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目前，國內主機廠對螺紋緊固件扭矩控制方法主要有:扭矩控制法、轉角控制法、屈服點法、伸長量法四種。 以下，我們詳細介紹四種扭矩控制方法對緊固件連接質量的影響，并對比目前主機廠所使用的四種緊固件質量控制法中，哪種最經濟實惠，且相比可達到較好的效果。 1、扭矩控制法 扭矩控制法是最簡單的緊固控制方法，它通過直接控制施加在螺栓的扭矩來控制被連接件的預緊力，其原理在于擰緊時預緊力與擰緊扭矩成正比關系: T=KxdxF0 其中，T--擰緊扭矩， k--扭矩系數， d--螺栓公稱直徑，F--預緊力。 該式直觀反映了扭矩控制的實質就是控制螺栓的軸向預緊力。扭矩控制法的優點是成本低，可以使用簡易的扭矩扳手進行作業而無需其他復雜的設備與監測。其缺點就是擰緊精度不夠，不能充分發揮材料潛力，受環境、操作手法等影響較大。 扭矩系數k的取值與許多因素有關，在實際操作中離散度較大，適用在一些要求不高的應用場合，總體而言k一般的取值范圍在0.1~0.3之間。早在1973年，美國懷特帕特森空軍基地就確定了一系列影響螺栓扭矩和預緊力之間關系的因素， 其中包括：螺栓的材質，螺栓的成型工藝，螺紋形狀，螺栓的同心性，螺紋連接副和墊圈的硬度，墊圈的類型和種類，部件的表面粗糙度，內螺紋邊緣的毛刺，螺栓鍍層的厚度、種類和一致性，螺栓的潤滑，螺栓的緊固工具，螺栓的擰緊速度，扭矩扳手和螺栓的配合度，螺栓的使用次數，環境溫度等。 扭矩控制，主要是依據具有相當精度的緊固工具和合理的工藝方法來保證。就目前狀況而言，扭矩控制法的扭矩控制精度最高能達到3%-5%的水平，而性價比較為合理的扭矩控制精度是10%~20%。 緊固件擰緊時所需扭矩，一般參考經驗值，螺紋公稱直徑越大，強度等級越高，擰緊所需扭矩值越大。個別特殊類型的緊固件也有相關的國家標準和行業標準可供參考。 以下是某從事緊固工具公司提供的部分不同公稱直徑和強度等級F的推薦擰緊扭矩的技術資料:  2、扭矩-轉角控制法 鑒于扭矩擰緊法存在的不足，美國在20世紀40年代末開始研究能夠提高擰緊精度的控制方法，進而提出了扭矩-轉角控制法。扭矩轉角控制法是先將螺栓擰到一個不大的扭矩，再從此點開始，擰一個規定的轉角的控制方法。這一方法是基于一定的轉角，使螺栓產生一定的軸向伸長，同時被連接件則被壓縮了。 這樣做的目的是通過擰緊扭矩先將螺栓頭部或螺母擰到緊密接觸面上，克服表而凹凸不平等不均勻因素，而之后所需求的軸向預緊力由轉角產生。 利用轉角控制擰緊程度，摩擦阻力對預緊力的影響不復存在，所以其精度比單純的扭矩控制法要高。扭矩轉角控制法的要點就是確定轉角，一旦這個轉角被確定下來就可以在擰緊過程中獲得相當高的精度。 從螺紋的運動學來看，螺母轉動時螺母的位移量s: s=pθ/360° 式中，P--螺距，θ--螺母轉角。 實際擰緊一個螺母時，在開始的幾轉期間，不會產生預緊力，只有當螺母接觸被連接件或墊圈后，預緊力才開始產生。 不過，由于此時各接觸表面接觸點很少或因被連接件與周圍構件間的摩擦力，以及墊圈彎曲等原因，預緊力很小，但其增長卻很迅速。這個過程稱為被連接件的貼緊過程。 貼緊過程期間螺母要轉多少圈無法預知，而且，即使在完全相同的情況下，螺母轉的圈數也可能不一樣。而當被連接件貼緊后，預緊力與轉角呈線性關系。  預緊力與轉角關系圖 扭矩-轉角控制法的優點是擰緊精度高，擰緊質量穩定，螺紋間摩擦系數對擰緊質量的影響小，故能充分利用螺栓的承載能力，從而獲得較大的預緊力；而缺點在于其控制系統比扭矩控制法要復雜，需要測量擰緊扭矩和轉角2個數據。 對于傳動軸、缸蓋螺栓此類要求預緊力充足且均勻的螺紋連接，應該越來越多地采用扭矩-轉角控制法的緊固工藝。 3、屈服點控制法 顧名思義，屈服點控制法就是利用緊固件材料的屈服點來控制緊固件的裝配。這種方法是在扭矩-轉角控制法基礎上發展起來的一種更精準的擰緊控制方法。 目前只有少數生產高端品牌的汽車發動機廠家在使用，這是因為這種方法所需要的設備成本太大。它是通過對扭矩~轉角曲線斜率的連續計算來判斷屈服點的。屈服點控制法的目標是將螺栓或螺母擰緊到剛剛超過屈服極限點，從而最大限度利用緊固件材料的性能。 采用屈服點擰緊時，首先將緊固件擰緊到某一個規定的起始扭矩M，從這點開始，設備監控擰緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降超過了設定值，那么就可以認為緊固工具將緊固件拉伸到了屈服點，工具停止運行。 屈服點擰緊法最大的優點是不受扭矩控制法的摩擦系數和轉角控制法的轉角起始點的影響，可以將摩擦系數不同的緊固件都擰緊到其屈服點，從而最大限度的發揮了緊固件材料強度的潛力，克服了扭矩控制法和轉角控制法的缺點，進一步提高了裝配精度;但是它對外界干擾因素比較敏感，同時對緊固件的性能及結構設計要求極高，控制難度較大，因此相應的緊固工具的價格也十分昂貴。 4、伸長量控制法 在緊固件達到屈服強度以前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，其伸長量與預緊力的關系為： δ=FL/EA 式中：δ--螺栓伸長量，F--預緊力，L--螺栓有效長度，A--螺栓的橫截面積，E--螺栓的彈性模量。 由上述關系式可見，預緊力與螺栓伸長量亦呈線性關系，與難以測量控制的摩擦系數及被連接件剛度無關。伸長量控制法就是在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的預緊力。 此方法控制的軸向預緊力能排除摩擦系數、接觸變形和被連接件變形等可變因素的影響，從而獲得很高的預緊力精度。 當前伸長量的測試手段中超聲波測試方法較為先進，通過聲程差及對環境的自動補償功能來進行伸長量的測試2231。但是，該測試方法作為擰緊控制依據，整體系統更為復雜，成本很高。因此這種擰緊控制方法應用范圍也沒有前兩種廣泛。 |
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