高强度螺栓的紧固分析

高强度螺栓的紧固分析

高强度紧固件是汽车、航空、钢结构行业中最常见最重要的装配连接方式。目前，国际国内各领域对产品的质量和安全可靠性，都提出了越来越高的要求，而螺栓的摩擦系数、扭拉关系作为螺栓连接副中重要的技术参数，在产品装配可靠性上具有重要意义。如何测定螺栓的摩擦系数，如何设计、验证螺栓的拧紧装配方法，不同的表面处理如何改变螺栓的摩擦系数等，以上这些问题，都越来越受到紧固件生产和使用部门的高度重视。

2007年3月19日起，广州本田汽车有限公司决定召回2005年2月22日到2007年2月14日期间生产的05～O7款奥德赛轿车共68993辆。召回原因是这些车辆在使用过程中，助力泵固定螺栓可能受到过大弯曲应力而产生断裂，进而导致皮带脱落，可能的后果是造成打方向变重，发动机不能正常运行。召回车辆将在助力转向泵固定螺栓处安装加强件，以便加强紧固力，防止此类现象的发生。

螺栓连接，首先要考虑正确的装配过程，确保员工严格执行扭力扳手操作规范，其次在流水线上加强班长、段长抽查扭力的频次，规范指针扳手抽检方法，加强对扭力超差缺陷的前后车辆进行追溯，保证无不合格产品流到下工序；然后对产生缺陷的员工作重点培训，以提高使用扭力扳手操作的一次合格率。

通过实践和学习，笔者对螺栓、螺母等高强度紧固件的装配可靠性，有些心得体会，现作如下总结以与同行交流。

1 螺栓拧紧装配中质量控制的10个步骤

1．1影响螺栓连接质量的“4M”

(1)Man：操作者；

(2)Machine：扭紧工具；

(3)Method：装配策略；

(4)Material：螺母和螺栓的质量。

1．2 螺栓拧紧装配过程中质量控制的10个步骤

(1)确定合理的设计参数(method)。因为被连接件紧固力即螺栓张紧力的测量，只有在实验室通过超声波测长来实现，所以生产现场多采用的是通过扭矩间接控制张紧力的方法。螺栓摩擦力的影响，见表1。

表1 螺栓摩擦力影响表

从表1可以看到，在螺丝拧紧过程中，当摩擦系数有0．08时，通常会有80％扭矩因摩擦而损失，真正能够拧紧螺丝产生轴力的扭矩，只剩20％；而当连接副的摩擦系数达到0．14时，只有14％的扭矩才能产生轴力。为确保生产线上组装工作的品质，能加以控制并达到一致性。选定螺栓参数时就必须考虑接合面所产生摩擦力的影响。如螺丝轴承面，螺牙，垫片等所造成的摩擦力。对螺栓扭矩的控制，可从下列两点来思考：

1)流水线速度过快可能导致扭矩过快的衰减；

2)部分零件的扭矩工艺范围偏小，现场不好控制，技术中心应该结合现场实际情况考虑扳手和测量工具的综合误差，连接副的配合情况等等来划定工艺范围。

(2)紧固件材料质量的检查。主要的参数是：尺寸，润滑，表面质量，涂层。还要考虑扭矩实施时的影响，例如：稳定支撑杆，轮胎等零件扭矩会因螺母施加次序不合理，而造成部分螺栓扭力的变化。利用台架设备也可以测量参数，见图1。

图1 利用台架设备测量参数

这个台架有三个传感器分别测出转角，扭矩，张紧力三个参量。通过软件可以获得以下参数：扭矩系数，摩擦面系数(总摩擦系数，螺纹副摩擦系数，支撑面摩擦系数)，屈服点轴力，屈服点扭矩，转角，最大扭矩和最大扭力(如表2)，并可以获得螺栓从预紧直到断裂的动态曲线图(如图2)。

表2 测试项目及可求出的紧固特性

图2 螺栓从预紧直到断裂的动态曲线图

(3)使用正确的工具。根据螺栓分类来选择工具和扭矩策略。A：直接影响人身安全；B：失效；C：顾客抱怨。

(4)制定合适的工具送检计划。工具的动态测试和静态测试，精度1％。

(5)使用校准过的工具。根据标准进行校准。

(6)不定期抽检螺栓。测试螺栓受力曲线与实验室的标准曲线比对，从而发现缺陷。

(7)合理的检验过程。通用标准：取指针扳手旋转l0度角过程中的最低值为抽检值。(8)全流程一致性。螺栓制造和检验过程，工具检验过程中所采用的标准和度量衡等必须一致。(9)培训员工。员工需要知道螺栓连接知识，能够辨识装配质量好坏，并且对紧固失效情况有清醒认识。

(10)第三方检测。同样地设备会有系统误差，需要第三方的不同设备检测。

2 螺栓紧固知识

2．1 轴力与扭矩公式

因为现场是用扭力扳手控制，扭矩是个常量。如果肛变大，F变小，紧固失效；如果变小，F变大，当F超过螺栓的抗拉极限，螺栓就会断裂。

2．2 螺纹副摩擦系数对扭矩的影响

6376汽车后桥纵臂前部螺栓曾出现扭力打不响，最终螺栓断裂的情况，怀疑与螺纹副的摩擦系数有关，螺栓表面涂层和牙型有问题，都可能导致摩擦系数变小。某家汽车装配厂，某天的一段时间，发现某工位的拧紧机都会拧断数颗螺栓。经调查，发现因该工位的员工因事离开，将工作移交他人；而此人是一名润滑工，手套上沾满油渍，沾上油的螺栓，降低了螺纹副的摩擦系数。用软件可以输入一些参数：应用的标准，拧紧过程，螺栓公称直径，公差，螺栓等级，螺栓涂层，润滑情况，牙型等。

x 轴：转角

左纵轴：扭矩

右纵轴：轴力

屈服点的定义：当弹性变形斜率降到50％的点为屈服点。

图3 弹性变形斜率

下面是测试仪出的一些图：

图4 测试仪

2．3螺栓表面涂层对扭矩和轴力的影响

图5 螺栓表面涂层对扭矩和轴力的影响

以下实验证明螺栓表面涂层对扭矩和轴力的影响：图5是一个M12×120的螺栓，取两个螺栓，一个是8．8级，一个是12．9级，首先对它们作拉伸实验，结果如下(见表3)：然后作拧紧实验，表面采用不同的涂层。此试验说明，采用不同涂层的螺栓，在不同的润滑条件下，轴力的损失波动范围可以从8％到27％。

表3 M12螺栓拉伸结果数据表

3 扭矩加转角控制法

紧固件扭矩的控制方法共有三种：

(1)扭矩控制。有些车间主要采用的是扭矩控制，也就是在螺栓弹性区间进行控制的方法。而扭矩加转角控制法，是过屈服点控制。因为它可以把螺栓的强度用到最大，通过选用尺寸较小的螺栓，从而起到减小螺栓重量，节省空间的效果。

图6 扭矩控制图

(2)扭矩加转角控制。图6是扭矩加转角控制示意图，先施加75 N·m的扭距，再旋转两个180。。角度值的选择依据：扭矩最大值不能超过螺栓承受极限值。

图7 扭矩加转角控制图

根据图7引发一个思考：现场只要使用扭力扳手，扳手一响，即使扭力值超过工艺范围上限，螺栓也不会失效，这个结论正确与否还在论证。扭矩加转角控制需要采用的螺栓有一个好的塑性变形区，螺纹段长度越大越好。

4 现场扭矩的检测

现场用指针扳手检测，需要操作者有良好的手感。由图8所示，现场扭力检测值有一个先升后降再升的过程。所以对螺栓转动瞬间的把握很重要，这些都取决于操作者的经验。

图8 扭力检测浮动图

图1 装置工作原理示意图

4 结束语

04站35kV系统改造结束后，满足了公司不断增加的负荷需求，在消弧线圈和小电流接地选线投人运行后，运行状况良好，并且在几次系统发生单相接地时，对故障点的接地电流补偿良好，使接地电流变为数值显著减小的残余电流，避免了接地电弧的重燃，达到彻底熄弧的目的；选线装置的正确选线，为消除接地事故赢得了时间，保证了系统能够安全、可靠、稳定地运行。