螺紋擰緊技術研究與應用

李柏樂，張志存，陳 榮

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

螺紋聯接結構形式廣泛應用于機械制造行業，螺紋聯接的質量對產品的可靠性起著關鍵作用。螺紋擰緊是螺紋聯接的一項重要質量指標，包含擰緊技術與防松技術螺紋擰緊技術。隨著客戶對產品質量要求越來越高，要求企業掌握螺紋的擰緊技術與防松技術以不斷提高產品的可靠性。所以如何掌握并應用螺紋擰緊技術對提升產品的質量非常關鍵。

1 擰緊技術

1.1 夾緊力設計

夾緊力是螺紋聯接產生效果的一個重要參數，在螺紋聯接結構設計時需要通過分析受力情況來設計夾緊力的大小。螺紋擰緊時隨著螺母的旋轉將螺母與螺栓頭的距離不斷縮小，螺栓受拉時將產生拉力，聯接件受到擠壓時產生夾緊力，此時的夾緊力就是螺紋擰緊時需要保證的一個重要參數，如圖1所示。因為螺紋聯接在夾緊力作用下有自鎖功能，所以夾緊力設計的大小需要滿足工況要求，即在產品工作的情況下保證夾緊力足夠大，以保障螺紋聯接在夾緊力作用下螺紋自鎖功能起效，從而保證螺紋聯接的可靠性。具體夾緊力設計的詳細過程請參考《機械設計基礎》[1]。

圖1 螺栓受力分析

1.2 擰緊策略

1.2.1 扭矩控制法

扭矩控制法是擰緊螺栓頭或螺母時控制扭矩值從而獲得相應夾緊力的一種擰緊方法，也是應用最廣泛的一種擰緊方法。扭矩與夾緊力的關系一般遵循5-4-1原則，即所施加的扭矩50%需要克服螺栓頭或螺母旋轉所產生的摩檫力，40%需要克服螺紋副的摩檫力，10%產生夾緊力，如圖2所示。

圖2 扭矩的傳遞

如果將螺栓頭及螺紋副產生的摩擦力當成總的摩檫力，那么扭矩與夾緊力的關系如公式1所示。

T為扭矩；K為摩擦系數，一般取值為1.5～2.5；F為夾緊力；d為螺栓公稱直徑。

扭矩控制法具有簡單易操作成本低的特點，應用比較廣泛，但由于影響K值的因素比較多，如聯接件涂層材料、螺栓的涂層材料、聯接形式、螺紋質量等都會影響K值，導致相同扭矩產生的夾緊力有一定的偏差，所以扭矩控制法一般不用在夾緊力精度要求很高的部位。

1.2.2 扭矩-轉角控制法

扭矩-轉角控制法是先將螺栓擰緊到目標扭矩的10%后再旋轉一定的角度從而獲得相應夾緊力的一種擰緊方法。旋轉的角度可以通過計算得出一個近似數，但最后需要通過實驗得出最終結果，具體的擰緊過程如圖3所示。

圖3 扭矩—轉角控制過程

扭矩-轉角控制法最大優點就是不受螺栓頭及螺紋副摩擦力的影響，所以產生的夾緊力僅與螺栓的拉伸和構件受壓縮的長度總和有關，即轉角大小有關，所以該方法獲得的夾緊力精度比較高。扭矩-轉角控制法主要應用在重要的裝配部位，如發動機缸蓋螺栓的連接、連桿螺栓。但該方法工藝比較復雜，控制的角度參數需經過試驗確定，而且設備的價格特別高，維護費用也較復雜。

1.2.3 螺栓長度控制法

螺栓長度控制法是在擰緊過程中控制螺栓的伸長量從而獲得相應夾緊力的一種擰緊方法。該方法一般采用測微儀直接測量擰緊過程中的螺栓伸長量，或用超聲波測長儀等高精度的動態測量儀測量螺栓的伸長量，從而控制夾緊力。夾緊力與伸長量的關系如公式（2）所示。

F為夾緊力；K為螺栓的應力因子；ΔL為螺栓的伸長量。

螺栓長度控制法的優點是夾緊力的控制精度高，預緊力可以控制在±5%內。但這種方法需要專用裝置測量螺栓的伸長量，在連續生產過程中無論在具體結構上和實施方法上都很困難，只能應用于實驗室，產品設計研究，工藝設計階段，航空安全要求高的情況，無法應用于大量生產。

1.2.4 屈服點控制法

屈服點控制法是擰緊過程中擰緊設備監控到螺栓強度的屈服點時就停止擰緊從而獲得相應夾緊力的一種擰緊方法。螺栓在拉伸過程中屈服點的監控完全是靠擰緊設備通過轉角與力的變化計算識別，從而達到控制夾緊力的目的，如圖4所示。

圖4 屈服點控制過程

屈服點控制法的優點是不受扭矩控制法摩擦系數和扭矩-轉角控制法的起始點扭矩影響，從而克服了扭矩控制法和扭矩-轉角控制法的缺點，提高了擰緊精度。但是屈服點控制法對螺栓的材料和熱處理要求較高，一般應用于要求特別高的裝配部位，此外由于擰緊時螺栓已達到了螺栓強度的屈服點，不能重復使用。

2 防松技術

2.1 機械防松法

機械防松法是利用額外加裝的機械裝置來防止螺紋副產生相對運動從而達到螺紋防松效果的一類防松方法。如圖5所示是常用的機械防松法。

圖5 止動墊圈及串聯鋼絲放松法

2.2 摩擦防松法

摩檫防松法是通過增加螺栓頭摩檫力或螺紋副摩檫力從而達到螺紋防松效果的一類防松方法。摩檫防松法常用的方法有雙螺母防松法、尼龍螺母防松法、楔形螺母防松法等，其中雙螺母防松法及楔形螺母防松法如圖6所示。

圖6 雙螺母及楔形螺母防松法

2.3 破壞螺紋副防松法

破壞螺紋副防松法是通過破壞螺紋副從而達到螺紋防松效果的一類防松方法，如圖7是常用的一種破壞螺紋副防松法。

圖7 破壞螺紋副防松方法

2.4 粘接防松法

粘接防松法是通過在螺紋副之間添加粘接劑來產生固持力從而達到螺紋防松效果的一類防松方法，如圖8所示。

圖8 添加螺紋膠防松法

3 結束語

螺紋聯接是一種可拆卸的固定聯接，它具有結構簡單、聯接可靠、拆裝方便等優點，廣泛應用于機械制造行業，掌握螺紋擰緊技術并加以應用對提升產品的質量非常重要。擰緊技術首先要對夾緊力進行合理設計，然后通過合適的擰緊策略獲得相應的夾緊力，最后對于某些震動惡劣的部位，必須要考慮防松技術的應用，以達到良好的螺紋防松效果。此外，需要考慮產品結構空間特性及擰緊效率要求，選擇合適的擰緊工具[2]，從而保證產品的質量，提升產品的競爭力。