螺栓拧紧实验

螺纹紧固件的拧紧试验

螺纹紧固件的拧紧试验

通过对螺纹紧固件的紧固力分析，介绍了四种螺纹紧固件的装配方法和拧紧试验原理。同时对四种装配方法进行深入的讨论，利用试验结果论证不同装配方法产生的预紧效果与装配精度。比外还列举了螺纹紧固件的失效分析案例，进一步阐述螺纹紧固件拧紧试验的重要性。

螺纹紧固件是机械产品中最常见的连接件，螺栓和螺母则是螺纹紧固件中用途最广的零件。螺纹紧固件的结构大都不很复杂，制造和装配看起来似乎也无惊人之处。但无数的质量事故不断提醒人们不可小觑貌似简单的螺纹紧固件。制造和装配是螺纹紧固件影响其质量的两大关键，从某种意义上讲装配质量对螺纹紧固件的影响甚至大于其制造质量的影响。随着对机械零件小型化和对连接要求的提高，装配质量越来越引起人们的关注。如何使螺纹紧固件的实际紧固力精确或较精确地接近理论紧固件（即紧固件效果）是人们最为关心和研究最多的课题。

1、螺纹紧固件的紧固力

螺纹紧固件的紧固力P0一般是通过控制扭矩M来实现的，这是基于P0与M 之间存在以下关系：

显然，用力矩M来控制P0是很不精确的。因为在这两者的关系中包含着一个变化很大且难精确确定的摩擦系数f。它受螺纹表面及座面粗糙度、润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、反复拧紧时的温度变化等诸多不定因素的影响，这就使真正的紧固件力很分散，波动极限约为±40%。分析各种螺纹紧固件损坏原因，发现设计正确，工艺及材料合格的产品，大都是由于螺纹松动所致。松动是由于各种外力作用下实际紧固件的紧固力显得不足（尽管扭力扳手已保证了理论紧固力）或螺纹紧固件与被连接件之间产生相对滑动而引起的。也就是说，由于用单纯扭距法进行机械零件的连接的实际力与理论紧固力的不一致性，影响了螺纹紧固件的紧固效果。因此，这种凭扭矩进行装配的方法用于一般机械零件的连接尚可，若用在随高交变应力的机械连接上则很可能出问题。显然，精确控制紧固力是提高螺纹紧固件紧固效果的最好方法。而拧紧试验是制订确的拧紧工艺（即拧紧工艺优化）和实现精确控制紧固力的重要手段和前提。

若设c1、c2分别为螺纹紧固件和被连接件的刚度，λ 01为螺纹紧固件紧固时的伸长量，λ 02为被连接紧固件的压缩量，P0为螺纹紧固件在屈服附近的紧固件，则有

P0=c1 λ 01=c2 λ 02

螺母（或螺纹紧固件）的轴向位移量应为λ 01＋λ 02，则螺母（或螺纹紧固件）的旋转角

式中s—螺纹的螺距

因为λ 01、λ 02、s均是变化不大的比较确定的值，因此θ亦为确定值。由于c1、c2的变化也不大，故控制了螺母（或螺纹紧固件）的旋转角就可保证实际紧固力与理论紧固力的一致性。由于在屈服区域附近的P0变化相对小，故屈服区域扭矩＋转角法比单纯扭矩法的分散度小。

通过以上分析显然可以看出，如果直接用变形量λ 01来控制P0是最可靠的办法。这在理论上是很多容易说得通的，但由于需要特殊的测量装置，实际操作起来非常麻烦，何况有些螺钉根本无法测量伸长量。故尽管这种装配方法精度很高，但实际使用的地方并不多。

基本以上紧固力的分析，螺纹紧固件的装配有几种不同的方法。

2、常见的螺纹紧固件装配方法

目前常见的螺纹紧固件装配方法有以下四种：

（1）单纯扭矩法

（2）弹性区域的扭矩＋转角法

（3）屈服（塑性）区域的扭矩＋转角法

（4）伸长量测量法

以上四种螺纹紧固件装配方法的紧固效果见表1。

2．1、单纯的扭矩法

利用拧紧试验的结果（特别是紧固件—转角曲线、扭矩—转角曲线和伸长量—紧固力曲线）就可以很方便地制订拧紧工艺。单纯扭矩法比较简单，首先由设计人员确定螺纹紧固件所需的紧固力P0，然后根据该紧固力P0在紧固力—转角曲线上找出相应的转角αTOT，最后根据T在扭矩—转角曲线上找出与αTO对应的扭矩M，此扭矩M即为装配扭矩（图1）。

2．2、扭矩＋转角法

扭矩＋转角法装配工艺的确定则要比单纯矩法复杂些：首先根据设计所需的紧固力在拧紧试验做出的拉力—转角曲线上找出对应的转角αTOT；在扭矩—转角曲线上找出与预扭矩相应α1；实际装配的有效转角αEFF=αTOT－α1。装配时，先将螺纹紧固件按预扭矩α1拧紧，然后转动αEFF角度。

弹性区域扭矩＋转角法与屈服区域扭矩＋转角法的区别是前者的紧固力设计在螺纹紧固件拉伸曲线的弹性区，而后者则将紧固力设计在屈服区。但两种方法的装配效果和对螺纹紧固件及装配设备的要求是不同的。表2是两种装配方法的优缺点比较。

表3是某螺栓两种方法的紧固力及统计分析结果。从表3可看出在屈服区螺栓的紧固力非常σ仅为均值的3.0%。而弹性区域的紧固力则较分散，其3σ

/Mean=15.3%。因此屈服区域扭矩＋转角法的装配精度要比弹性区域扭矩＋转角法高。

2．3、伸长量测量法

这是一种根据P0=c1λ 02，直接利用螺纹紧固件的伸长来控制紧固力的方法。因而其装固件的伸长来控制紧固力的方法。因而其装配精度极高，装配时的紧固力完全符合设计的预计力。由于测量螺纹紧固件的伸长很困难，故其成本昂贵，在找到简便的伸长量测量方法之前，这种装配方法尚无法用于生产。

用伸长量测量法进行装配前亦需进行拧紧试验，做出紧固力—伸长量曲线。根据设计师提供的紧固力—伸长曲线上找出相应的伸长量来控制螺纹紧固件的紧固力（图2）。

3、螺纹紧固件的拧紧试验原理

螺纹紧固件的拧紧试验原理如图3所示：用电机带动拧紧装置（如套筒）拧紧螺纹紧固件，同时利用力传感器，角度传感器和扭矩传感器测出螺纹紧固件的紧固力、转动的角度（转角）、扭矩（螺纹部位的扭矩、头部支承面的扭矩和总扭矩）、摩擦系数（螺纹部位的摩擦系数、头部支承面的摩擦系数和总摩擦系数）。传感器的信号通过A-D转换输入到计算机，计算机用适当的软件处理后打印出紧固件—转角曲线（图4）、扭矩—转角曲线（图5）和紧固力、扭矩及摩擦系数的统计学处理的数据。

另外，利用液压原理，通过力传感器和位移传感器做出紧固力—伸长量曲线（图4）。

4、螺纹紧固件失效分析案例

某发动机曲轴皮带轮螺栓，12.9级，表面镀锌处理，用扭矩法装配。使用时发生掉头现象。后改镀锌为DACRO处理。但又出现“拉长”现象。

此螺栓除了紧固件曲轴皮带轮外，还要求有较好的防松能力。即要求螺栓头部支承面与曲轴头部端面之间有较大的摩擦力，也就是说，此螺栓必须兼顾预紧和防松两个功能。

经检查螺栓的金相组织、抗拉强度、及硬度均符合技术要求，但掉头螺栓的断口有氢脆的特征。

螺栓拧紧试验结果表明：在相同的扭矩下，DACRO螺栓的紧固力要比镀锌螺栓高31.7%。由于装配扭矩是根据镀锌螺栓的摩擦系数确定的，故若改用DACRO 螺栓，不改变装配扭矩，由于其摩擦系数减小，则螺栓受的拉力要增加30%以上，有可能达到或超过螺栓的屈服强度，螺栓有可能发生塑性变形。螺栓拧紧试验结果还表明：在相同紧固力下，镀锌螺栓的摩擦系统平均要比DACRO螺栓高56%。若改变DACRO螺栓的装配扭矩，使之达到镀锌螺栓的紧固力。由于摩擦力正比于正压力，故螺栓头部支撑面与曲轴头部端面的摩擦力达不到防松的要求。由此可见原设计采用镀锌处理正是考虑到其摩擦系数较大，有得增加自锁能力。

基于以上分析，提出三种解决方案：

方案一：使用镀锌螺栓，但加强去氢处理；

方案二：DACRO螺栓，但要求其摩擦系数提高到0.14~0.15；

方案三：DACRO螺栓，另外采取防松措施。

最终采用方案一，问题得以解决。

5、结束语

进行拧紧试验可以为各种螺纹紧固件的装配工艺提供可靠的依据，四种螺纹紧固件装配方法都是根据拧紧试验的结果制订的。四种装配方法各有千秋，具体操作时应综合考虑紧固要求、设备条件、螺纹紧固件的质量水平以及成本等诸方面因素。另外，拧紧试验还有助于螺纹紧固件的失效分析和质量改进。拧紧试验在国外已被广泛应用，国内也有少数公司开展这方面的工作。相信随着机械工业的不断发展，拧紧试验会被更多的人所认识，拧紧试验也将成为机械性能试验中不可或缺的一个试验。