新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)關(guān)鍵螺栓擰緊工藝開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證的過(guò)程

摘要：介紹螺栓聯(lián)接力矩法、力矩+轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法，各種擰緊工藝及優(yōu)缺點(diǎn)比較。目前各種擰緊工藝在發(fā) 動(dòng)機(jī)裝配行業(yè)內(nèi)，根據(jù)不同產(chǎn)品連接要求都有比較多的應(yīng)用，且采用電動(dòng)擰緊工具都能很好地保證擰緊過(guò)程質(zhì) 量；探討新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)關(guān)鍵螺栓擰緊工藝開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證的過(guò)程。

螺紋聯(lián)接是機(jī)械零部件之間結(jié) 合的最常用方式之一，與鉚接、焊 接、粘接等連接方式相比，具有裝 配與維修的方便性，也是標(biāo)準(zhǔn)化程 度最高的機(jī)械零件。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝 配過(guò)程中大部分零件都是通過(guò)螺栓 聯(lián)接完成裝配的。

螺紋聯(lián)接的目的是讓兩被連接 體緊密貼合，并拉伸螺桿產(chǎn)生軸向 預(yù)應(yīng)力來(lái)夾緊兩個(gè)被連接件，以確 保被連接零件的可靠連接和正常工 作。如圖 1 所示，作用在兩個(gè)被連 接件上的夾緊力會(huì)在兩個(gè)零件接觸 面上產(chǎn)生靜摩擦力，來(lái)克服螺栓橫 向剪切力。

裝配擰緊的實(shí)質(zhì)是要將螺栓的 軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)范圍。夾緊 力需適中：過(guò)小夾不緊，被連接件 容易松動(dòng)；過(guò)大夾過(guò)緊，被連接件 容易損傷，同時(shí)也容易造成螺紋件 的損壞（如螺栓擰斷、脫扣、連接 件壓陷/破裂等）。

螺栓擰緊過(guò)程中拉伸力（即預(yù) 緊力）與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2所示，分 為貼合、彈性變形、塑性變形三個(gè) 階段。在彈性變形區(qū)內(nèi)預(yù)緊力與轉(zhuǎn) 角呈線性關(guān)系，過(guò)螺栓屈服點(diǎn)后， 在塑性變形區(qū)隨著轉(zhuǎn)角增大預(yù)緊力 基本不變，直至螺栓被拉斷。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中螺紋聯(lián) 接的夾緊力不易測(cè)得，也就很難予 以直接控制，而扭矩的產(chǎn)生及測(cè)量 都很簡(jiǎn)單，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 都以扭矩為基礎(chǔ)對(duì)螺紋聯(lián)接進(jìn)行擰 緊控制。電動(dòng)擰緊工具內(nèi)置扭矩及 角度傳感器，在擰緊過(guò)程中可以動(dòng) 態(tài)輸出扭矩及角度值，對(duì)擰緊過(guò)程 進(jìn)行精確控制。

目前常用的擰緊工藝方法有力矩 法、力矩+轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法三種。

扭矩控制法

力矩法是應(yīng)運(yùn)最多同時(shí)也是最 簡(jiǎn)單的，它是當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到某一 設(shè)定的控制值時(shí)，立即停止擰緊的 控制方法。它是基于當(dāng)螺紋聯(lián)接 時(shí)，螺栓軸向預(yù)緊力F與擰緊時(shí)所 施加的擰緊扭矩T成正比的關(guān)系。

夾緊力與力矩關(guān)系計(jì)算公式如下：

根據(jù)上式可以看出，雖然F m與 T呈線性關(guān)系，但同時(shí)受螺紋加工 精度、材質(zhì)、表面狀態(tài)（涂層）及 潤(rùn)滑條件等的影響，在實(shí)際應(yīng)用中 扭矩控制法的最終夾緊力會(huì)出現(xiàn)比 較大的散差。如圖3所示，采用扭 矩法擰緊，可以獲得比較一致的最 終力矩，但是對(duì)應(yīng)夾緊力分布較散。

在實(shí)際應(yīng)用中，扭矩法采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法應(yīng)用于普通聯(lián)接位置；軸 向預(yù)緊力的最大值通常只能設(shè)計(jì)在 其屈服強(qiáng)度的70%以下，實(shí)際軸向 力小而分散，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，且可 靠性差。同時(shí)提高螺紋螺栓本身精 度、材料一致性、及表面處理/潤(rùn)滑 一致性，可以提高扭矩控制法預(yù)緊 力的一致性。

扭矩+轉(zhuǎn)角控制法

扭矩+轉(zhuǎn)角控制法是先把螺栓 擰到一個(gè)初始扭矩（也叫門(mén)檻扭 矩）后，再?gòu)拇它c(diǎn)開(kāi)始，擰一個(gè)規(guī) 定的轉(zhuǎn)角的控制方法。根據(jù)最終擰 緊所落在的區(qū)間，分為彈性區(qū)扭矩 +轉(zhuǎn)角控制法與塑性區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角控 制法兩種。

1）彈性區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角控制法是 基于一定轉(zhuǎn)角，使螺栓產(chǎn)生一定的 軸向伸長(zhǎng)量及連接件被壓縮，其結(jié) 果產(chǎn)生一定的螺栓軸向預(yù)緊力的關(guān) 系。應(yīng)用這種方法擰緊時(shí)，門(mén)檻扭 矩的目的是把螺栓或螺母擰到緊密 接觸面上，并克服開(kāi)始時(shí)的一些阻 力，如表面凹凸不平等因素。而螺 栓軸向預(yù)緊力主要是在后面的轉(zhuǎn)角 中獲得的。從圖3中可見(jiàn)，彈性區(qū) 扭矩+轉(zhuǎn)角控制法相比于擰緊控制 法，最終夾緊力分布更集中，有效 提高了螺栓軸向預(yù)緊力精度。

2）塑性區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角控制法 最終擰緊超過(guò)屈服點(diǎn)落在塑性變形 區(qū)，其夾緊力主要取決于螺栓本身 的屈服強(qiáng)度，精度大大提升。

屈服點(diǎn)控制法

屈服點(diǎn)控制法是把螺栓擰緊至 屈服點(diǎn)后停止擰緊。它是利用材料 屈服后夾緊力基本保持不變的特性 的一種擰緊控制方法。通過(guò)對(duì)螺栓 擰緊的扭矩/轉(zhuǎn)角曲線斜率的連續(xù)計(jì) 算和判斷來(lái)確定屈服點(diǎn)。

螺栓在擰緊的過(guò)程中，其扭矩 －轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖4所示。

螺栓貼合后，隨著螺栓轉(zhuǎn)角 增加，斜率上升很快，之后經(jīng)過(guò) 簡(jiǎn)短的變緩后而保持恒定（a—b區(qū) 間）。過(guò)b點(diǎn)后，其斜率經(jīng)簡(jiǎn)短的 緩慢下降后，又快速下降。當(dāng)斜率 下降一定值時(shí)（一般取最大斜率的 50%），再轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度（如5°） 后， 停止擰緊。

整個(gè)擰緊過(guò)程中電動(dòng)擰緊工具 一直在動(dòng)態(tài)計(jì)算扭矩斜率，同時(shí)也 會(huì)對(duì)最終扭矩及角度進(jìn)行監(jiān)控超出 設(shè)定范圍進(jìn)行報(bào)警。屈服點(diǎn)控制 法的預(yù)緊力大小主要取決于螺栓的 屈服強(qiáng)度，因此能得到較大的預(yù)緊 力。螺栓利用率很高，預(yù)緊力的離 散度也很小，而且預(yù)緊力不受摩擦 系數(shù)變化的影響。

從圖3和圖4可見(jiàn)，屈服點(diǎn)控制 法及塑性區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角控制法擰緊 夾緊力保證精度最高。塑性區(qū)扭矩+ 轉(zhuǎn)角法相比于屈服點(diǎn)法，屈服點(diǎn)后 的角度因?yàn)椴煌菟?lián)接摩擦系數(shù) 等變化會(huì)有一定離散度， 所以實(shí)際 應(yīng)用中產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)限定塑性區(qū)扭 矩+轉(zhuǎn)角控制的螺栓重復(fù)擰緊次數(shù) （一般≤2次）。

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓聯(lián)接，如缸蓋 螺栓、連桿螺栓、主軸承蓋螺栓、 皮帶輪螺栓及飛輪螺栓等，受力情 況復(fù)雜，可靠性要求高，聯(lián)接的質(zhì) 量直接關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、安 全性和各聯(lián)接部位是否泄漏，所以 一般采用塑性區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角控制法 或屈服點(diǎn)控制法擰緊來(lái)保證夾緊力 控制精度。接下來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵螺栓的擰緊工藝開(kāi) 發(fā)及驗(yàn)證方法進(jìn)行探討。

螺栓產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品根據(jù)螺栓的極限工作載 荷，考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì) 算出目標(biāo)夾緊力，然后根據(jù)夾緊力 要求設(shè)計(jì)選定螺栓規(guī)格。

以一款發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓產(chǎn)品設(shè) 計(jì)為例：目標(biāo)夾緊力55±5kN，設(shè) 計(jì)采用M10×1.5mm螺紋，螺栓等 級(jí)10.9（1 055～1 185MPa），目標(biāo) 擰緊過(guò)屈服點(diǎn)。接著在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該 缸蓋螺栓拉應(yīng)力及伸長(zhǎng)量對(duì)應(yīng)曲線 進(jìn)行標(biāo)定。借助超聲波測(cè)量?jī)x器來(lái) 測(cè)量螺栓拉伸前后的伸長(zhǎng)量。

超聲波測(cè)量方法：

1）使機(jī)加螺栓兩端面平整。

2）在螺栓頭部貼上一個(gè)感應(yīng)片。

3）一個(gè)高壓脈沖施加到感應(yīng) 片上產(chǎn)生超聲波，沿著螺栓傳播并 在螺栓尾部反射回來(lái)；超聲波返回 時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)，如圖5所示。

4）通過(guò)記錄施加拉應(yīng)力前后 的超聲波反饋信號(hào)，可以得出螺栓 由于伸長(zhǎng)量對(duì)應(yīng)的超聲波時(shí)間延 時(shí)。通過(guò)對(duì)螺栓施加不同拉力，同 時(shí)測(cè)得施加拉力前后相應(yīng)的超聲波 時(shí)間延時(shí)，最后可以得到螺栓拉力 與超聲波時(shí)間延時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線，完 成螺栓在實(shí)驗(yàn)室里的標(biāo)定，如圖6 所示。

根據(jù)圖６的對(duì)應(yīng)曲線，要達(dá)到 設(shè)計(jì)目標(biāo)夾緊力55±5kN，需要擰 緊過(guò)螺栓屈服點(diǎn)到塑性變形區(qū)。根 據(jù)螺栓材料抗拉強(qiáng)度可計(jì)算出對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)量以保證到塑性變形區(qū)；最終 選用塑性變形區(qū)扭矩+ 轉(zhuǎn)角控制法 擰緊，擰緊工藝：30N·m+180°。

擰緊工藝驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室完成螺栓設(shè)計(jì)夾緊力 確認(rèn)及擰緊工藝初步開(kāi)發(fā)后，根據(jù) 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，需要在最終生產(chǎn) 線上進(jìn)行擰緊工藝驗(yàn)證。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓的擰緊， 目前普遍采用電動(dòng)擰緊軸全軸同步 擰緊以保證擰緊精度。在新產(chǎn)品生 產(chǎn)線準(zhǔn)備就緒時(shí)，會(huì)進(jìn)行裝配試驗(yàn) 來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，對(duì)關(guān)鍵 螺栓會(huì)用超聲波測(cè)試螺栓進(jìn)行夾緊 力驗(yàn)證。

1）通過(guò)電動(dòng)擰緊工具輸出的 力矩曲線可以看出螺栓已經(jīng)擰緊過(guò) 屈服點(diǎn)，如圖7所示。

2 ）用超聲波測(cè)量螺栓夾緊 力。按設(shè)定擰緊工藝擰緊缸蓋螺 栓，然后用超聲波設(shè)備測(cè)得擰緊后 各螺栓的預(yù)夾緊力。實(shí)際對(duì)3臺(tái)試 驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓進(jìn)行了夾緊力 測(cè)量，表1是對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力結(jié)果。

從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，夾緊力 控制非常精確、穩(wěn)定，達(dá)到產(chǎn)品設(shè) 計(jì)目標(biāo)。而力矩分布相對(duì)比較離 散，充分體現(xiàn)了塑性區(qū)力矩+轉(zhuǎn)角 控制法相對(duì)于力矩法控制的優(yōu)勢(shì)。

3）接著試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)送到臺(tái) 架實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性測(cè)試， 試驗(yàn)結(jié)束后，會(huì)繼續(xù)用超聲波測(cè) 試設(shè)備測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性測(cè)試后螺栓的殘余夾緊力情況，模擬螺栓在 發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)生命周期內(nèi)的夾緊力情 況。

如圖8所示，發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn) 后缸蓋螺栓的殘余夾緊力比剛擰緊 結(jié)束時(shí)降低約7%，殘余夾緊力滿足 產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

本文以一款發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓 的塑性變形區(qū)力矩+轉(zhuǎn)角控制法為 例，闡述了產(chǎn)品目標(biāo)夾緊力確認(rèn)→ 螺栓設(shè)計(jì)選型→實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定螺栓夾 緊力與超聲波時(shí)間延時(shí)曲線→擰緊 工藝設(shè)計(jì)→按擰緊工藝試制測(cè)量夾 緊力→發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)后測(cè)量殘余 夾緊力，整個(gè)過(guò)程的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證， 保證了該缸蓋螺栓應(yīng)用的質(zhì)量及可 靠性。

屈服點(diǎn)控制法應(yīng)用的整個(gè)擰緊 工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程是一樣的，只 是屈服點(diǎn)控制法因?yàn)榍c(diǎn)后的目 標(biāo)角度是一定的，所以采用屈服點(diǎn) 控制法的螺栓返松后螺栓的塑性變 形伸長(zhǎng)量實(shí)際上是有一個(gè)目標(biāo)范圍 的；所以對(duì)于屈服點(diǎn)控制法的螺栓 還可以通過(guò)測(cè)量擰緊前后螺栓的塑 性變形伸長(zhǎng)量來(lái)驗(yàn)證擰緊工藝控制 夾緊力的一致性。

螺紋聯(lián)接的本質(zhì)是要獲得可靠 穩(wěn)定的夾緊力，通過(guò)介紹力矩控制 法、力矩+轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)控 制法的原理，對(duì)比各擰緊工藝的優(yōu) 缺點(diǎn)。控制螺栓擰緊夾緊力精度從 高到低的排序?yàn)棰偾c(diǎn) 控制法 →②塑性變形區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角法→③ 彈性變形區(qū)扭矩+轉(zhuǎn)角法→④扭矩 控制法。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合螺栓 應(yīng)用本身的要求，選取對(duì)應(yīng)合適的 擰緊工藝。對(duì)于關(guān)鍵螺栓的應(yīng)用闡 述了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì) 到擰緊工藝開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證的整個(gè)過(guò) 程，以確保螺栓應(yīng)用的可靠性。

審核編輯 ：李倩