浅谈精准扭矩控制

浅谈精准扭矩控制

王斌

徐工道路机械事业部   221004

【摘要】精准扭矩控制主要与螺纹的类型、联接件的材料强度，拧紧工具的选用等方面有关。如何在使用冲击扳手或开口扳手凭经验将螺纹拧紧后，不需要用定值扭力扳手手动复拧。是我们需要不断改善的方向。由于冲击扳手或开口扳手在拧紧过程中会出现过度拧紧、力矩不足而导致联接失效、松动等影响产品质量的情况。尤其是关键部位的力矩控制。因此优先选用定扭矩工具，定扭矩工具本身不仅能保证装配质量，同时减少了对于工人熟练度、技能素质的依赖。定扭矩工具再配置数据信息传输功能，更加有效的防错，控制扭矩精度，而且拧紧结果可追溯，搭建了一个装配过程动态记录的平台，进一步完善了装配及整机的信息化管理。

【关键词】螺纹；静态扭矩；动态扭矩；预紧；摩擦；标准

1、拧紧的概念及原理

通过螺纹联接的零部件，必须制定拧紧标准的扭矩，那么如何进行精确控制呢？首先应将扭矩进行分类，扭矩分为动态扭矩与静态扭矩，二者的概念简单的说，动态扭矩就是工具及设备在拧紧过程中，所实时显示的扭矩，是螺栓克服动态摩擦所达到的扭矩。对于定扭矩工具及设备预先设置的扭矩值，也是动态扭矩值；静态扭矩是指螺栓拧紧到位停止后，继续按照拧紧方向克服静态摩擦所达到的最大扭矩。动态扭矩测量的目的是要保证拧紧过程中的扭矩是合格的。静态扭矩测量的目的是验证动态过程的结果变化，同时保证拧紧后联接件的夹紧力的可靠性。一般情况下，静态扭矩应该和动态扭矩保持一致。但是，由于受到静态摩擦力和弹性衰减两个方面的影响，二者导致产生不一样的扭矩值。

我们在测量扭矩是否符合设定要求时，在检测的过程中需要增加扭矩克服静态摩擦力，因此静态扭矩高于动态扭矩。扭矩增大并不会有更大的夹紧力，而仅仅是静摩擦力的影响。另外一个因素弹性衰减的影响，主要是紧固件经过一定时间的受力后，材料受力会有形变发生。继而产生扭矩衰减。导致静态扭矩低于动态扭矩。其它影响扭矩的因素还与螺栓的直径以及长度，联接材料的硬度、涂层、厚度，环境温度等方面有关。同时不同的操作者，配置的检测工具、检测的方法以及检测的时间，都会产生不同的拧紧扭矩值。

综上所述，硬联接是静态扭矩高于动态扭矩；软联接是静态扭矩低于动态扭矩；组合联接是静态扭矩接近动态扭矩。因此，选用标准的拧紧工具，或在评价拧紧结果时，扭矩是非常重要的参数。

2、螺纹与扭矩的关系

2.1摩擦系数的影响

螺纹的联接作用主要是通过螺栓、螺母的拧紧扭矩，转换为夹紧力来实现的。但由于螺纹的外观形状受到制造公差的精度影响，还有实际工况存在的加工铁屑、螺纹磕碰、联接件干涉等缺陷。此时，即使一批螺纹紧固件的摩擦系数（螺纹间摩擦系数和支撑面摩擦系数）保持恒定，其扭矩系数也将不可避免地存在散差。

因此，扭矩系数必须根据具体条件进行实验实测，而不可简单的根据摩擦系数进行推算，因摩擦系数有明确的物理意义，可以理解为一个材料常数，当摩擦面的表面状态、材质发生变化以后，摩擦系数也就随之变化。螺纹的摩擦系数与螺纹的加工精度，牙侧粗糙度和支承面的粗糙度都密切相关，加工精度越高，表面越光滑，摩擦系数越小，反之则摩擦系数越大。还有就是温度变化和移动速度对摩擦系数也是有一定影响的。从而也说明了通过测量摩擦系数的方法来计算拧紧扭矩是不准确的。安装扭矩的分配比例是，10%的安装扭矩转换成夹紧力来对零件进行紧固，40%的安装扭矩用来克服螺纹副部分的摩擦，50%的安装扭矩用来克服支承面的摩擦。由此可见，摩擦对于螺纹紧固联接的重要性，90%的安装扭矩用来克服螺纹联接中的摩擦。

2.2预紧力

预紧力是在拧紧螺栓的过程中，受到拧紧力矩的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的力。预紧力的大小，除了受限于螺栓材料的强度外，还受限于被联接件的材料强度。同时，螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力都会产生影响。大部分螺纹联接在装配时，都必须预先拧紧，使螺栓受到拉伸和被联接件受到压缩。预紧的目的就是增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件的位置出现缝隙或发生相对滑动。因此，重要的螺栓必须控制预紧力，预紧力过大，会使联接超载；预紧力不足，可能导致联接失效。

在拧紧过程中，扭矩的变化滞后于预紧力的变化，预紧力已经反映出材料屈服，而扭矩还在继续增加,说明单纯用扭矩来检测螺栓是否达到屈服极限，并进而计算扭矩系数的方法是不准确的。由于扭矩系数在整个拧紧过程中的不断变化，尤其是在螺栓达到屈服之后，扭矩系数变化较大，但是在屈服之前，扭矩系数在整个拧紧过程中基本上不变。通过预紧力与扭矩特性曲线法计算螺纹紧固件的拧紧扭矩是可行的，且用该方法选用螺纹紧固件时，效能更优。

3、其它影响因素

3.1润滑油脂混入

在零部件装配过程中，有润滑油或者润滑脂混入螺纹中，会导致螺纹的摩擦力变小。克服摩擦力的扭矩转换成夹紧力，导致螺栓受力激增发生拉伸变形或断裂失效。因此在没有特定的情况下，一定避免在螺纹联接的位置，出现润滑油或者润滑脂。

3.2夹杂异物

夹杂产生的异物主要包括铁屑，焊瘤以及零件表面产生的污物等。这种情况可能会导致的问题有两种：一种是由于异物夹杂在联接件中部，导致结合面和螺纹副摩擦提高，相应的夹紧力降低，联接出现松弛的问题。另外一种情况是零件组装的时候，螺纹副出现卡滞和滑扣，螺栓头部或者螺母还没有与支承面接触安装就已经停止，导致联接失效，关键此类问题存在一定的隐蔽性，不容易被早期发现，导致质量问题的产生。

3.3表面锈蚀

零件的表面出现锈蚀现象，同样影响摩擦系数的变化。零件受到腐蚀之后，会在零件表面产生一些锈斑或者因锈蚀造成零件表面凹凸不平，导致摩擦系数提高，最终可能导致联接松弛失效，或者滑扣的问题出现。因此，在零部件安装前，发现零件有锈蚀的时候，不得进行装配。

3.4工具转速

安装工具的转速对摩擦系数也是有影响的。通常，安装工具转速高，对应联接的摩擦系数会降低。在制定螺纹联接的装配工艺时，我们首先通过一系列的试验来确定安装工具的转速。正常批量装配时，不得随便调整安装工具的转速或更换不同规格的工具，影响零部件联接的稳定性。

4、改变传统的作业模式，建立可量化的操作标准

定扭矩工具从严格意义上讲，只针对一种规格螺纹定扭拧紧，符合设计、工艺对装配扭矩的要求，能实现扭矩的精确定位。关键部位拧紧后不需要用定值扭力扳手手动复拧，取代了冲击扳手及开口扳手凭经验紧固的不可靠现象。冲击扳手及开口扳手在拧紧过程中会出现过拧、力矩不足而导致联接失效、松动影响产品质量的情况。定扭矩工具本身能保证装配质量，减少了对于工人熟练度、技能素质的依赖，减少工人的操作随意性对装配质量的影响。电动拧紧机能精确的控制扭矩精度，有效防错，工作轻松，而且拧紧结果可追溯。拧紧机的投入使用，不仅在硬件上改善了装配的条件，保证了装配质量，更重要的是在螺栓的紧固上有了新的理解和认识。开口定扭矩扳手的使用，解决了液压胶管接头紧固不按标准执行的问题。没使用开口定扭矩扳手前，使用呆扳手紧固液压接头凭个人经验紧固，往往出现接头过紧或过松现象，从而引发漏油、O形圈损坏等现象。使用开口定扭矩扳手后，按照工艺扭矩标准紧固。装配不仅仅是要把螺栓按照要求的扭矩装到位，更关键的是如何采用不同的装配方法和手段保证紧固的效果，需要按照不同零部件的装配要求和特点来实施，以达到最佳的防松效果。

参考文献：

[1]王晓斌,黄炽凯,严星,等. 拧螺栓和拧螺母对螺纹轴向预紧力的影响研究[J]. 制造技术与机床,2019(6):189-193。

[2]齐艳华,黄庆涛,袁博,等. 机械装备螺栓连接状态测试技术研究现状[J]. 航空制造技术,2019,62(5):63-70。

[3]何和智，熊承添，刘琰嵬，国内外螺纹联接防松技术进展，机电工程技术，2019-04-03。