狹小空間內螺栓自動擰緊方法試驗研究*

陳翔宇，劉明洋，徐志剛

(1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室,沈陽 110016；2.東北大學機械工程與自動化學院,沈陽 110819；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院,沈陽 110169)

0 引言

航空發動機作為航空航天和軍事等領域動力引擎，對國家整體實力的提升具有重大意義。航空發動機整體裝配是航空發動機穩定運行的關鍵步驟。螺栓連接[1]是發動機零部件裝配之間最常用的連接方式之一，穩定的預緊力對航空發動機的穩定運行具有非常重要的意義。螺紋連接擰緊方法可分為手動擰緊、半自動化擰緊和自動化擰緊[3]。不同學者對擰緊方法也進行了研究。

文獻[4]對發動機球頭-錐面螺紋的預緊力與轉角之間進行力矩量化分析研究，對擰緊力矩區間的合理性進行驗證。文獻[5]研究單螺栓結構分步擰緊螺栓預緊力的衰減規律，提出分步擰緊對于預緊力的提高具有積極作用。文獻[6]通過研究重復擰緊次數對發動機螺栓預緊力影響的變化規律，同時根據不同的潤滑條件進行試驗，提出發重復擰緊次數能夠對螺栓預緊力進行補償，提高扭矩轉化為預緊力的穩定性。文獻[7]通過對六角頭螺釘頭部和螺紋部分使用不同潤滑劑進行實驗，結果表明對螺紋部分的潤滑效果與頭部潤滑相比的摩擦特性效果不顯著。文獻[8]設計彈體擰緊機，采用扭矩-轉角法擰緊工藝對O型圈壓縮量進行控制，驗證角度零點控制的有效性和彈體擰緊機的可靠性。文獻[9]通過實驗研究對鋼和鋁材料連接件的表面粗糙度和擰緊次數螺栓扭矩的影響，為工程實踐中的螺栓組件提供可靠性指導。文獻[10]通過研究航空發動機螺栓預緊力對卡箍裝配應力的影響，加載次數過多會導致卡箍產生局部變形和磨損。

以上學者所研究分析的螺栓的實驗空間相對廣闊，對于特殊空間環境下的螺栓的擰緊方法的相關研究較少。本文提出一種自動化擰緊方法，通過不同擰緊工藝驗證自動擰緊方法對于航空發動機裝配實際項目工程應用的可行性和可靠性。

1 實驗系統設計

本文研究對象為發動機機匣，機匣四周為封閉。擰緊工具的入口為直徑100 mm的瓶頸，螺栓中心點與機匣薄壁間距為15 mm，實驗環境的入筒處空間狹窄。根據實際情況，設計如圖1所示的實驗平臺。設計特殊“彎刀”型擰緊工具。工作時通過六自由度機器人軌跡規劃后，將擰緊工具伸入至發動機薄壁機匣內，對螺栓進行擰緊。

圖1 擰緊裝置原理圖

由于擰緊工具輸出的扭轉力矩和螺栓轉動角度無法直接得到，因此設計擰緊力矩角度系統，測量擰緊力矩和角度，如圖2所示。校準系統主要由螺栓桿、圓光柵和扭矩傳感器組成。

圖2 力矩實驗系統圖

航空發動機連接所使用的螺母多為自鎖螺母，因此擰緊工具頭和試驗所用的螺栓桿均為12花鍵結構。試驗過程中螺栓桿在擰緊工具作用下發生角度轉動，通過圓光柵的光柵尺和標尺之間產生明暗相間變化的莫爾條紋，通過非接觸式測量的方法得到轉動角度α[11]。動態扭矩傳感器使用的是日本尤尼帕斯動態扭矩傳感器UTMII-100Nm和TM500力矩校準儀表。

2 擰緊控制方法模型

擰緊控制方法最常用有扭矩法和扭矩-轉角法。如圖3為兩種方法的區對比曲線。I與II分別為同種規格螺紋連接特性曲線。使用扭矩法加載至T1力矩，產生的預緊力誤差為ΔF1。使用扭矩-轉角法，首先加載初始扭矩至T0，以此處為起點轉動角度θ，加載至T1時，預緊力誤差為ΔFθ。對比可得ΔFθ<ΔF1。

圖3 扭矩法與扭矩-轉角法特性曲線對比

擰緊方法一般情況下，用擰緊后的力矩T計算得到預緊力F的大小，計算公式為T=KDF，其中，K為扭矩系數，D為螺栓公稱直徑，一般K取0.2。將螺紋線展開，可看作一個與水平面為螺紋升角為β的楔形塊，垂直向下力為F，受力分析如圖4所示。

圖4 螺栓受力分析圖

對于收口自鎖螺母，在實際擰緊過程中為防止松動，螺紋面產生正壓力：

(1)

因此，克服螺紋間的摩擦力矩T1為：

(2)

螺母與連接件面之間的摩擦扭矩T2為：

(3)

式中，rm為螺母外圓半徑，rk為螺孔半徑。螺母擰緊旋轉時，扭轉力矩T主要克服螺紋間的摩擦扭矩和克服螺母與連接件端面的摩擦力，因此，將式(2)和式(3)帶入得到：

(4)

扭矩-轉角法是首先對螺栓施加一定扭轉力矩，以此時為零點開始計量轉動角度。隨著角度的增加逐漸施加扭轉力矩。螺栓轉角與預緊力之間的關系式為：

(5)

式中，P為螺距，CL為螺栓剛度，CF為連接件剛度，θ為轉動角度。

螺栓剛度和被連接件剛度計算式為：

(6)

式中，Ea、Eb分別為螺栓材料和被連接件的彈性模量，A1、A2分別為螺栓光桿部分截面積和螺紋公稱應力面積，L1、L2分別為螺栓光桿長度和螺栓螺紋長度，rb為被連接件外部半徑。

若初始力矩為T0，將式(5)和式(6)帶入得到扭矩-轉角法扭矩為：

(7)

由式(7)可知，螺栓和被連接件的剛度和螺距不變，因此轉動角度與扭轉力矩之間也呈現線性關系。所以使用扭矩-轉角時，螺栓的力矩與連接件之間的摩擦系數無關。

3 擰緊方法對比

3.1 扭矩法與扭矩-轉角法對扭矩影響

不同的擰緊方法對螺栓的擰緊質量的影響存在較大差異。本文通過擰緊方法對比試驗，對扭矩法和扭矩-轉角法產生扭矩進行分析比較。目標扭矩為50 N·m。使用扭矩法直接擰緊至50 N·m，使用扭矩-轉角法，先施加30 N·m的扭矩，再繼續轉動1°。分別進行9次實驗，記錄每次擰緊實驗的扭矩值，得到的扭矩值如圖5所示。分析可知，使用扭矩-轉角法得到的力矩值的穩定性比扭矩法的具有更加積極的表現。扭矩法的標準差為1.299 N·m，扭矩-轉角法的標準差為0.642 N·m。使用扭矩法擰緊時要比扭矩-轉角法的離散性更加明顯。

圖5 擰緊方法對比圖

3.2 分步擰緊對扭矩影響

在實際應用中通常采用分步加載的方法對螺栓進行加載，減小連接件之間的變形，提高擰緊質量。不同加載步長也會對扭矩穩定性產生不同的影響。在試驗過程中，扭矩法使用如表1所示的分步擰緊工藝，目標扭矩值為50 N·m。

表1 扭矩法分步擰緊工藝

對螺栓使用扭矩法，分別按照不同的擰緊方法進行5次擰緊試驗。并記錄每次分步加載后的試驗數據，繪制如圖6所示。從圖可知，單步擰緊產生的扭矩穩定性差，四步擰緊的方法穩定性最好。通過比較4種分步擰緊方法的標準差，四步加載、三步加載、兩步加載和單步加載標準差分別0.586 N·m、0.782 N·m、0.863 N·m和1.544 N·m。通過對比可知，隨著分步區間的增加，預緊力的分散性逐漸降低。

圖6 扭矩法分步加載扭矩分布

扭矩-轉角法的分步實驗中，螺栓需要有一定的預緊力，因此通過使用預擰緊工具對螺栓施加初始扭矩10 N·m。目標角度為2.324°，并在此力矩基礎上繼續分步轉動螺栓角度。使用扭矩-轉角法的擰緊工藝如表2所示。

表2 扭矩-轉角法擰緊工藝

三組螺栓初始扭矩為10 N·m，進行三組試驗，分別轉動不同角度步長。并記錄每次試驗的角度值和扭矩值。計算三組實驗的方差和標準差。繪制不同角度步長下的標準差與方差如圖7所示。

圖7 扭矩-轉角法分布加載

由圖可分析出，擰緊角度步長對扭矩會產生影響，第一組的方差和標準差都小于其他兩組，隨著角度步長的增加，扭矩的穩定性和一致性也會隨之降低。

3.3 初始扭矩對擰緊質量的影響

扭矩-轉角法實驗過程中，首先對螺栓加載一定的初始扭矩。不同的初始扭矩同樣也會對螺栓的擰緊一致性產生影響。通過制定如表3所示的擰緊工藝方案，研究初始扭矩對螺栓擰緊質量的影響。目標扭矩50 N·m。

表3 初始力矩對比擰緊工藝

每次實驗結束后記錄數據，得到不同初始扭矩與轉角的曲線如圖8所示。由圖分析可知，螺栓扭矩與螺栓的轉動角度呈現正相關的線性關系。在擰緊過程中，過大的初始扭矩，會減低角度控制扭矩的精度，影響螺栓的擰緊質量。

圖8 不同初始扭矩條件下角度與扭矩關系圖

3.4 扭矩衰減規律

對扭矩-轉角法和扭矩法的力矩進行衰減規律分析，將每次加載最為接近目標力矩的值作為起始點，并觀測扭矩值每6 min的變化情況，如圖9所示。圖9a～圖9c為扭矩-轉角法擰緊工藝條件下初始力矩分別為10、20和30 N·m的力矩衰減曲線，圖9d～圖9g為扭矩法工藝條件下單步、兩步、三步和四步加載的力矩衰減曲線。

(a) 初始扭矩10 N·m (b) 初始扭矩20 N·m

(c) 初始扭矩30N·m (d) 單步加載

(e) 兩步加載 (f) 三步加載

(g) 四步加載圖9 扭矩法和扭矩-轉角法力矩衰減規律

分析可知，兩種擰緊工藝的力矩在6 min時均衰減至94%，在30 min時衰減接近至91%。對比兩種擰緊工藝，扭矩-轉角法衰減力矩斜率相比于扭矩法更加平緩。圖9a、圖9b比圖9c的穩定性高3%。

4 結論

本文對狹小空間內對螺栓進行自動化擰緊方法進行分析研究，通過大量試驗驗證了在狹小空間中，通過六自由度機器人轉動特殊擰緊工具的可行性和可靠性，并對比不同擰緊工藝對螺栓擰緊質量和扭矩一致性的影響。并得到以下結論：

(1)使用扭矩得到的螺栓力矩比扭矩-轉角法的平均值高1.469 N·m。因此扭矩-轉角法要比扭矩法的擰緊一致性效果明顯。

(2)相比于單步擰緊方法，分步擰緊能表現出更高的力矩穩定性，有利于降低扭矩的衰減。但實際生產過程中，擰緊步數過多則會降低擰緊效率，甚至出現少擰或漏擰，因此選用兩步加載的方法最合適。

(3)扭矩-轉角法的初始扭矩越大，轉動角度余量越少，使螺栓扭矩的控制精度降低。因此使用扭矩-角度法時，初始扭矩不宜過大，使被連接件產生一定預緊力即可。

(4)扭矩-轉角法比扭矩法的抗力矩衰減提高3%。使用分步加載也可以顯著降低力矩衰減，同時步長越小有利于降低力矩衰減。扭矩-轉角法的初始力矩越小衰減穩定性越高。