卡箍擰緊力矩與等效壓緊力之間的關系

秦 奮，劉士玉，崔永森，冷雪鑫，陳 長

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

1 前言

國家法規和行業標準針對卡箍擰緊力矩和等效壓緊力沒有建立明確的關系。都是“擰緊”進行描述。在現實生產中技能人員的培訓只能經驗傳授，沒有定量描述，卡箍裝配質量問題分析歸結到人員培訓，不可根治。目前，隨著生產模塊化，部件通用化，卡箍在試驗試制、工業生產、工程施工、生活維修等領域被廣泛使用。受卡箍自生一致性影響和被擰緊材料特性不同影響，擰緊力矩與密封情況都不能進行標準化。特別是在工業生產中卡箍擰緊都是經驗傳遞，無法具體量化，使得產品質量受人工技能、工作態度等影響較大。通過文章描述的方法建立起來可量化的卡箍擰緊力矩與等效壓緊力的關系?？梢赃M行自動化擰緊參數匹配，也可以進行技能人員肌肉記憶訓練。

2 試驗裝置與試驗方法

2.1 薄膜壓力測試系統制作方法

圖1為測試系統的壓力采集部分。筆者使用某系列薄膜壓力傳感器。由于要驗證擰緊扭矩和產生壓力的關系，所以選擇一款柔性的薄膜壓力傳感器。無壓力的時候會有10 MΩ的電阻，當有壓力觸發后，電阻會從幾百KΩ到幾千KΩ，壓力越大電阻越小。

圖1 薄膜壓力傳感器

薄膜壓力傳感器形變量變化會導致其輸出電阻值發生變化。由于單片機模擬量采集引腳無法直接采集電阻值，所以需要線性電壓轉換模塊將電阻值轉換為電壓值。

薄膜壓力傳感器受力產生的電阻信號經線性電壓轉換模塊轉換為電壓信號。單片機采集電壓信號后通過公式計算轉換，將電壓值轉換為相對應的壓力值，并通過串口輸出。

圖2為Arduino UNO開發板，將線性電壓轉換模塊AO引腳接入單片機模擬量采集引腳，見圖2。根據工程量模擬量轉換公式編寫程序，公式如下：

圖2 Arduino UNO 開發板

工程量當前值即為輸出壓力值。工程量上下限即為壓力傳感器的檢測壓力上下限。模擬量上下限為單片機模擬量口對應的上下限值。將數據代入公式中即可計算出壓力值。程序中還需添加串口讀取程序，方便在實驗中直接讀取模擬量口數據，讀取的數據可以直接保存至Excel軟件，方便后期進行分析處理。程序截圖如圖3：

圖3 程序截圖

PRESS_MIN為傳感器最小量程（單位g）

PRESS_MAX為傳感器最大量程（單位g）

VOLTAGE_MIN為模擬量下限

VOLTAGE_MAX為模擬量上限

將模擬量上下限及工程量上下限值帶入程序中，即可在串口實時反饋出工程量當前值（圖4），即壓力值。

圖4 串口界面

2.2 傳感器標定

因為傳感器的精度直接影響實驗數據的準確，所以每組實驗前都需要對傳感器進行標定。砝碼每年廣電計量都會進行年檢，認定砝碼質量為標準質量。將砝碼平穩地壓在薄膜壓力傳感器上面，通過串口反饋出的壓力值進行調節。電壓轉換模塊上帶有電位器，只需調節電位器就可以調節至標準點。每次標定時都需壓住3 min以上，保證薄膜壓力傳感器在測量過程中不會發生形變。

2.3 不同管徑工裝

首先根據日常緊固的管徑制作了工裝（圖5）。分別選取15.2 mm、16.9 mm、21.1 mm、28.8 mm、31.0 mm等尺寸進行驗證，驗證不同管徑，不同材質結構膠管擰緊力矩與等效壓緊力的關系。

圖5 不同管徑工裝

3 試驗結果與分析

3.1 試驗過程及數據采集

將薄膜壓力傳感器放置在工裝表面，并用膠管套在工裝外表面。卡箍卡在薄膜壓力傳感器相對應位置，準備進行擰緊。起始設定扭矩為5 Nm，每次擰緊90°，擰緊至5 Nm后第一組數據測量結束。松掉卡箍，調節設定扭矩，更換為6 Nm。以此類推，更換扭矩值步長為1 Nm,直至卡箍損壞，1 Nm數據記錄全過程。抽取一組數據作為案例（31 mm管徑工裝），數據記錄見表1：

表1 部分原始數據

橫坐標計量扭矩值，縱坐標計量時間，表格填寫內容為某一扭矩在一段時間內擰緊卡箍產生的壓力值。獲取到初始數據后需要進行數據篩選與處理，先將數據整合為曲線圖，通過曲線圖觀察數據的異常點，將異常點刪除后保存數據。各扭矩數據采集處理結束后整合到一張曲線圖表中，橫軸時間單位為S,縱軸壓力單位為g,如圖7：

圖7 數據轉換為折線圖

通過數據分析可以看出，擰緊力矩與等效壓緊力不是線性關系，在初始階段，擰緊力矩與等效壓緊力矩以一個常量斜率關系對應，到達一定扭矩后部分卡箍持續增加擰緊力矩，等效壓緊力不再增加，部分卡箍等效壓緊力還能以另外一個斜率增加，最終所有卡箍等效壓緊力都不再隨著擰緊力矩增大而增加。把第一拐點定義為A、第二拐點定義為B，通過樣件最終狀主觀評價超過A點的樣件就會進入風險狀態，見圖8～圖10。通過統計研究驗證發現，在擰緊到A點，最為合適見圖11。

圖8 8 Nm力矩擰緊

圖9 9 Nm力矩擰緊

圖10 10 Nm力矩擰緊

圖11 7.5 Nm力矩擰緊

3.2 不同工裝試驗數據分析

對于相同材質管路擰緊，不同管徑數據統計發現，應用相同品牌卡箍，15.2 mm管徑A點7 Nm的扭矩；16.9 mm管徑A點6.5 Nm；21.1 mm管徑A點7 Nm；28.8 mm管徑A點7 Nm；31.0 mm管徑A點10 Nm，見表2。

表2 不同管徑、扭矩對應的壓力關系

4 結論

按照文章提供的測試方法經行測量，可以制訂出卡箍擰緊的標準力矩。從而進行標準操作。確保產品裝配質量。如果小批量生產，可以按照文章描述方法建立員工培訓練習。用以提高產品質量。