螺纹联接及拧紧控制研究

螺纹联接及拧紧控制研究

曾庆珏

惠阳航空螺旋桨有限责任公司

摘要:本文详细介绍了螺纹联接力学分析,包括对螺纹连接中受力和变形的科学方法的探讨｡文中涵盖了螺纹的几何特性､材料力学性质以及施加在联接部位的载荷等关键方面｡力学分析主要考虑螺纹的剪切和轴向力分量,以分析螺纹的扭矩和轴向拉伸力,确保联接的安全性和可靠性｡文中还介绍了螺纹的摩擦､预紧力和载荷作用下的应力分布,以评估螺纹联接的稳定性和性能,为工程设计提供了重要参考｡对于螺纹联接的控制方式,文中详细讨论了扭矩控制法､扭矩—转角控制法和屈服点控制法｡扭矩控制法通过预设扭矩值,在拧紧过程中停转断扭,简单易行但受外界因素干扰｡扭矩—转角控制法则先进行螺纹预紧,再以特定转角值作为控制点,减小摩擦因素对拧紧过程的影响,提高控制精度｡最后,屈服点控制法以屈服点作为控制参数,确保螺纹联接的有效夹紧力,但对紧固件材料性能要求较高｡

关键词:螺纹紧固件;螺纹联接;螺纹拧紧;螺纹装配;拧紧控制

1螺纹联接力学分析

螺纹联接力学分析是研究螺纹连接中受力和变形的科学方法,主要涉及到螺纹的几何特性､材料力学性质以及施加在联接部位的载荷｡通过考虑螺纹的剪切和轴向力分量,分析螺纹的扭矩和轴向拉伸力,以确保联接的安全性和可靠性｡这种分析通常包括了螺纹的摩擦､预紧力和载荷作用下的应力分布,以评估螺纹联接的稳定性和性能,为工程设计提供重要参考｡

在工程运用上,当紧固件被拧紧之后,其拧紧扭矩M与夹紧力F之间的计算公式为:M=K×F×d2×10-3(1)[3]式中:M为拧紧扭矩/Nm;K为拧紧系数;F为夹紧力/N;d2为紧固件公称直径/mm｡要想得到夹紧力的设计值,首先应进行批量试验,求出实际工况条件下的拧紧摩擦系数数值,再通过上述公式计算,将对应扭矩值施加到紧固件上,从而得到设计值与实际值相一致的联接效果｡

2螺纹联接类型及特性

工程上,螺纹联接通常有硬联接和软联接之分｡硬联接指的是参与螺纹联接的联接要素刚度比较大,在承载面拧紧贴合后(10%目标扭矩值),再拧紧<27°即可达到目标扭矩的联接,或者等效于扭矩从0到达目标值,总旋转角度≤30°的联接｡

软联接,则是指参与螺纹联接的联接要素存在软质弹性元件,拧紧受力容易发生弹性变形,在承载面拧紧贴合后(10%目标扭矩值),还需要拧紧≥650°才能达到目标扭矩的联接,或者等效于扭矩从0到达目标值,总旋转角度≥720°的联接｡拧紧角度30°与720°只是区分软硬联接的理论角度值,并不代表是软硬联接的界线｡这2个角度之间的范围,则定义为联合联接｡在联合联接范围内,硬联接和软联接并没有明显的界限,只代表着联接性质的趋势｡工程项目中的螺纹联接一般都处于联合联接范围｡如一般的螺栓､平垫与钢件之间的联接视为硬联接;含有软质衬套/衬垫的联接视为软联接;其他含有弹垫､薄垫等的联接则视为联合联接｡不同类型的螺纹联接其联接特性具有较大的差异｡硬联接由于联接要素刚性较大,存在扭矩反冲现象,但具有良好的抗扭矩衰减特性,校验时,往往呈现静态扭矩>动态扭矩,造成这种现象的原因在于拧紧状态下,硬连接的静态摩擦系数大于动态摩擦系数;软联接在拧紧状态下,其联接要素会发生较大的弹性变形,就会存在明显的扭矩衰减现象,导致检测时静态扭矩<动态扭矩;而联合连接是介乎于硬联接和软联接之间的一种联接,不存在明显的扭矩反冲或扭矩衰减现象,其静态扭矩与动态扭矩近乎相等｡运用时,必须根据工况条件选择合适的联接类型｡

3螺纹联接控制方式

螺纹联接的实质是通过扭矩产生夹紧力,进而将被联接件联接在一起｡只有夹紧力得到了精准控制,才能使螺纹联接的刚性､密封性和防松性等性能达标,进而确保联接件之间的联接满足装配工艺要求｡主流市场上的拧紧控制方法有多种,按照控制原理分,主要有扭矩控制法､扭矩—转角控制法和屈服点控制法3种｡拧紧技术起源于国外,欧美等发达国家对上述3种主流控制技术的掌握度更高,因此相关技术的应用也更为成熟｡我国对于拧紧技术的研究,也已起步多年,正值追赶和超越阶段｡目前,国内绝大部分企业已熟练运用扭矩控制技术,正逐步掌握和推广扭矩—转角控制技术,部分实力雄厚的企业开始对屈服点控制技术进行研究,并取得了一定的技术突破｡

3.1扭矩控制法

扭矩控制发顾名思义,是根据装配工艺的扭矩要求,在拧紧设备上预设对应的扭矩值,在拧紧过程中,螺纹联接的摩擦阻力矩不断加大,当到达预设的扭矩值时,拧紧设备自动停转断扭｡扭矩控制法是一种以夹紧力F与扭矩M呈线性关系为前提的控制方法｡相互关系可用前述公式(1)来表示｡拧紧系数K主要由螺纹副之间､承载面之间的摩擦阻力矩决定｡在工程应用中,拧紧系数K可用如下公式计算:K=0.16×P+0.58×μ×d2+0.5×μ×Dkm(2)式中:P为螺距/mm;μ为综合摩擦系数;d2为紧固件公称直径/mm;Dkm为承载面有效接触面积/mm2｡

如前所述,在螺纹拧紧过程中,约九成的拧紧扭矩被摩擦阻力矩消耗掉了｡而摩擦阻力矩的大小由摩擦系数μ决定,影响摩擦系数μ的主要因素有螺纹联接材质､螺纹加工质量､润滑条件等｡摩擦系数μ的波动导致拧紧系数K存在差异,会对拧紧扭矩M的控制形成干扰,进而降低夹紧力F的控制精度,影响最终的联接效果｡采用扭矩控制法进行拧紧作业,即使是同批次零件,由于外部摩擦因素μ的不确定性,其夹紧力F的精度始终存在一定范围的偏差｡

扭矩控制法的优点是控制简单,使用成本低;其缺点是易受外界因素干扰,控制精度不高,无法充分发挥材料的联接性能｡针对扭矩控制法不足,在实际运用中,往往会增加转角监控,即对某一扭矩段的拧紧角度进行监控,以减少摩擦系数的干扰,提高控制精度,即为扭矩控制角度监控｡

3.2扭矩—转角控制法

鉴于扭矩控制法存在的不足,后来又发展出了扭矩—转角控制法｡即先进行螺纹预紧(一般为25%目标扭矩值),确保摩擦面贴合之后,再以此点作为转角控制的起始点,拧过规定角度的控制方法｡扭矩—转角控制法的原理是基于一个特定的转角值,使得紧固件产生一定量的轴向拉伸,同时压缩被联接件,从而使得被联接件紧密贴合,获得真实有效的夹紧力｡此种控制法将转角作为夹紧力的控制变量,可以最大限度地减小外部摩擦因素对拧紧过程的影响,所以其控制精度比扭矩控制法要高得多｡只要这个转角的起点确定,就可以获得很高的控制精度｡但是扭矩—转角控制法对紧固件的材料性能有着较高要求｡在拧紧过程中,如果紧固件强度不达标而过早的屈服,产生塑性变形,则会导致拧紧失效｡对于扭矩—转角控制法中的拧紧失效问题,可以对转角值对应的扭矩进行监控,如果相应的扭矩不在规定的范围之内,就可以判断拧紧结果不达标,进而判定螺纹联接失效｡只是这种带监控的控制法需要对扭矩和转角2个参数同时进行检测,导致控制系统较为复杂,使用成本较高｡

4结语

本文系统性地阐述了螺纹联接的力学分析和不同控制方式的原理和应用。通过深入理解螺纹连接的关键要素，工程师们可以更好地设计和控制螺纹联接，确保其稳定性和可靠性。同时，对于扭矩控制法、扭矩—转角控制法和屈服点控制法的对比分析，为工程实践提供了有益的指导。

参考文献

[1]李柏乐,张志存,陈荣.螺纹拧紧技术研究与应用[J].装备制造技术,2020(10):167-169.

[2]熊云奇,卢海波.螺纹紧固件拧紧工艺技术及发展趋势[J].装备维修技术,2008(2):10-13.

[3]谢东晓.自动拧紧技术在汽车发电机装配方面的应用分析[J].内燃机与配件,2019(17):101-102.