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螺栓拧紧失效原因与控制方法

螺栓连接在工业生产以及生活中随处可见,因其装配简单、拆卸方便、效率高、成本低而被广泛采用,通过螺栓拧紧可以使零部件组合起来,达到设计所想要的功能,在此过程中,螺栓拧紧的控制技术是很关键的,它是提高生产效率、降低成本的重要控制过程,也是保证零件在设计寿命内功能不失效的重要因素。

目前关于螺栓拧紧失效原因和控制方法大多基于理论分析,有着重研究扭矩法和转角法区别的,也有着重讲述拧紧控制技术的。而实际面临问题比较复杂,如何针对螺栓拧紧失效模式选择有效的控制方法非常重要,本文整理了基于发动机装配过程中出现的一些螺栓拧紧失效原因,来阐述相关的控制方法,以供参考。

PART 01螺栓拧紧原理概述

根据螺栓拧紧的过程以及力学原理,螺栓拧紧的力学公式如下:

T = F *L

式中:T 为力矩;F为夹紧力;L 为力臂长。

另外,螺栓的拧紧规律遵从50-40-10 规则,如图1 所示:

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螺栓的拧紧规律

从图1 中可以看出,90% 的扭矩用于克服摩擦力,常说的螺栓拧紧是否牢固,也即是我们要获得的一个重要参数,就是夹紧力F。因此在实际生产中,如何选择拧紧工具、减小摩擦系数以及设计多大的扭矩来拧紧螺栓至关重要。

PART 02螺栓拧紧工具选择

螺栓拧紧工具的选择遵循以下几点:

(1)工艺要求精度。目前拧紧工具有两大类:一类是气动拧紧;另一类是电动拧紧,前者精度较后者精度低,发动机螺栓拧紧多用电动拧紧。

(2)被连接件安全等级。螺栓连接时,要确保夹紧力要高于外部载荷,必须具备一定的安全余量,螺栓安全余量的影响受连接副振动条件、摩擦力变化、拧紧精度、连接件尺寸变化的影响,一般可选的安全余量与拧紧精度与材料的等级有关。

(3)产品材料特性。取决于连接以及被连接对象是什么材料,一般跟材料的延展性有关,根据夹紧力的测量原理可知,材料的延展性越好,获得的夹紧力也越大。

(4)空间要求。如发动机螺栓拧紧的电动拧紧工具有手持式和自动拧紧两种,手持式相对自动拧紧工具便宜,发动机装配工艺中,根据不同工位的安装方式以及人机工程,手持式一般用于空间小,螺栓数少的工位,自动拧紧一般需要空间大,螺栓数多的工位。

(5)连接特性。分两类:一类是软连接,拧紧到达贴合点后,还需要继续旋转2 圈以上才能到达目标扭矩值。另一类是硬连接,拧紧到达贴合点后,旋转30 度以内达到目标扭矩值,注:贴合点一般为目标扭矩的10%。

(6)生产效率等。效率的体现就是工具故障率以及合格率的表现,拧紧工具故障率低,合格率高,则生产效率就高,一般需要根据产品设计值以及所要监控的方法来选取,选取完后做相应的MSA(测量系统分析)分析,最终确定该拧紧工具是否合格生产效率的要求。

PART 03螺栓拧紧失效模式及原因分析

在实际生产中,经常遇到的螺栓拧紧失效模式归纳起来有以下几点:

(1)拧坏螺栓———常见的拧坏螺栓表现为螺栓滑牙、扭断。螺栓滑牙主要原因是拧紧拧紧扭矩达不到程序设定扭矩要求,导致过度拧紧导致;螺栓拧断主要原因是螺栓安装不正常,或螺栓本身强度不达标,达不到程序设定的扭矩要求就断掉,在实际生产中,该失效风险并不高,偶尔有个别螺栓由于混入不合格物料造成。

(2)拧紧扭矩不对———常见表现为扭矩过低或过高,过低通常发生在拧紧的过程中,主要原因有拧紧时间不够,或拧紧枪(轴)与螺栓的相对位置不对,或拧紧枪(轴)磨损,或螺栓与螺栓孔的配合不好;过高通常发生在拧紧程序终了的时候,也即是拧紧完成后,程序设定的终扭矩判断时,表现为扭矩过载,多半是拧紧扭矩判断条件设定不合理造成。

(3)拧紧角度不对———多用于监控拧紧扭矩异常时设定角度监控,一般放在程序的中间步和终扭矩步,用以控制螺栓不被拧坏。一般基于生产数据来设定,因此,为了保证角度监控的合理性,需要定期根据生产数据进行6 西格玛分析来优化角度监控范围。

PART 04螺栓拧紧控制方法

常见的螺栓拧紧控制方法有以下几种:扭矩控制法、扭矩控制角度监控法、弹性区域内扭矩———转角控制法、塑性区域内扭矩———转角控制法、屈服极限控制法。

扭矩控制法适用于比较简单的拧紧控制,常用的有手动定扭矩拧紧,返修时用的较多,其拧紧原理是拧紧扭矩大小与轴向预紧力存在一定的关系,通过将拧紧工具设定为一个具体的拧紧值来控制连接件的夹紧力。在前述的拧紧原理中,有90%的扭矩在克服摩擦力,仅10%来产生预紧力,加上外界因素的不稳定,因此,该方法,精度较低,容易出现螺栓未拧紧到位就达到目标扭矩的问题,使用时一定要做好静态扭矩抽检。

扭矩角度控制法是在扭矩控制法上增加了控制条件,一般从目标扭矩的50%开始监控,只到拧紧完成,因此在生产中得到广发应用,精度也较高。弹性区域内扭矩———转角控制法,是将螺栓拧紧到弹性变形区域,在转一定角度,通过控制螺栓伸长量来获得想要的拧紧扭矩。因此扭矩控制法、扭矩控制角度监控法和弹性区域内扭矩———转角控制法属于弹性拧紧,塑性区域内扭矩———转角控制法、屈服极限控制法属于塑性拧紧,此两种方法是基于螺栓拧紧的旋转角度与螺栓的伸长量和被拧紧件松动量的总和大致成比例关系,即将螺栓拧紧拉伸到接近螺栓屈服点,然后旋转一定的角度,将螺栓拉伸到塑性区域。这样虽然克服了同样的摩擦力,但最大限度的利用了材料的利用率,获得了想要的夹紧力。后续三种方法对螺栓的性能及结构设计要求较高,控制难度较大,拧紧工具也比较贵。

PART 05认识一下

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SunTorque智能扭矩系统实际应用

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