淺談裝配中的螺栓擰緊力矩

1、-. z.淺談裝配中的螺栓擰緊力矩一、螺紋根本知識1.1 左旋右旋1、右旋螺紋:常用的最重要原因有兩個：一是右手常用方便、順手；二是右螺紋車削工藝性好2、左旋螺紋：符合左手定則。用于右旋螺紋不能滿足的地方。例如：因為運動方向可能導(dǎo)致松動的地方-自行車的左腳踏板芯軸；保證右旋習(xí)慣的地方-機床進給絲杠；起區(qū)分的作用-可燃氣體氣瓶；雙向運動-拉器等.。一般機械調(diào)節(jié)裝置會用到左旋螺紋，左右螺紋匹配應(yīng)用，也就是一根螺桿的兩端分別為左旋螺紋和右旋螺紋，這樣就可以通過旋轉(zhuǎn)螺桿實現(xiàn)兩端螺母的間距；如自行車輪軸，暖氣片組螺紋軸等1.2粗牙細牙粗牙螺紋：用于緊固件細牙螺紋：同樣的公稱直徑下，細牙的螺距小，升角小，

2、自鎖性能更好，適于薄壁細小零件和沖擊變載等情況1.3 螺紋頭數(shù)1.4 自鎖螺紋如下圖，螺紋受到向外的力，螺旋角為，導(dǎo)程，中徑。當(dāng)，即時，不管有多大，螺紋都不會脫落脫扣另說。二、螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的作用螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力就是使螺紋聯(lián)接在承受工作載荷之前預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力就是預(yù)緊力。適宜的預(yù)緊力是增強聯(lián)接可靠性和嚴密性的重要前提。預(yù)緊力達不到規(guī)定要求就會使被聯(lián)接件受載后出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移，造成零部件的松動，甚至使整機無法正常工作。如果預(yù)緊力過大就會引起人為的零部件損壞，例如采用O形圈密處如果預(yù)緊力過大就會擠壞0形圈，使密封失效。不適宜的預(yù)緊力會帶來以下后果：螺紋聯(lián)接零件的靜力破壞。假設(shè)

3、螺紋緊固件擰得過緊，即預(yù)緊力過大，就會引起人為的零部件損壞，螺栓可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙形被剪斷而脫扣。被聯(lián)接件滑移、別離或緊固件松脫。對于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力使被聯(lián)接件之間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此預(yù)緊力的大小決定了它的承載能力。假設(shè)預(yù)緊力缺乏，被聯(lián)接件將出現(xiàn)滑移，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯位、歪斜、折皺，螺栓有可能被剪斷。對于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力使接合面上產(chǎn)生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作時的壓緊力。假設(shè)預(yù)緊力缺乏將會導(dǎo)致接合面松動，甚至導(dǎo)致兩被聯(lián)接件別離的嚴重后果，同時預(yù)緊力缺乏還將引起強烈的橫向振動，致使螺母

4、松脫等現(xiàn)象發(fā)生。螺栓疲勞破壞。不適宜的預(yù)緊力在大多數(shù)情況下會使螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，所以總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞壽命下降，引起疲勞破壞。因此在裝配工藝中一定要確定預(yù)緊力的*圍。根據(jù)被聯(lián)接件的重要程度、受力情況、運動方式、構(gòu)造特點、螺紋規(guī)格與等級、被聯(lián)接件材料與聯(lián)接的目的等方面綜合考慮，確定科學(xué)合理的預(yù)緊力矩*圍；在裝配時嚴格遵守工藝規(guī)定的力矩要求。只有這樣才能真正提高螺紋聯(lián)接的可靠性以及聯(lián)接件的抗疲勞強度。三、螺栓受力3.1 受力分析螺栓在螺母擰緊時受到兩種應(yīng)力：預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力；螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪切力。研究說明，當(dāng)螺

5、栓承受的預(yù)緊拉應(yīng)力(表示)到達其屈服強度(表示)的078倍時，螺紋溝底開場破壞，由此螺栓預(yù)緊應(yīng)力需滿足這一前提條件，螺栓應(yīng)變才能控制在彈性變形*圍段，對一般機械螺栓連接，考慮工程實際因素，通常取。當(dāng)我們擰緊螺栓時，兩個零件被夾緊，圖1中的夾緊力就等于*力。實際上夾緊力是我們希望得到的，這就是螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力，雖然這個夾緊力F是很難測量的，但我們可以通過測量擰緊力矩T來控制預(yù)緊力(圖2)。在裝配過程中，實際施加的作用力主要用于克制摩擦力，而真正轉(zhuǎn)變成夾緊力的只有10多一點，大約90的能量被轉(zhuǎn)化成了摩擦力。這也正是為什么擰緊完成后，螺栓不會自己脫落下來的原因，其作用力的轉(zhuǎn)化情況為圖3所示。當(dāng)擰緊螺

6、栓時，螺栓轉(zhuǎn)動，直到螺栓頭底面與被聯(lián)接件外表貼合，此時螺栓才開場被擰緊。對于硬聯(lián)接(如圖4所示)，當(dāng)?shù)竭_需要的轉(zhuǎn)矩時，也就是當(dāng)?shù)竭_需要的夾緊力時，從裝配面開場貼合到擰緊完成只需要轉(zhuǎn)動不大的角度即可完成裝配過程，說明硬聯(lián)接的轉(zhuǎn)矩變化率較大。對于軟聯(lián)接(如圖5所示)，即使同一樣的規(guī)格尺寸，裝配面開場貼合后還需要轉(zhuǎn)動很多圈才能擰緊，說明軟聯(lián)接的轉(zhuǎn)矩變化率小。圖3說明施加的擰緊力矩主要克制了摩擦力，一是螺紋副中的摩擦力(約占40)，二是貼合端面的摩擦力(約占50)，而真正轉(zhuǎn)變成夾緊力(即預(yù)緊力)的卻只有10左右，所以摩擦力對擰緊力矩的影響非常大。因此在裝配時螺栓有沒有進展?jié)櫥瑢Q緊力的影響非常明顯，沒

7、有潤滑的螺栓在擰緊時會產(chǎn)生較大的摩擦力。也就是說如果需要一定的夾緊力，當(dāng)擰緊沒有潤滑的螺栓時需要施加更大的轉(zhuǎn)矩。如果螺栓被潤滑了，則摩擦力減小，如果繼續(xù)按照與沒有潤滑的螺栓一樣的轉(zhuǎn)矩進展擰緊，螺栓有可能會被拉斷。另外螺栓外表處理方式的不同對摩擦力也有明顯影響。外表鍍鋅與外表發(fā)黑處理相比，前者的摩擦系數(shù)明顯偏小，擰緊過程中需要克制的摩擦力也小，所以在同一部位擰緊同樣規(guī)格、等級的鍍鋅螺栓時，應(yīng)比外表發(fā)黑的螺栓施加較小的轉(zhuǎn)矩才是正確的。被聯(lián)接件與螺母、螺栓頭接觸的支承面是否加工平整，對摩擦力影響亦非常大。所以接觸面的加工一定要平整，以確保均勻接觸，同時在裝配時應(yīng)保證螺栓孔軸線與聯(lián)接支承面相垂直，不應(yīng)

8、傾斜，否則螺紋聯(lián)接擰緊力矩的控制就非常困難，會嚴重影響裝配質(zhì)量。3.2 影響因素影響螺栓預(yù)緊力根本因素有三點(1)螺栓材料的物理性能；(2)螺栓工作條件，如螺栓受拉還是受剪、承受靜載還是變載等；(3)螺栓在動態(tài)工況下疲勞強度。3.3應(yīng)力-應(yīng)變特性(1)螺栓材料一般是碳鋼或合金鋼，其受拉伸預(yù)緊力作用下應(yīng)變隨應(yīng)力的變化規(guī)律符合金屬材料應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖(見上圖)；(2)材料應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖說明，材料試件在應(yīng)力作用下其應(yīng)變由彈性形變至破壞斷裂過程可分為三個階段： 彈性變形*圍段，此段材料試件應(yīng)變應(yīng)力為線性關(guān)系，遵守胡克定律；均勻塑性變形*圍段，此段材料試件應(yīng)變應(yīng)力為非線性關(guān)系，從彈性極限應(yīng)力開場至屈服

9、強度應(yīng)力完畢；不均勻塑性變形*圍，當(dāng)試件加載應(yīng)力到達材料屈服強度后再繼續(xù)增加，試件變形呈不規(guī)則狀況，變形加劇(即出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象)，應(yīng)力很快到達極值一材料抗拉強度，而后急速減小，材料斷裂。給連接螺栓施加預(yù)緊力時應(yīng)以控制其應(yīng)變在彈性變形*圍段為原則。四、螺栓預(yù)緊力的控制方法4.1 通過擰緊力矩控制預(yù)緊力力矩法來控制預(yù)緊力的特點是控制目標直觀，測量容易，操作過程簡便，控制程序簡單；缺點是由于會受到摩擦因數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的擰緊力矩下，預(yù)緊力值的離散性比擬大。特別是在無摩擦條件下，由于接觸凸點局部拎焊可能使螺母系數(shù)K變得很大。因此如果采用力矩法來控制螺栓聯(lián)接預(yù)緊時，最好使用潤滑條件下的力矩法

10、來控制。擰緊螺母時，要克制螺旋副間的螺紋力矩和螺母支撐面上的摩擦力矩，故擰緊力矩。由理論力學(xué)得到預(yù)緊的螺紋力矩和預(yù)緊力的關(guān)系為：六角螺母支撐面是外徑為 ()、內(nèi)徑為的圓環(huán)面，對于非磨合圓環(huán)面，摩擦力矩為：可得：式中，為圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑，為當(dāng)量摩擦角，為中徑，為升角，為支撐面的摩擦系數(shù)?？梢钥闯?，擰緊力矩與預(yù)緊力呈線性關(guān)系，控制了擰緊力矩的大小，就可以計算出預(yù)緊力值。但是由于會受到摩擦因數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，控制的精度不到位，誤差一般會到達40左右，所以這種方法只能用在一般密封要求不高的場合。4.2通過螺栓伸長量控制預(yù)緊力螺栓伸長法就是在擰緊過程中、或擰緊完畢后測量螺栓的伸長長度，利用預(yù)緊

11、力與螺栓長度變化量的關(guān)系，控制螺栓預(yù)緊力的一種方法。螺栓伸長法的優(yōu)點是由于螺栓的伸長只與螺栓的應(yīng)力有關(guān)，不用考慮摩擦因數(shù)、接觸變形、被聯(lián)接件變形等可變因素的影響；缺點是由于在實際工程問題上，測量螺栓的伸長量很不方便，這種方法一般用在需要嚴格控制精度的場合。所以，通過此方法可以獲得很高的控制精度。在化工行業(yè)，對于法蘭聯(lián)接系統(tǒng)等密封要求高的場合，螺栓伸長法特別適用。擰緊螺母時，螺栓在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生拉伸變形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸變形時產(chǎn)生彈性變形，伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系是：,式中，為螺栓伸長量；為螺栓有效長度；為彈性模量；為螺栓橫截面積。可以得出，預(yù)緊力與螺栓伸長呈線性關(guān)系，且與摩擦因數(shù)和被

12、聯(lián)接件剛度無關(guān)，這樣，只需要測量出擰緊前后螺栓的長度就知道了螺栓準確的伸長量，所以，這種方法控制預(yù)緊力的準確值很高。五、預(yù)緊力計算5.1、液壓拉伸法預(yù)緊螺栓方式螺栓預(yù)緊力的計算，為預(yù)緊系數(shù)，一般取，為材料屈服強度為螺栓螺紋有效截面面積，為螺栓螺紋危險面計算直徑，H為螺栓螺紋的原始三角高度所以：由上式可知，決定螺栓預(yù)緊力計算值有三個因素：預(yù)緊力系數(shù)、構(gòu)造尺寸及材料物理性能。5.2扭力扳手力矩法預(yù)緊螺栓方式螺栓預(yù)緊力的計算為公稱預(yù)緊扭力矩，為螺母支承面平均直徑，為支承面摩擦系數(shù)，為螺紋升角，為螺紋當(dāng)量摩擦角，為擰緊力系數(shù)或螺母系數(shù)，為螺紋公稱直徑，為預(yù)緊力值選擇：摩擦外表狀況值有潤滑無潤滑精加工外

13、表0.100.12一般加工外表0.130.150.180.21外表氧化0.200.24鍍鋅0.180.22枯燥的粗加工外表0.260.3實驗說明，公稱直徑，螺紋的粗細對螺母系數(shù)的影響很??；而摩擦系數(shù)的變化，對螺母系數(shù)的影響則很大。摩擦系數(shù)的正常變化*圍可能導(dǎo)致螺母系數(shù)產(chǎn)生+30的變化。在實際應(yīng)用中，螺栓聯(lián)接接觸面處在非潤滑條件下，取=02，螺栓聯(lián)接接觸面處在潤滑條件下，取=015。則螺栓平均預(yù)緊力可通過擰緊力矩算出。六、螺紋擰緊考前須知眾所周知，規(guī)定預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接，常用控制轉(zhuǎn)矩法、控制轉(zhuǎn)角法、控制螺栓伸長法來保證準確的預(yù)緊力。在實際裝配過程中，最常用的螺栓軸向預(yù)緊力的控制方法是通過控制轉(zhuǎn)矩來

14、間接地實現(xiàn)對軸向預(yù)緊力的控制。裝配時最為常用的是使用手動指針式扭力扳手或數(shù)顯式扭力扳手來完成力矩控制的。隨著技術(shù)的進步，定轉(zhuǎn)矩氣扳機、電動智能擰緊機的應(yīng)用也越來越多，在汽車、發(fā)動機、工程機械等行業(yè)正在逐步推廣使用。在實際操作過程中應(yīng)注意以下問題：(1)成組螺栓、螺母擰緊時，應(yīng)根據(jù)被聯(lián)接件的形狀和螺栓的分布情況，按一定順序分幾次擰緊(一般為23次)。長方形布置的成組螺栓或螺母，擰緊時應(yīng)從中間開場，逐漸向兩邊對稱地擴展，圓形或方形布置的成組螺栓或螺母，應(yīng)對稱擰緊。如有定位銷，應(yīng)從靠近定位銷的螺栓開場擰緊。(2)對于液壓系統(tǒng)分體法蘭聯(lián)接螺栓，應(yīng)手動擰人大于2。3個螺距后用扳手手動擰緊，或使用低速小轉(zhuǎn)

15、矩的氣扳機按照對角的原則分兩次至三次緊固，然后用相應(yīng)規(guī)格的扭力扳手至少轉(zhuǎn)300角到達規(guī)定力矩要求。(3)有的構(gòu)造不允許使用氣扳機來擰緊。例如擰緊接頭體時，必須手動將接頭體擰到底，然后使用相應(yīng)規(guī)格的扭力扳手擰緊到規(guī)定力矩，而不允許使用氣扳機。(4)在聯(lián)接構(gòu)造為活動螺母采用錐度密封的膠管或鋼管前，應(yīng)晃動膠管或鋼管螺母，確保其和被聯(lián)接元件同心，手動擰到底，然后用相應(yīng)規(guī)格的扭力扳手擰緊到規(guī)定力矩。(5)裝配時一定要注意被聯(lián)接件的材料差異而引起的力矩變化，嚴格按不同材料的力矩要求來控制力矩。(6)在使用扭力扳手時一定使用規(guī)格適宜的扳手，例如盡量不要使用0350 Nm規(guī)格的扭力扳手來測量擰緊力矩要求為10

16、020 N111的螺栓，而要選用0140 Nm規(guī)格的扳手。(7)當(dāng)使用定轉(zhuǎn)矩氣扳機時，每條氣體管路只能聯(lián)接一個定轉(zhuǎn)矩氣扳機；管路不要太長，一般應(yīng)小于10 m；管路內(nèi)徑不得太細，至少應(yīng)大于125mm。定轉(zhuǎn)矩氣扳機必須與三聯(lián)體(油水別離器)配合使用，并嚴禁氣體管路出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，否則會嚴重影響擰緊力矩的控制精度。(8)在裝配中使用最多的是先用沖擊式氣扳機擰緊，再用手動指針式扭力扳手擰到力矩要求。在二次擰緊過程中，如果控制不好，多數(shù)會超過工藝上規(guī)定的轉(zhuǎn)矩。所以當(dāng)使用普通氣扳機裝配時，也應(yīng)保證氣源的氣壓穩(wěn)定，氣源應(yīng)該杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象發(fā)生，不同規(guī)格螺栓用的氣壓、空氣流量應(yīng)該不同，對于重要部位的螺栓應(yīng)以實現(xiàn)定壓力、定流量為宜。(9)對于一些減振彈性元件的聯(lián)接部位，一定要注意控制好同一構(gòu)造中各部位的力矩一致性。例如駕駛室的固定，既要保證力矩在要求的*圍之內(nèi)，同時還要保證各部位的力矩根本相等；對于密封部位的多個螺栓也應(yīng)當(dāng)如此。(10)對