一種螺栓夾緊力測量方法

蔣小明

摘要：發動機內有高溫高壓、沖擊和振動，為確?？煽啃院桶踩?，必須嚴格控制關鍵零部件螺栓連接的夾緊力。利用超聲波測量技術，依據高強度螺栓軸向應力與超聲波時間差的關系，結合螺栓材料系數，測量出螺栓擰緊前后的超聲波時間差，確定了使用超聲波測量儀進行螺栓夾緊力測量的方法。

關鍵詞：螺栓連接;扭矩;夾緊力分析

0 ?引言

汽車行業或工程機械行業為滿足大規模、流水線的生產方式，通常交由各個分供方生產出子零件，再通過焊接、鉚接、粘接及螺栓連接等方法將各個子零部件組裝的方法生產，其中由于螺栓連接設計簡單、零部件標準化、裝配簡單效率高、可拆卸重裝的特點，得到最廣泛的應用。螺栓連接一般是通過預先設定扭矩進行擰緊控制，由于受到法蘭和螺紋副的摩擦，約90%的扭矩用于克服摩擦力，在螺栓屈服點前螺栓能產生很好的張力夾緊工件，但擰緊螺栓的力并非設定的越大越好，如果擰緊時超過螺栓的屈服點，可能產生塑性變形甚至斷裂。因此在對關鍵零部件的裝配擰緊時通過分析夾緊力制定可靠的擰緊工藝才能確保連接的可靠性。

1 ?螺栓連接緊固的原理

在兩個部件連接處鉆孔，通過螺栓連接起來，螺栓在擰緊過程中其實是通過擰緊力對螺栓進行軸向的拉伸，到達扭矩點后，利用螺栓自有的張力把兩個零部件緊固起來（見圖1）。在相同的條件下，增加螺桿部位的長度，可以使螺栓更好的伸長，以獲得更大的夾緊力。

需要注意在螺栓彈性變形的范圍內，扭矩與夾緊力理論上呈線性關系。螺栓的擰緊不能超過使用極限，如到達屈服點后，將喪失回彈的能力，產生塑性變形，甚至斷裂。隨著螺栓等級的增高，其抗拉強度也會增高，因此，應根據屈服的實際情況確定螺栓等級以及擰緊時所需要的扭矩，在發動機內的關鍵螺栓，一般選用12.9級的螺栓，以獲得更高的抗拉強度。

使用如手動扭矩扳子、電動擰緊槍等能夠直接測量的出扭矩，但實際更需要關心的是夾緊力，夾緊力并不像施加的扭矩那么簡單，同一顆螺栓擰緊過程中，產生塑性變形前，擰緊螺栓使其旋轉的越多，得到的扭矩越大。但是扭矩增加，夾緊力并不一定會隨線性增長，因為90%的扭矩被螺栓與法蘭摩擦以及螺紋副中的摩擦力給消耗掉，摩擦因素有較大的離散性。舉兩個例子，比如一顆螺栓的螺桿上有焊渣或螺紋損壞，擰緊到目標扭矩也許螺栓并沒有擰到位;又比如如果在擰緊螺栓前，在螺紋處涂油，相同扭矩下減少摩擦可以獲得更高的夾緊力。因此，如果需要更高的夾緊力要求，除了前述的扭矩法擰緊，可以采用扭矩控制和角度監控，或轉角法擰緊等高級擰緊工藝。

2 ?超聲波夾緊力測量方法

為了更好的控制擰緊的效果，在發動機工廠，對缸蓋螺栓、連桿螺栓、主軸承蓋螺栓等重要的螺栓連接一般都需要分析夾緊力以獲得更好的過程控制，可通過計算大致推導出夾緊力，扭矩、夾緊力與摩擦力的關系如下：

Fm=T/（0.16P+（μg*0.58*d2）+（（Dkm/2）*μk））

Definitions：

Fm——夾緊力; ? ? ? T——扭矩;

P——螺距; ? ? ? ? ? ?μg——螺紋副摩擦系數;

d2——螺栓直徑; ? ? Dkm ? ?螺栓/螺母頭下的尺寸;

Dkm = （dw + dh）/2;

μk——螺栓頭表面的摩擦系數。

通過超聲波測量分析儀可以大大減化夾緊力測量分析的流程，測量設備由脈沖發生器、溫度傳感器、測量分析軟件及超聲波拾取傳感器和線纜等組成，軸向載荷與螺栓擰緊時的伸長量成正比關系，利于超聲波在螺栓介質中沿軸力方向傳播時間差，就可以依據軸向變形及其對應的關系來測算夾緊力了，可大大提高測量精度，其主要步驟為：

①確定螺栓預緊力與伸長量的關系（見圖2）：為減少變差，試驗的螺栓應與測量夾緊力時的螺栓來源于同一批次。將螺栓裝配在標定工裝上，設置好螺栓等級、螺栓規格、總長度、夾持長度等信息后、施加扭矩過程中通過測量儀獲取預緊力與伸長量的關系，生成標定文件。

②螺栓的初始長度標定：在測量夾緊力前，對準備分析的螺栓進行初始長度標定，將聲波拾取傳感器貼在螺栓頂部，使用測量儀進行初始長度波紋的拾取。

③夾緊力測量與分析：按照設定的工藝裝配零件后擰緊螺栓，清潔樣品表面，將聲波拾取傳感器連接到螺栓貼片上，測量儀發射超聲波信號，依據反射波紋和時間，結合螺栓的初始長度，測算出螺栓在擰緊后的伸長量，并依據標定文件的關系最終確定夾緊力的大小。

④夾緊力分析的質量控制：使用超聲波分析時，環境溫度因保持在恒定狀態，螺栓的頂部和底部必須使用磨削加工等方式獲得足夠的平行的光滑平面，以利于超聲波的反射，獲得更精準的結果。在研究時應使用更多的樣本進行測量，并對測量結果實時分析，出現異常值時要采取多重驗證消除測量誤差，依據統計學原理，樣本量至少需要大于30，數據將服從或近似服從正態分布（見圖3、4）。

3 ?總結

采用超聲波測量分析技術可實現無損、快速的檢測，檢測結果可以發現，大大提高了測量的效率和準確性。通過夾緊力分析，對擰緊工藝提供指導和修正，比使用扭矩扳子檢測靜態扭矩能更好的控制擰緊過程，提升質量。

參考文獻：

[1]張俊.鋼結構工程中高強度螺栓軸向應力的超聲波測量技術[J].機械工程學報，2006（2）.

[2]劉鎮清.一種簡便的超聲波聲時精密測量技術[J].聲學技術，1996（2）.

[3]GB/T 3098.1-2010.緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].

[4]GB/T 16823.3-2010.緊固件 扭矩-夾緊力試驗[S].