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1、1螺栓拧紧技术及拧紧机螺栓拧紧在机械制造业中的应用非常广泛，机械制造中零部件的连接与装配，机械整体的装配等等，可以说几乎是都离不开螺栓拧紧。第一节 螺栓拧紧的基本概念及拧紧的方法任何机体均是由多种零件连接（即组装）起来的，而零件的连接有多种，采用螺栓连接就是其中最常用的一种，而欲采用螺栓连接就必须应用拧紧，因而这“拧紧”也就成了装配工作中应用得极为广泛的概念。零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合，并为承受一定的动载荷，还需要两被连接体间具备足够的压紧力，以确保被连接零件的可靠连接和正常工作。这样就要求作为连接用的螺栓，在拧紧后要具有足够的轴向预紧力（即轴向拉应力） 。然而这些力的施

2、加，也都是依靠“拧紧”来实现的。因而，我们很有必要了解一些有关拧紧的基本概念。一螺栓拧紧的基本概念1拧紧过程中各量的变化在螺栓拧紧时，总体的受力情况是，螺栓受拉，连接件受压；但在拧紧的整个过程中，受力的大小是不同的（见图 1） ，大体上分为下述几个阶段：在开始拧紧时，由于螺栓未靠座，故压紧力 F 为零；但由于存在摩擦力，故扭矩 T 保持在一个较小的数值 。当靠座后(Z 点)，真正的拧紧才开始，压紧力 F 和拧矩 T 随转角 ATF屈服断裂A图 1ZTF2的增加而迅速上升。达到屈服点，螺栓开始朔性变形，转角增加较大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。再继续拧紧，力矩 T 和压紧力 F 下降，直至

3、螺栓产生断裂。2力矩率力矩率 R 所表示的是力矩增量T 对转角A 的比值（见图 2） ，即：RT /A （1） 硬性连接的 R 值高，软性连接的 R 值低。R 值与螺栓的长度、连接中各件之间的摩擦以及连接件垫圈的弹性有关。摩擦系数的变化，是影响力矩率的主要因素。此外，再加上垫圈、密封垫片等引起的弹性变化，装配线上同样螺纹连接之间的力矩率变化可能超过百分之百，这样，力矩/转角的曲线就可能落在图 3 斜线中的任何位置。3摩擦与力矩对压紧力的影响从图 4 中可见，同一力矩 T 值，而由于摩擦系数 值的不同，压紧力F 可能相差很大。所以，摩擦系数 对压紧力 F 的影响是非常大的。这里的摩擦系数主要是指

4、螺纹接触面、螺栓与被连接件支撑面间的摩擦系数。二 螺栓拧紧的方法图 4FT=0=0.4=0.5=0.1=0.2=0.3图 3AT图 2TTAA3拧紧，实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力（即轴向拉应力） 。而不论是两被连接体间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，也就很难予以直接控制，因而，人们采取了下述几种方法予以间接控制。1.扭矩控制法（T）：扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值 Tc 时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力 F 与拧紧时所施加的拧紧扭矩 T 成

5、正比的关系。它们之间的关系可用：T K F （2）来表示。其中 K 为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力 F 来决定。在实际应用中，K 值的大小常用下列公式计算：K=0.161p+0.585d 2+0.25(D e+Di) （3）其中: p 为螺纹的螺距； 为综合摩擦系数 ；d 2为螺纹的中径；De为支承面的有效外径；D i为支承面的内径螺栓和工件设计完成后，p、d 2、D e、D i均为确定值，而 值随加工情况的不同而不同。所以，在拧紧时主要影响 K 值波动的因素是综合摩擦系数 。有试验证明，一般情况下，K 值大约在 0.20.4 之间，然而，有的甚至可能在 0.10.

6、5 之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大（摩擦系数 对螺栓轴向预紧力的影响参见图 4 ） 。另外，由于连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法的不同，对扭矩系数 K 也有很大的影响。对于上述各方面因素对扭矩系数 K 的影响，为给大家一个较为明确的印象，下面把德国工程师协会（VDI）拧紧试验报告列于表 1；分析表 1 可知，当拧紧扭矩 T 的误差为0时，螺栓轴向预紧力的误差最大可以达到27.2，因此，试图用扭矩控制法来保证高精度的螺栓拧紧是不现实的想法。4此外，由于测量方法的不同，测量时环境温度的不同等

7、，对扭矩系数 K 也有很大的影响，从而更加增大了 F 的离散度。日本住友金属工业公司通过试验说明了环境温度每增加 1，其扭矩系数 K 就下降0.31%。表 1 不同扭矩系数值对 F 与 T 的精度的影响被 连 接 零 件 拧 紧 扭 矩 精 度（）0 3 5 10 20材 料 表面状态支承面摩擦系数 a螺栓摩擦系数 f 预 紧 力 精 度（）钢37K（AISI016）=520N/mm 2端铣削Rt=10m0.16280.151419.6 19.8 20.2 22.0 28.0钢CK65（AISI065）=950N/mm 2磨 削Rt=10m0.20230.151417.7 18.0 18.4

8、20.3 26.7钢37K（AISI010）=520N/mm 2拉拔、镀镉Rt=4.5m0.12360.151421.9 22.1 22.5 24.1 29.7铸 铁 刨 削Rt=25m0.14140.151412.3 12.7 13.3 15.9 23.5铝镁合金AIMgSi0.5拉 削 0.12480.151427.2 27.4 27.0 29.7 33.8注：所用螺栓：M1016DIN931 10.9 级；表面处理：磷化锌、涂油。螺母：M10 DIN931 氧化处理。Rt 为粗糙度参数。有试验表明，在拧紧发动机缸盖的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其螺栓轴向预紧力的数值相差最大可能达一倍。扭矩

9、控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩传感器或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。2.扭矩转角控制法（TA）：扭矩转角控制法是在扭矩控制法TAACACTS低摩擦系数高摩擦系数S2S1图 55上发展起来的， 应用这种方法，首先是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从此点始，拧一个规定的转角的控制方法。它是基于的一定转角，使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用这种方法拧紧时，设置初始扭矩（TS）的目的是在于把螺栓或螺母拧到紧密接触面上，并克服开始时的一些如表面凸凹不平等不均匀因素。而螺栓轴向预紧力

10、主要是在后面的转角中获得的。 从图 5 中可见，摩擦阻力（图中以摩擦系数表示的）的不同仅影响测量转角的起点，并将其影响延续到最后。而在计算转角之后，摩擦阻力对其的影响已不复存在，故其对螺栓轴向预紧力影响不大。因此，其精度比单纯的拧矩法高。 从图 5 可见，扭矩转角控制法对螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量转角的起点，即图中 TS所对应的 S1（或S2）点。因此，为了获得较高的拧紧精度，应注意对 S 点的研究。扭矩转角控制法与扭矩控制法最大的不同在于：扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力限定在螺栓弹性极限的 90处，即图 6中 Y 点处；而扭矩转角控制法一般以Y-M 区为标准，最理想的是控制在屈服

11、点偏后。扭矩转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，通过图 6 即可看出，同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差 F 2比弹性区的螺栓轴向预紧力误差 F 1要小得多。扭矩转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。 3.屈服点控制法（TG）：第二次拧紧FAYMASF 1F 2 图 66屈服点控制法是把螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。它是利用材料屈服的现象而发展起来的一种高精度的拧紧方法。这种控制方法，是通过对拧紧的扭矩/转

12、角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈服点的。 螺栓在拧紧的过程中，其扭矩/转角的变化曲线见图 7。真正的拧紧开始时，斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a_b 区间）。过 b 点后，其斜率经简短的缓慢下降后，又快速下降。当斜率下降一定值时（一般定义，当其斜率下降到最大值的二分之一时） ，说明已达到屈服点（即图 7 中的 Q 点） ，立即发出停止拧紧信号。屈服点控制法的拧紧精度是非常高的，其预紧力的误差可以控制在4以内，但其精度主要是取决于螺栓本身的屈服强度。 屈服点控制法的优点是：可获得很大的预紧力，能充分发挥材料的潜力。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个量，对螺栓的一致性

13、要求较高，对螺栓和连接件的表面也要求较高，以避免假屈服。 4落座点转角控制法（SPA）： 落座点转角控制法是最近新出现的一种控制方法，它是在 TA 法基础上发展起来的（在日本已经开始应用） 。TA 法是以某一预扭矩 TS为转角的起点，而 SPA 法计算转角的起点，采用扭矩曲线的线性段与转角 A 坐标的交点 S（见图 8） 。 图中；F 1是 TA 法最大螺栓轴向预紧力误差，F 2是 SPA 法最大螺栓轴向预紧力误差。从图 8 可见，采用TA 法时，由于预扭矩 TS的误差（T S =TS2-TS1，对应产生了螺栓轴向预紧力误差 F S）,在转过相同的转角 A1后，1/2 最大斜率转角扭矩斜率图

14、7baQ.转角扭矩F 2F 1A2图 8预紧力AF低SA1A1高弹性系数F SF2F1FS1FS27相对于两个弹性系数高低不同的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为 F1；即使是弹性系数相等的，但由于 T S的存在，也有一定的误差（见图 8 中的 F 1、F 2） 。如若采用 SPA 法， 由于是均从落座点 S 开始转过 A2转角后，相对于两个弹性系数高低不同的拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为 F2。显然 F2小于 F1，即落座点转角控制法拧紧精度高于扭矩转角控制法。采用 SPA 法，摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除，图九为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩转角关系曲线。图中摩擦系

15、数： 123。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩转角关系曲线的斜率不同，但其落座点(曲线线性段的斜率与横轴的交点)相差不大（见图 9） 。故从此点再拧一个角度 AC，不同摩擦系数对螺栓轴向预紧力的影响基本可以消除。为了更清楚地说明这个问题，我们把图四的纵、横坐标交换一下，绘成图 10：对比图 9 与图 10，就可以更清楚地看出 SPA 法摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除。SPA 法与 TA 法比较，其主要优点是：能克服在 Ts 时已产生的扭矩误差，因此，可以进一步提高拧紧精度。5 螺栓伸长法（QA）：QA 法是通过测量螺栓的伸长量来图 10FT=0=0.5=0.4=0.1=0.

16、3=0.2FCT1T2T3T4 T超声频率预紧力 加载 卸载图 111 23TAS ACT1T2T3图 98确定是否达到屈服点的一种控制方法， 虽然每一个螺栓的屈服强度不一致， 也会给拧紧带来误差，但其误差一般都非常小。在 QA 法中所采取的测量螺栓伸长量的方法，一般是用超声波测量，超声波的回声频率随螺栓的伸长而加大，所以，一定的回声频率就代表了一定的伸长量。图 11 就是 QA 法的原理，由于螺栓在拧紧和拧松时，用超声仪所测得的回声频率随螺栓的拧紧（伸长）和拧松（减小伸长量）而发生变化的曲线并不重合，同一螺栓轴向预紧力的上升频率低于下降频率。这样，在用来测量螺栓的屈服点时应予以注意。该法业已

17、在日本的生产中得到应用。 第二节 螺栓拧紧常用的方法及拧紧机螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象，以前人们只是考虑在装配时，把螺栓（或螺母）拧到最紧的程度。后来人们才发现，这个“最紧”不过是一个非常模糊的概念，它是因人而异的。一台机器有几十，以至成百上千个零件采用螺栓紧固装配，在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的。而且每天又要装配几十或几百台机器，这个“最紧”的离散度将是可想而知的。另外，还有些零件（如汽车发动机中的连杆大头孔） ，在生产车间需要用螺栓装配起来进行加工，而到了装配车间进行整机组装时，又先要松开螺栓，拆下瓦盖，套到曲轴上后再重新拧紧，如用这个“最紧”来进行，可想而知

18、，其结果将是非常危险的。因而，如何有效的控制“拧紧” ，并使其达到“最佳” ，也就成为了机械行业十分关注的课题。这样，不仅对于拧紧的控制方法探讨及其采用成为了热门话题，而且对于自动拧紧机的应用也日益广泛了。一常用的拧紧方法及拧紧机的应用对于螺栓拧紧的控制方法，我们在上节共介绍了五种，但在当前的9机械加工业中应用较为广泛的还只是二种，它们就是扭矩控制法和扭矩转角控制法。其中扭矩控制法通常应用在对拧紧的要求不太高的场合下，可以采用定值扭矩扳手，也可以采用自动拧紧机，由于定值扭矩扳手结构及其使用均较为简单，故在此不予介绍。而扭矩转角控制法基本上使用的均为自动拧紧机。在介绍自动拧紧机之前，有必要对拧紧

19、机的分类作以简要的说明。自动拧紧机的分类方式有几种，若按拧紧的控制方式分，可分为扭矩控制法、拧紧转角控制法和屈服点控制法的拧紧机；若按人工参与的程度分，可分为手动和自动拧紧机；若按拧紧执行部件的能源性质分，可分为气动和电动拧紧机。其中的电动拧紧机，按其执行部件电源的性质分，又可分为直流拧紧机和交流拧紧机，它们的执行部件则分别是直流伺服电动机和交流伺服电动机。下面我们仅就这二种拧紧方法的自动拧紧机的结构及控制检测原理进行介绍。二扭矩控制法拧紧机的构成及其原理由于扭矩控制法的拧紧机控制简单，价格便宜，故在一些对拧紧的要求不是较高的场合，得到了较为广泛的应用，如发动机装配中的油低壳、上罩盖、曲轴油封

20、、飞轮、凸轮轴瓦盖、凸轮轴链轮，发动机零部件加工中的凸轮轴瓦盖等螺栓的拧紧。在实际应用中，扭矩控制法的拧紧机现在大多数是采用电动类型的，但气动类型的有些厂家还在应用，其二者对于扭矩检测的原理及其方法基本相同，而它们的区别是使用的能源与相应的拧紧执行的部件，故从控制的方法上区别较大，但其拧紧的原理是相同的，由于我厂当前应用的均为电动的拧紧机，故我们仅就电动拧紧机予以介绍。 1扭矩控制法拧紧机的构成扭矩控制法拧紧机的构成原理框图如图 12 所示，由图可见，它是由 9 个环节构成，它们分别是：电源变换，电动机驱动器，伺服电动机，减速器，扭矩传感器，输出轴，主控单元，轴控单元及显示。其能源为交流电源。

21、运行指令拧紧结果交流电源图 12扭矩传感器工件主控单元轴控单元输出轴显示减速器电源变换电机驱动器伺服电机10电动拧紧机的执行部件是伺服电动机，而驱动伺服电动机的是电机驱动器。其中的伺服电动机又有交流和直流之分，其中交流伺服电动机的驱动器，供电电源的性质是交流电，所以其电源变换部分的功能，只是把从交流电源输入的交流电，变换成适宜于电机驱动器与伺服电动机正常工作所需要的电压值（即变压）即可；而对于直流伺服电动机的驱动器，由于其供电电源的性质是直流电，所以其电源变换部分，除了要有如交流系统那样的电压值的改变外，还要把变压后的交流电进行整流而变换成直流电。然而不论是直流伺服电动机也好，交流伺服电动机也

22、好，其结构现均采用无刷（即没有电刷）的形式。2扭矩控制法拧紧机的工作原理其工作原理如下：当机床的控制系统发出拧紧的运行指令后，直接进入主控单元，使其分别产生复位和启动控制信号，该信号直接进入轴控单元，一方面使其复位（复位即恢复原始状态） ，另一方面给电机驱动器发出运转指令，使其运行，并把输入的交流电源按不同的要求（直流或交流）进行转换后输出，送入伺服电动机，使其旋转。伺服电动机的旋转扭矩由输出轴输出，即对工件进行拧紧操作，而拧紧过程中的扭矩，则由串接于伺服电动机与输出轴中间的扭矩传感器捡出，并送入轴控单元中。在拧紧的过程中，随着拧紧的进行，扭矩不断的增大，当其达到设定的扭矩值时，轴控单元即刻发出控制信号给电机驱动器，并在驱动器的控制下，伺服电动机立即停止旋转，完成本次的拧紧工作。拧紧完成后，轴控单元对于拧紧的结果要发出二方面的信号，其中一方面是发出显示信号，而显示信号又分为二部分，其一是拧紧的实际扭矩峰值，其二是拧紧结果的实际状态（包括扭矩值合格、扭矩高于上限值和扭矩低于下限值） ；另一方面则是把拧紧结果的实际状态（主要是扭矩值合格或不合格） ，通过主控单元转换后送入机床的控制