螺栓擰緊方法

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1、. 以下均以 N.M （牛 .米）為單位。 8.8 10.9 12.9 鑄鐵鋁鑄鐵 鋁 鑄鐵 鋁 M10 4530； 60 30； 70 30； M12 8055； 105 55； 125 55； M14 125 90 ； 165 90； 195 90 ； M16 180 140 ； 240 140； 290 140； M18 230 180 ； 320 180； 400 180； 溫馨提示：當(dāng)準(zhǔn)備擰緊螺栓時(shí)，需要在螺栓的螺紋上涂少許機(jī)油，以便我們擰緊的時(shí)候減少多螺栓的損害；注意：機(jī)油不能涂太多，如涂太多后會(huì)造

2、成“液鎖”現(xiàn)象。螺栓的擰緊方式及擰緊的質(zhì)量評(píng)估 在汽車制造業(yè)中， 將各種汽車零部件裝配成整車的過(guò)程， 需要很多種不同類型的聯(lián)接， 比如焊接、螺栓聯(lián)接和粘膠聯(lián)接等。其中螺栓聯(lián)接是最重要的聯(lián)接方法之一。由于螺栓聯(lián)接可以獲得很高的聯(lián) 接強(qiáng)度，又便于裝拆，具有互換性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，成本低而且價(jià)格便宜，經(jīng)常被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和底盤等重要位置的裝配中。所以，螺栓的擰緊質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的安全性和可靠性。 螺栓聯(lián)接質(zhì)量控制原理 螺栓聯(lián)接的實(shí)質(zhì)是通過(guò)將螺栓的軸向預(yù)緊力控制到適當(dāng)范圍，從而將兩個(gè)工件可靠地聯(lián)接在一起。為了確保螺紋聯(lián)接的剛性、密封性、防松能力和受拉

3、螺栓的疲勞強(qiáng)度，聯(lián)接螺栓對(duì)預(yù)緊力的精度要求是相當(dāng)高的。所以，軸向預(yù)緊力是評(píng)價(jià)螺栓聯(lián)接可靠性的重要指標(biāo)。軸向預(yù)緊力的最低限是由聯(lián)接結(jié)構(gòu)的用途決定的，該值必須保證被聯(lián)接工件在工作過(guò)程中始終可靠貼合。軸向預(yù)緊力的最高值必須保證螺栓及被聯(lián)接工件在預(yù)緊和工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫扣、剪斷和疲勞斷裂等損壞。怎樣控制和監(jiān)控預(yù)緊力的數(shù)值，使之能夠達(dá)到產(chǎn)品要求顯然是一個(gè)值得研究的課題。 螺栓擰緊方法 螺栓擰緊方法主要有兩類，分別是彈性擰緊和塑性擰緊。彈性擰緊一般指扭矩?cái)Q緊法，塑性擰緊主要包括轉(zhuǎn)角擰緊法、屈服點(diǎn)擰緊法等。 1.扭矩?cái)Q緊法 扭矩?cái)Q緊法的原理是扭矩大小和軸向預(yù)

4、緊力之間存在一定關(guān)系。 通過(guò)將擰緊工具設(shè)置到某個(gè)扭矩值 來(lái)控制被聯(lián)接件的預(yù)緊力。在工藝過(guò)程、零件質(zhì)量等因素穩(wěn)定的前提下，該擰緊方式操作簡(jiǎn)單、直觀，目前被廣泛采用。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在擰緊螺栓時(shí)，有 50%的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有 40%消耗在螺紋的摩擦上， 僅有 10%的扭矩用來(lái)產(chǎn)生預(yù)緊力。由于外界不穩(wěn)定條件對(duì)扭矩?cái)Q緊法的影響很多， 所以通過(guò)控制擰 緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法將導(dǎo)致對(duì)軸向預(yù)緊力控制精度低。 而且有極少數(shù)的螺栓聯(lián)接， 扭矩已達(dá)到規(guī)定值， 而螺栓頭還未完全與被聯(lián)接件貼合或間隙有時(shí)很小， 目視不容易發(fā)現(xiàn)。此時(shí)扭矩值是合格的，但預(yù)緊

5、力很小，甚至沒有，所以在這種情況下，如果僅僅提出保證扭矩合格，那么保證裝配擰緊質(zhì)量就成了一句空話。 ;. . 圖 1 轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊曲線 2.轉(zhuǎn)角擰緊法 鑒于扭矩?cái)Q緊法存在的不足，美國(guó)在 20 世紀(jì) 40 年代末開始研究螺栓伸長(zhǎng)和軸向力的關(guān)系。螺栓擰 緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長(zhǎng)量和被擰緊件松動(dòng)量的總和大致成比例關(guān)系， 因而可采取按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角 度來(lái)達(dá)到預(yù)定擰緊力的方法。圖 1 示意性地描述了轉(zhuǎn)角擰緊

6、法的曲線走向。首先將螺栓擰緊到起始 力矩 Ms，即將螺栓拉伸到接近屈服點(diǎn)，然后，再旋轉(zhuǎn)一定的角度 A0 ，將螺栓拉伸到塑性區(qū)域。旋 轉(zhuǎn)角度擰緊法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長(zhǎng)量，在彈性范圍內(nèi)軸向預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量成正比，控制伸長(zhǎng)量 就是控制軸向力，螺栓開始塑性變形后，雖然兩者已不再成正比關(guān)系，但螺栓受拉伸時(shí)的力學(xué)性能 表明，只要保持在一定范圍以內(nèi)，軸向預(yù)緊力就能穩(wěn)定在屈服載荷附近。所以，圖 1 中所示的兩個(gè) 摩擦系數(shù)不同的螺栓，雖然采用相同的擰緊法擰緊后的最終力矩 M1與M2 相差很大，但是，由于 螺栓強(qiáng)度、尺寸相同，所以預(yù)緊力相差不大。與扭矩?cái)Q緊法相比，不僅高精度地完成了對(duì)擰

7、緊的控制，而且充分提高了材料的利用率。 圖 2 屈服點(diǎn)擰緊法 3.屈服點(diǎn)擰緊法 屈服點(diǎn)擰緊法的理論目標(biāo)是將螺栓擰緊到剛過(guò)屈服極限點(diǎn)。 圖 2 示意性地描述了屈服點(diǎn)控制法的擰 緊曲線。采用屈服點(diǎn)擰緊時(shí)，首先將螺栓擰緊到某一個(gè)規(guī)定的起始力矩 Ms，從這點(diǎn)開始，設(shè)備監(jiān) 控?cái)Q緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降到超過(guò)了設(shè)定值，那么就認(rèn)為把螺栓拉伸到了屈服點(diǎn)，工具停止運(yùn)行。 屈服點(diǎn)擰緊法最大的優(yōu)點(diǎn)是將摩擦系數(shù)不同的螺栓都擰緊到其屈服點(diǎn)， 最大限度的發(fā)揮了螺

8、紋件強(qiáng) 度的潛力，但是它對(duì)干擾因素比較敏感，同時(shí)對(duì)螺栓的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，控制難度較大。 因此擰緊工具的價(jià)格十分昂貴。 螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià) ;. . 對(duì)于螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià)包括兩種， 一種是采用數(shù)顯或表盤式力矩扳手， 測(cè)量裝配后的螺栓的力矩，來(lái)評(píng)價(jià)螺栓擰緊的質(zhì)量，這種方法由于采用人工操作，所以一般采用抽檢的方式；另一種是通過(guò)擰 緊設(shè)備中集成的力矩及轉(zhuǎn)角傳感器，對(duì)螺栓裝配的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，這種方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的裝配過(guò)程進(jìn)行 100%檢驗(yàn)。 1.手工檢驗(yàn) 由于手工檢驗(yàn)得到的力矩值，是在裝配完成后測(cè)量的，力矩值較裝配

9、過(guò)程中有了一定程度的衰減， 所以測(cè)量到的結(jié)果被稱為靜態(tài)力矩。 首先采集至少 100 個(gè)實(shí)際扭矩測(cè)量值， 然后用統(tǒng)計(jì)分析的方法， 求出標(biāo)準(zhǔn)偏差 s。根據(jù)不同用途的實(shí)際情況，以 ±2s 或 ±3s 作為控制范圍的上、下極限。如果實(shí)際測(cè) 量值不在控制限之內(nèi)，則認(rèn)為被測(cè)量的擰緊不合格。 在汽車制造領(lǐng)域，大多數(shù)企業(yè)通常采用以下兩種方式對(duì)裝配后的螺栓的擰緊質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)， 一是裝配后立即對(duì)其抽檢，另一種是在整車經(jīng)過(guò)路試連續(xù)行駛、承受過(guò)負(fù)載后再對(duì)相關(guān)的螺栓聯(lián)接 質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)價(jià)。德國(guó)大眾汽車將這兩種檢測(cè)分別定義為 MNA1 和 MNA2 。但是采用這種方 法時(shí)必須

10、注意以下幾點(diǎn)： （1）擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù) CMk 必須達(dá)到 1.67 或更高，過(guò)程能力指數(shù) Cpk ≥ 1.33； （2）測(cè)量力矩時(shí)必須采用緊固法， 即在旋緊螺栓的方向上旋轉(zhuǎn)一個(gè)比較小的角度 （通常不超過(guò) 5°）； （3）必須在該螺栓裝配后 30min 內(nèi)測(cè)量 MNA1 ； （4）測(cè)量結(jié)果的控制限，只能靠統(tǒng)計(jì)分析得出，不能采用產(chǎn)品力矩設(shè)定的公差值。 2.設(shè)備檢驗(yàn) 設(shè)備測(cè)量到的力矩值，是在裝配過(guò)程中由傳感器直接讀出的，還沒有衰減，所以測(cè)量到的力矩值被稱為動(dòng)態(tài)力矩值。 由于屈服點(diǎn)擰緊法

11、目前應(yīng)用不是太廣泛，而扭矩?cái)Q緊法一般采用不帶監(jiān)控功能擰緊工具，所以，我們主要以轉(zhuǎn)角擰緊法為例來(lái)介紹裝配過(guò)程中擰緊質(zhì)量的控制。 轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊質(zhì)量目前主要有以下幾種評(píng)定方法： （ 1） 參考標(biāo)準(zhǔn)法。某些大型的企業(yè)集團(tuán)或標(biāo)準(zhǔn)化組織，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，給出了一些轉(zhuǎn)角擰緊法裝配的最終力矩的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2）最終力矩統(tǒng)計(jì)法。這種方法的前提是，必須保證過(guò)程穩(wěn)定，然后讀取擰緊后的最終力矩值，再經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，剔除不合格的值，計(jì)算出其均值、方差，來(lái)確定最終力矩的控制限。目前，擰緊設(shè)備的技術(shù)水平有了很大發(fā)展，最終力矩可以很方便地從擰緊設(shè)備中讀取得到，所以這種方法在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 在過(guò)程穩(wěn)定

12、的前提下，最終力矩一般服從正態(tài)分布，為了使最終力矩的控制限設(shè)置得盡量合理，一 般要考慮在統(tǒng)計(jì)學(xué)中經(jīng)常提到的兩類錯(cuò)誤中尋找平衡， 即首先我們希望我們?cè)O(shè)置的控制極限要盡可能地排除不合格的擰緊，但這樣帶來(lái)的后果是，控制限被設(shè)置的很苛刻，范圍很小，導(dǎo)致把一些本 來(lái)合格的擰緊剔除了（棄真） ，從而導(dǎo)致不合格品的大量增加，進(jìn)而增加成本；另一方面，為了盡 可能避免合格的擰緊被剔除， 我們需要盡可能地增大控制限， 這就會(huì)導(dǎo)致某一些本來(lái)不合格的擰緊， 出現(xiàn)在了我們?cè)O(shè)置的控制限之內(nèi) （存?zhèn)危?，給我們的產(chǎn)品帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。 如何在 “棄真 ”與 “存?zhèn)?”之間找 到平衡，不同的企

13、業(yè)，結(jié)合自身的特點(diǎn)，對(duì)于避免這兩類錯(cuò)誤的要求不同，但是大部分的企業(yè)，一般選擇取統(tǒng)計(jì)結(jié)果的 ±3s（ s 代表樣本的標(biāo)準(zhǔn)差）作為最終力矩的控制限。 無(wú)論是采用統(tǒng)計(jì)法還是參考標(biāo)準(zhǔn)法，我們的控制對(duì)象都是轉(zhuǎn)角擰緊后的最終力矩，無(wú)論如何設(shè)置最 終力矩的控制限，都不能完全保證所有最終力矩滿足控制限要求的擰緊都是合格的，即 “存?zhèn)?”發(fā)生 ;. . 概率只可能盡量減小，不可能消除。但是，如果這種小概率事件發(fā)生在汽車重要的螺栓連接上，將給駕駛者的生命安全帶來(lái)極大隱患。 （3） 分析擰緊曲線法。 目前很多擰緊設(shè)備都可以顯示擰緊過(guò)程中， 力矩隨時(shí)間或角度

14、變化的曲線。這種通過(guò)觀察擰緊曲線來(lái)判定扭矩 — 轉(zhuǎn)角法是否合格的方法，雖然比較直觀、可靠，但是對(duì)于分析 者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)有很高的要求，而且分析過(guò)程需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。所以不適合應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中去。 案例 我們將以上介紹的 3 種方法相結(jié)合，充分的利用目前先進(jìn)的擰緊設(shè)備各種監(jiān)控功能，對(duì)旋轉(zhuǎn)角度擰 緊法的質(zhì)量進(jìn)行控制，取得了比較好的效果。下面以汽車前橋的 1 個(gè)擰緊裝配為例進(jìn)行介紹，擰緊 設(shè)備采用 Atlas Copco 擰緊機(jī)，設(shè)備編程軟件為 Power MACS ，螺栓 M16 ，強(qiáng)度等級(jí) 10.9，產(chǎn)品裝 配力矩為： 70Nm+90° 。 為了適

15、應(yīng)批量生產(chǎn)對(duì)于裝配速度的要求，我們通常把擰緊劃分為幾個(gè)階段，首先采用比較快的擰緊 速度使螺栓頭部下端面迅速與被夾緊零件面貼合 （這里選擇 20Nm ），然后再以稍低的速度使螺栓擰 緊到起始力矩（ 70Nm ），最后，再低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角（ 90°），完成整個(gè)擰緊過(guò)程。 為了控制轉(zhuǎn)角擰緊法的質(zhì)量， 是不是只要保證最終力矩在我們?cè)O(shè)置的控制限之內(nèi)就可以了呢？通過(guò)對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中采用轉(zhuǎn)角擰緊法時(shí)，螺栓的質(zhì)量問題不是只發(fā)生在轉(zhuǎn)角擰緊 階段，有的還發(fā)生在起始力矩?cái)Q緊階段。假力矩就是一種發(fā)生在力矩?cái)Q緊階段的嚴(yán)重的擰緊不合格現(xiàn)象。所謂假力矩是指，雖然擰緊設(shè)備顯示擰緊達(dá)到了要

16、求的力矩，但是螺栓頭部下端面并沒有和被夾緊件緊密貼合，或者雖然結(jié)合了，但是沒有產(chǎn)生足夠的夾緊力，造成螺栓連接失效。分析失效問題，我們發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的主要原因是螺母中存在焊渣、螺栓的軸線沒有與螺母對(duì)正和螺栓太長(zhǎng)等，這種失效往往會(huì)引起擰緊設(shè)備旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度發(fā)生異常，所以，我們認(rèn)為在力矩?cái)Q緊過(guò)程中添加角度監(jiān)控是很有必要的。 將這個(gè)擰緊過(guò)程中的數(shù)據(jù)搜集起來(lái)，然后我們采用 Q-Das 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們程序設(shè)置如下： 第一步，力矩控制（ 20Nm ）角度監(jiān)控； 第二步，力矩控制（ 70Nm ）角度監(jiān)控； 第三步，轉(zhuǎn)角控制（ 90°）

17、 圖 3 最終力矩的分布圖 力矩監(jiān)控（如圖 3 所示），計(jì)算結(jié)果為， 402Nm ～516Nm ，最小值 411.9Nm，最大值 499.4Nm ，標(biāo) ;. . 準(zhǔn)中的控制限的參考范圍為 310Nm ～ 510Nm ，所以我們?cè)O(shè)置最終力矩控制限為 405Nm ～ 505Nm 。 為了吸取分析擰緊曲線法的優(yōu)點(diǎn)，利用 Atlas 擰緊軟件豐富的監(jiān)控功能，我們還監(jiān)控了轉(zhuǎn)角階段的 曲線形狀，比如，監(jiān)

18、控?cái)Q緊曲線是否在轉(zhuǎn)角階段、是否有空轉(zhuǎn)等，很好地控制了轉(zhuǎn)角擰緊的質(zhì)量。 我們對(duì)設(shè)置后的狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤，采集了一些擰緊曲線進(jìn)行分析，測(cè)量并分析 MNA1 及 MNA2 的 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)效果良好，很好地控制了擰緊質(zhì)量。 目前，擰緊技術(shù)在我國(guó)并沒有被引起足夠的重視，對(duì)于擰緊技術(shù)的研究基本上還處于起步階段，一些先進(jìn)的擰緊方法只應(yīng)用在汽車合資公司及一些高科技企業(yè)，隨著大家對(duì)擰緊技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及自主品牌汽車的發(fā)展，擰緊技術(shù)在國(guó)內(nèi)必將有長(zhǎng)足的發(fā)展。另外，隨著先進(jìn)的管理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)螺栓擰緊質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，也將有更大的進(jìn)步。 ;.