián)接質(zhì)量控制原理 ???

1螺栓聯(lián)接的實(shí)質(zhì)是通過(guò)將螺栓的軸向預(yù)緊力控制到適當(dāng)范圍，從而將兩個(gè)工件可靠地聯(lián)接在一起。為了確保螺紋聯(lián)接的剛性、密封性、防松能力和受拉螺栓的疲勞強(qiáng)度，聯(lián)接螺栓對(duì)預(yù)緊力的精度要求是相當(dāng)高的。所以，軸向預(yù)緊力是評(píng)價(jià)螺栓聯(lián)接可靠性的重要指標(biāo)。軸向預(yù)緊力的最低限是由聯(lián)接結(jié)構(gòu)的用途決定的，該值必須保證被聯(lián)接工件在工作過(guò)程中始終可靠貼合。軸向預(yù)緊力的最高值必須保證螺栓及被聯(lián)接工件在預(yù)緊和工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫扣、剪斷和疲勞斷裂等損壞。怎樣控制和監(jiān)控預(yù)緊力的數(shù)值，使之能夠達(dá)到產(chǎn)品要求顯然是一個(gè)值得研究的課題。?螺栓擰緊方法 螺栓擰緊方法主要有兩類，分別是彈性擰緊和塑性擰緊。彈性擰緊一般指扭矩?cái)Q緊法，塑性擰緊主要包括轉(zhuǎn)角擰緊法、屈服點(diǎn)擰緊法等。 1.扭矩?cái)Q緊法 扭矩?cái)Q緊法的原理是扭矩大小和軸向預(yù)緊力之間存在一定關(guān)系。通過(guò)將擰緊工具設(shè)置到某個(gè)扭矩值來(lái)控制被聯(lián)接件的預(yù)緊力。在工藝過(guò)程、零件質(zhì)量等因素穩(wěn)定的前提下，該擰緊方式操作簡(jiǎn)單、直觀，目前被廣泛采用。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在擰緊螺栓時(shí)，有50%的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有40%消耗在螺紋的摩擦上，僅有10%的扭矩用來(lái)產(chǎn)生預(yù)緊力。由于外界不穩(wěn)定條件對(duì)扭矩?cái)Q緊法的影響很多，所以通過(guò)控制擰緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法將導(dǎo)致對(duì)軸向預(yù)緊力控制精度低。 而且有極少數(shù)的螺栓聯(lián)接，扭矩已達(dá)到規(guī)定值，而螺栓頭還未完全與被聯(lián)接件貼合或間隙有時(shí)很小，目視不容易發(fā)現(xiàn)。此時(shí)扭矩值是合格的，但預(yù)緊力很小，甚至沒(méi)有，所以在這種情況下，如果僅僅提出保證扭矩合格，那么保證裝配擰緊質(zhì)量就成了一句空話。 圖1??

2轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊曲線 2.轉(zhuǎn)角擰緊法鑒于扭矩?cái)Q緊法存在的不足，美國(guó)在20世紀(jì)40年代末開始研究螺栓伸長(zhǎng)和軸向力的關(guān)系。螺栓擰緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長(zhǎng)量和被擰緊件松動(dòng)量的總和大致成比例關(guān)系，因而可采取按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來(lái)達(dá)到預(yù)定擰緊力的方法。圖1示意性地描述了轉(zhuǎn)角擰緊法的曲線走向。首先將螺栓擰緊到起始力矩Ms，即將螺栓拉伸到接近屈服點(diǎn)，然后，再旋轉(zhuǎn)一定的角度A0，將螺栓拉伸到塑性區(qū)域。旋轉(zhuǎn)角度擰緊法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長(zhǎng)量，在彈性范圍內(nèi)軸向預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量成正比，控制伸長(zhǎng)量就是控制軸向力，螺栓開始塑性變形后，雖然兩者已不再成正比關(guān)系，但螺栓受拉伸時(shí)的力學(xué)性能表明，只要保持在一定范圍以內(nèi)，軸向預(yù)緊力就能穩(wěn)定在屈服載荷附近。所以，圖1中所示的兩個(gè)摩擦系數(shù)不同的螺栓，雖然采用相同的擰緊法擰緊后的最終力矩M1與M2相差很大，但是，由于螺栓強(qiáng)度、尺寸相同，所以預(yù)緊力相差不大。與扭矩?cái)Q緊法相比，不僅高精度地完成了對(duì)擰緊的控制，而且充分提高了材料的利用率。圖2??

3屈服點(diǎn)擰緊法 3.屈服點(diǎn)擰緊法 屈服點(diǎn)擰緊法的理論目標(biāo)是將螺栓擰緊到剛過(guò)屈服極限點(diǎn)。圖2示意性地描述了屈服點(diǎn)控制法的擰緊曲線。采用屈服點(diǎn)擰緊時(shí)，首先將螺栓擰緊到某一個(gè)規(guī)定的起始力矩Ms，從這點(diǎn)開始，設(shè)備監(jiān)控?cái)Q緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降到超過(guò)了設(shè)定值，那么就認(rèn)為把螺栓拉伸到了屈服點(diǎn)，工具停止運(yùn)行。 屈服點(diǎn)擰緊法最大的優(yōu)點(diǎn)是將摩擦系數(shù)不同的螺栓都擰緊到其屈服點(diǎn)，最大限度的發(fā)揮了螺紋件強(qiáng)度的潛力，但是它對(duì)干擾因素比較敏感，同時(shí)對(duì)螺栓的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，控制難度較大。因此擰緊工具的價(jià)格十分昂貴。 螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià) 對(duì)于螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià)包括兩種，一種是采用數(shù)顯或表盤式力矩扳手，測(cè)量裝配后的螺栓的力矩，來(lái)評(píng)價(jià)螺栓擰緊的質(zhì)量，這種方法由于采用人工操作，所以一般采用抽檢的方式；另一種是通過(guò)擰緊設(shè)備中集成的力矩及轉(zhuǎn)角傳感器，對(duì)螺栓裝配的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，這種方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的裝配過(guò)程進(jìn)行100%檢驗(yàn)。1.手工檢驗(yàn) 由于手工檢驗(yàn)得到的力矩值，是在裝配完成后測(cè)量的，力矩值較裝配過(guò)程中有了一定程度的衰減，所以測(cè)量到的結(jié)果被稱為靜態(tài)力矩。首先采集至少100個(gè)實(shí)際扭矩測(cè)量值，然后用統(tǒng)計(jì)分析的方法，求出標(biāo)準(zhǔn)偏差s。根據(jù)不同用途的實(shí)際情況，以±2s或±3s作為控制范圍的上、下極限。如果實(shí)際測(cè)量值不在控制限之內(nèi)，則認(rèn)為被測(cè)量的擰緊不合格。在汽車制造領(lǐng)域，大多數(shù)企業(yè)通常采用以下兩種方式對(duì)裝配后的螺栓的擰緊質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)，一是裝配后立即對(duì)其抽檢，另一種是在整車經(jīng)過(guò)路試連續(xù)行駛、承受過(guò)負(fù)載后再對(duì)相關(guān)的螺栓聯(lián)接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)價(jià)。德國(guó)大眾汽車將這兩種檢測(cè)分別定義為MNA1和MNA2。但是采用這種方法時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)： （1）擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)CMk必須達(dá)到或更高，過(guò)程能力指數(shù)Cpk?≥；（2）測(cè)量力矩時(shí)必須采用緊固法，即在旋緊螺栓的方向上旋轉(zhuǎn)一個(gè)比較小的角度（通常不超過(guò)5°）； （3）必須在該螺栓裝配后30min內(nèi)測(cè)量MNA1； （4）測(cè)量結(jié)果的控制限，只能靠統(tǒng)計(jì)分析得出，不能采用產(chǎn)品力矩設(shè)定的公差值。 2.設(shè)備檢驗(yàn)

4 設(shè)備測(cè)量到的力矩值，是在裝配過(guò)程中由傳感器直接讀出的，還沒(méi)有衰減，所以測(cè)量到的力矩值被稱為動(dòng)態(tài)力矩值。 由于屈服點(diǎn)擰緊法目前應(yīng)用不是太廣泛，而扭矩?cái)Q緊法一般采用不帶監(jiān)控功能擰緊工具，所以，我們主要以轉(zhuǎn)角擰緊法為例來(lái)介紹裝配過(guò)程中擰緊質(zhì)量的控制。轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊質(zhì)量目前主要有以下幾種評(píng)定方法： （1）參考標(biāo)準(zhǔn)法。某些大型的企業(yè)集團(tuán)或標(biāo)準(zhǔn)化組織，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，給出了一些轉(zhuǎn)角擰緊法裝配的最終力矩的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。（2）最終力矩統(tǒng)計(jì)法。這種方法的前提是，必須保證過(guò)程穩(wěn)定，然后讀取擰緊后的最終力矩值，再經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，剔除不合格的值，計(jì)算出其均值、方差，來(lái)確定最終力矩的控制限。目前，擰緊設(shè)備的技術(shù)水平有了很大發(fā)展，最終力矩可以很方便地從擰緊設(shè)備中讀取得到，所以這種方法在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 在過(guò)程穩(wěn)定的前提下，最終力矩一般服從正態(tài)分布，為了使最終力矩的控制限設(shè)置得盡量合理，一般要考慮在統(tǒng)計(jì)學(xué)中經(jīng)常提到的兩類錯(cuò)誤中尋找平衡，即首先我們希望我們?cè)O(shè)置的控制極限要盡可能地排除不合格的擰緊，但這樣帶來(lái)的后果是，控制限被設(shè)置的很苛刻，范圍很小，導(dǎo)致把一些本來(lái)合格的擰緊剔除了（棄真），從而導(dǎo)致不合格品的大量增加，進(jìn)而增加成本；另一方面，為了盡可能避免合格的擰緊被剔除，我們需要盡可能地增大控制限，這就會(huì)導(dǎo)致某一些本來(lái)不合格的擰緊，出現(xiàn)在了我們?cè)O(shè)置的控制限之內(nèi)（存?zhèn)危o我們的產(chǎn)品帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。如何在“棄真”與“存?zhèn)巍敝g找到平衡，不同的企業(yè)，結(jié)合自身的特點(diǎn)，對(duì)于避免這兩類錯(cuò)誤的要求不同，但是大部分的企業(yè)，一般選擇取統(tǒng)計(jì)結(jié)果的±3s（s代表樣本的標(biāo)準(zhǔn)差）作為最終力矩的控制限。 無(wú)論是采用統(tǒng)計(jì)法還是參考標(biāo)準(zhǔn)法，我們的控制對(duì)象都是轉(zhuǎn)角擰緊后的最終力矩，無(wú)論如何設(shè)置最終力矩的控制限，都不能完全保證所有最終力矩滿足控制限要求的擰緊都是合格的，即“存?zhèn)巍卑l(fā)生概率只可能盡量減小，不可能消除。但是，如果這種小概率事件發(fā)生在汽車重要的螺栓連接上，將給駕駛者的生命安全帶來(lái)極大隱患。 （3）

5分析擰緊曲線法。目前很多擰緊設(shè)備都可以顯示擰緊過(guò)程中，力矩隨時(shí)間或角度變化的曲線。 這種通過(guò)觀察擰緊曲線來(lái)判定扭矩—轉(zhuǎn)角法是否合格的方法，雖然比較直觀、可靠，但是對(duì)于分析者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)有很高的要求，而且分析過(guò)程需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。所以不適合應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中去。 案例 我們將以上介紹的3種方法相結(jié)合，充分的利用目前先進(jìn)的擰緊設(shè)備各種監(jiān)控功能，對(duì)旋轉(zhuǎn)角度擰緊法的質(zhì)量進(jìn)行控制，取得了比較好的效果。下面以汽車前橋的1個(gè)擰緊裝配為例進(jìn)行介紹，擰緊設(shè)備采用AtlasCopco擰緊機(jī)，設(shè)備編程軟件為PowerMACS，螺栓M16，強(qiáng)度等級(jí)，產(chǎn)品裝配力矩為：70Nm+90°。為了適應(yīng)批量生產(chǎn)對(duì)于裝配速度的要求，我們通常把擰緊劃分為幾個(gè)階段，首先采用比較快的擰緊速度使螺栓頭部下端面迅速與被夾緊零件面貼合（這里選擇20Nm），然后再以稍低的速度使螺栓擰緊到起始力矩（70Nm），最后，再低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角（90°），完成整個(gè)擰緊過(guò)程。 為了控制轉(zhuǎn)角擰緊法的質(zhì)量，是不是只要保證最終力矩在我們?cè)O(shè)置的控制限之內(nèi)就可以了呢通過(guò)對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)問(wèn)題的分析，我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中采用轉(zhuǎn)角擰緊法時(shí)，螺栓的質(zhì)量問(wèn)題不是只發(fā)生在轉(zhuǎn)角擰緊階段，有的還發(fā)生在起始力矩?cái)Q緊階段。假力矩就是一種發(fā)生在力矩?cái)Q緊階段的嚴(yán)重的擰緊不合格現(xiàn)象。所謂假力矩是指，雖然擰緊設(shè)備顯示擰緊達(dá)到了要求的力矩，但是螺栓頭部下端面并沒(méi)有和被夾緊件緊密貼合，或者雖然結(jié)合了，但是沒(méi)有產(chǎn)生足夠的夾緊力，造成螺栓連接失效。分析失效問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的主要原因是螺母中存在焊渣、螺栓的軸線沒(méi)有與螺母對(duì)正和螺栓太長(zhǎng)等，這種失效往往會(huì)引起擰緊設(shè)備旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度發(fā)生異常，所以，我們認(rèn)為在力矩?cái)Q緊過(guò)程中添加角度監(jiān)控是很有必要的。 將這個(gè)擰緊過(guò)程中的數(shù)據(jù)搜集起來(lái)，然后我們采用Q-Das軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們程序設(shè)置如下： 第一步，力矩控制（20Nm）角度監(jiān)控； 第二步，力矩控制（70Nm）角度監(jiān)控； 第三步，轉(zhuǎn)角控制（90°）

6圖3?最終力矩的分布圖力矩監(jiān)控（如圖3所示），計(jì)算結(jié)果為，402Nm～516Nm，最小值，最大值，標(biāo)準(zhǔn)中的控制限的參考范圍為310Nm～510Nm，所以我們?cè)O(shè)置最終力矩控制限為405Nm～505Nm。 為了吸取分析擰緊曲線法的優(yōu)點(diǎn)，利用Atlas擰緊軟件豐富的監(jiān)控功能，我們還監(jiān)控了轉(zhuǎn)角階段的曲線形狀，比如，監(jiān)控?cái)Q緊曲線是否在轉(zhuǎn)角階段、是否有空轉(zhuǎn)等，很好地控制了轉(zhuǎn)角擰緊的質(zhì)量。 我們對(duì)設(shè)置后的狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤，采集了一些擰緊曲線進(jìn)行分析，測(cè)量并分析MNA1及MNA2的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)效果良好，很好地控制了擰緊質(zhì)量。 目前，擰緊技術(shù)在我國(guó)并沒(méi)有被引起足夠的重視，對(duì)于擰緊技術(shù)的研究基本上還處于起步階段，一些先進(jìn)的擰緊方法只應(yīng)用在汽車合資公司及一些高科技企業(yè)，隨著大家對(duì)擰緊技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及自主品牌汽車的發(fā)展，擰緊技術(shù)在國(guó)內(nèi)必將有長(zhǎng)足的發(fā)展。另外，隨著先進(jìn)的管理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，也將有更大的進(jìn)步。?