螺栓裝配扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝開發(fā)

許錦泉，覃建昌

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

螺栓連接是裝載機最常見的緊固方式，而產(chǎn)品關(guān)鍵、重要部位的螺栓連接主要還是采用扭矩法擰緊，如驅(qū)動橋和車架體的螺栓連接，不僅要滿足機身的支撐，還要確保連接面具有足夠的摩擦力，以便在反復(fù)沖擊下不發(fā)生移動，但該工藝下螺栓利用率不高、軸向預(yù)緊力散差大，導(dǎo)致螺栓連接松脫、斷裂類外反饋頻繁發(fā)生，并且對于螺栓裝配過緊或松動未能采取改進措施，螺栓緊固效果未得到改善。

扭矩-轉(zhuǎn)角法是在轉(zhuǎn)角法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高精度的螺栓擰緊方法，即以一個確定的扭矩值作為起點，將螺母（螺栓）轉(zhuǎn)過一定的角度，使螺栓預(yù)緊力控制在屈服點附近。大量試驗和多年的實踐表明，適當(dāng)超過屈服點不會引起螺栓的延遲斷裂，可以最大限度地發(fā)揮螺栓的潛力，是目前應(yīng)用越來越廣的一種強力螺栓擰緊工藝[1]。

通過測試研究確定了合理的扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配工藝，形成扭矩-轉(zhuǎn)角法制定標(biāo)準(zhǔn)，以便指導(dǎo)其他螺栓裝配工藝的轉(zhuǎn)換與緊固能力的提升。

1 擰緊時扭矩與夾緊力的關(guān)系

夾緊力是螺紋連接產(chǎn)生效果的一個重要參數(shù)，在螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要通過分析受力情況來設(shè)計夾緊力的大小[2]。通過設(shè)備將螺栓擰至屈服，伴隨著角度的變化將產(chǎn)生擰緊扭矩和軸力，通過數(shù)據(jù)理論可得出軸力-角度、扭矩-角度均兩條曲線，如圖1所示。

圖1 扭矩、軸力、角度曲線

2 扭矩-轉(zhuǎn)角法的開發(fā)原理

在彈性變形范圍內(nèi)，緊固扭矩、緊固轉(zhuǎn)角、伸長量及緊固軸力理論上呈線性關(guān)系，本次開發(fā)規(guī)定了緊固軸力的獲得方法為超聲波測量法，利用超聲波測量軸力前需要對螺栓進行標(biāo)定，即建立聲時差和軸力之間的關(guān)系。

標(biāo)定方式有扭矩標(biāo)定和拉伸標(biāo)定，扭矩標(biāo)定通常在摩擦系數(shù)測試儀或扭矩系數(shù)測試儀上進行，拉伸標(biāo)定通常在萬能拉伸試驗機上進行，標(biāo)定過程必須保證螺栓擰緊至屈服，標(biāo)定后對所有標(biāo)定文件進行擬合，得出擬合曲線，如圖2所示。

圖2 擬合標(biāo)定文件

3 扭矩-轉(zhuǎn)角法的開發(fā)流程

3.1 確定目標(biāo)軸力

3.1.1 計算確定目標(biāo)軸力

螺栓裝配中，在擰緊扭矩T及摩擦的作用下將產(chǎn)生螺栓軸力和裝配夾緊力，以及可能受到的橫向力，如圖3所示。

圖3 螺紋連接受力示意圖

連接結(jié)構(gòu)所需最小軸力主要依托VDI2230高強度螺栓連接系統(tǒng)，并根據(jù)螺栓連接所受到的外載荷來計算的，主要包括以下幾種狀態(tài)：

（1）傳遞橫向載荷FQ和繞螺栓軸線扭矩MY的摩擦所需要的軸力FKQ，計算公式如下，式中：qF為涉及螺栓可能滑動/剪切的內(nèi)部分界面?zhèn)鬟f力（FQ）的數(shù)量，μT為分界面摩擦系數(shù)，qM為涉及可能滑動/剪切的內(nèi)部分界面?zhèn)鬟f扭矩（MY）的數(shù)量，ra為MY作用時，夾緊部件的摩擦半徑，F(xiàn)y為屈服軸力。

（2）對于介質(zhì)密封時，所需的軸力FKP，計算公式如下，

式中：AD為密封面積，Pi為密封的內(nèi)部壓力。

（3）防止螺栓松脫所需的軸力FKA，計算公式如下，

式中：FKab為松開極限時夾緊載荷，F(xiàn)A為軸線載荷，AD為密封面積，a為軸向載荷FA的替代作用線與橫向虛擬對稱變形體軸線的距離，μ為摩擦系數(shù)，Ssym為螺栓軸線與橫向?qū)ΨQ變形體軸線的距離，MB為作用于螺栓連接點的工作力矩，IBT為分界面區(qū)域轉(zhuǎn)矩。

而工藝開發(fā)所需的最小軸力FKerf必須滿足以下關(guān)系，

連接結(jié)構(gòu)螺栓許用最大裝配軸力FMzul計算公式如下，

式中：A0為螺栓適當(dāng)最小橫截面積，為擰緊螺栓時的轉(zhuǎn)動角度，Rp0.2m為按照898-1的螺栓0.2%規(guī)定應(yīng)力，d2為螺紋中徑，d0為螺栓最小橫截面直徑，P為螺距，μG為螺紋摩擦系數(shù)。

其中螺紋處摩擦系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗確定，普通螺紋連接通常按（0.12～0.14）來計算。螺紋處摩擦系數(shù)根據(jù)扭矩系數(shù)測試結(jié)果需要進行二次修訂，總的來說目標(biāo)軸力FG必須滿足以下條件，

3.1.2 測試確定目標(biāo)軸力

若扭矩-轉(zhuǎn)角法開發(fā)以原扭矩為依據(jù)，則目標(biāo)軸力為原扭矩法裝配軸力，需要完全按照原扭矩法工藝實施裝配且實施多樣本測試，測試完成后對軸力實施統(tǒng)計分析，以此得出目標(biāo)軸力。

3.2 確定邊界

為了確定螺栓組件的邊界參數(shù)，需要進行極限扭轉(zhuǎn)試驗，極限扭轉(zhuǎn)試驗通常在摩擦系數(shù)測試儀或者扭矩系數(shù)測試儀進行；測試從螺栓貼合擰緊至螺栓扭矩下降20%～50%結(jié)束，記錄整個過程的擰緊曲線，根據(jù)曲線確定緊固特性參數(shù)。重點分析屈服緊固扭矩、極限緊固扭矩、屈服緊固轉(zhuǎn)角、極限緊固轉(zhuǎn)角等邊界參數(shù)，同時對以上參數(shù)實施統(tǒng)計分析。

3.3 扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝摸索

（1）確定初始扭矩，初始扭矩通常根據(jù)計算數(shù)值按10的倍數(shù)取整。

（2）確定轉(zhuǎn)角，測量螺栓的緊固扭矩、緊固軸力、緊固轉(zhuǎn)角等參數(shù)；完成后對測量的數(shù)據(jù)進行分析，作出緊固軸力與緊固轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系圖，并通過線性相關(guān)公式計算出在目標(biāo)預(yù)緊力下的緊固轉(zhuǎn)角。

（3）確定初步工藝，經(jīng)過試驗并對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定扭矩-轉(zhuǎn)角法初步工藝。

3.4 扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝驗證

本工藝驗證針對緊固工藝環(huán)節(jié)，驗證的對象為裝載機驅(qū)動橋與車架體連接的M27螺栓。

（1）初步驗證，按照3.3中確定的初步工藝實施，F(xiàn)C統(tǒng)計分析，判斷1.2FG≥Ave.FC≥FG，且min.FC≥FG，若滿足要求則可判定初步工藝合理；若不滿足要求則需要適當(dāng)調(diào)整貼合扭矩或緊固轉(zhuǎn)角，反復(fù)進行以上的初步驗證，直至滿足要求。初步摸索工藝見表1。

表1 扭矩-轉(zhuǎn)角法摸索工藝

通過超聲波測量得到初步驗證的預(yù)緊力，數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗預(yù)緊力

取表2中8顆螺栓預(yù)緊力的均值在預(yù)緊力趨勢曲線（y=0.5704x+24.042，y為預(yù)緊力，x為轉(zhuǎn)角）作散點圖如圖4，可知R2=0.9907，因此可以繼續(xù)按照此曲線進行扭矩-轉(zhuǎn)角法開發(fā)。

圖4 預(yù)緊力趨勢曲線

（2）最終驗證，按照3.4中的合理工藝?yán)^續(xù)實施更大樣本量的驗證，總驗證樣本量必須≥16，即按照初步驗證或調(diào)整工藝對螺栓進行裝配，測量最終軸力FC，并且對軸力FC進行統(tǒng)計分析見前表1。保證擰緊系數(shù)（離散度）≤1.4，即確定最終驗證的工藝合理；按照轉(zhuǎn)角法工藝開發(fā)原則，結(jié)合預(yù)緊力趨勢曲線確定驗證工藝，通過超聲波測量得到最終驗證的預(yù)緊力數(shù)據(jù)見表3，可知離散度=1.37≤1.41，說明工藝合理。

表3 驗證預(yù)緊力

（3）根據(jù)工藝驗證確定最終的擰緊工藝為：（貼合扭矩Thz，緊固轉(zhuǎn)角θz）。

4 結(jié)語

通過對擰緊扭矩與夾緊力的關(guān)系、扭矩-轉(zhuǎn)角法開發(fā)原理以及扭矩-轉(zhuǎn)角法開發(fā)過程等3個方面進行論述，介紹了整個開發(fā)過程的實施步驟及各個參數(shù)的確定方法，并最終確定得出扭矩-轉(zhuǎn)角法擰緊工藝，為螺栓裝配扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝開發(fā)提供了理論依據(jù)。隨著扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝開發(fā)手段的逐漸完善以及客戶對軸向預(yù)緊力控制要求更精準(zhǔn)，螺栓裝配技術(shù)中扭矩-轉(zhuǎn)角法的應(yīng)用將會越來越廣泛。