黄积泽

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）

0 前言

拧紧技术普遍用于机械制造业中，但对螺纹连接的拧紧工艺及设备分析不够透彻，经常发生螺纹实际拧紧工艺未达到设计要求。为解决这个问题，国外在拧紧方法进行研究，纯粹扭矩控制法及扭矩+角度控制法应运而生。本文主要论述拧紧的基本知识以及拧紧工具的选择与应用，着重介绍了拧紧方案的选择及运用，为提升拧紧工艺及装配质量提供了一些参考。

1 拧紧技术

1.1 拧紧的基本概念

工件与工件的连接有不同的方式，其中螺栓紧固连接是较普遍的一种，使用螺栓紧固连接需要用到拧紧技术。工件使用螺栓紧固连接的作用就是使工件与工件之间紧密贴合，并可承受特定作用力，形成相应的贴合力，以确保工件与工件之间连接的可靠性。

1.1.1 紧固过程中相应变量的变化趋势

螺栓紧固时，其受力情况为：螺栓受拉，工件受压（见图1）。然而在紧固的过程中，工件受力的大小是不同的（见图2），可分为以下几种情形：

（1）刚开始紧固时，螺栓尚未与工件接触，压紧力F为零；由于螺纹副本身摩擦力的存在，扭矩T呈现出较小的值。

（2）当螺栓与零件开始接触时（Z点），此时开始正式紧固，压紧力F与扭矩T随螺母/螺栓转动角度的增大而急速增大。

（3）当T增大到屈服点时，螺栓产生朔性变形，角度增加量ΔA上升而压紧力和扭矩增量ΔF或ΔT变化不大，增量约为零。

（4）持续往下拧紧，力矩T和压紧力F减小，直至螺栓断裂。

图1 螺栓紧固受力分析图

图2 压紧力与拧紧转角关系图

1.1.2 螺纹副摩擦与拧紧力矩对压紧力的影响

在拧紧工艺中，想要的是拧紧夹紧力F，而实际测量的是扭矩T，如图3所示。

图3 螺栓扭矩与夹紧力示意图

从图4的T-F曲线图中可知，取相同力矩T时，根据摩擦系数μ的不同，压紧力F存在相差较大的情况。由此可知，摩擦系数μ变化时，压紧力F也随之变化，μ值的不同可能会导致F值相差甚远。以上所提的摩擦系数μ主要是指螺母与螺纹之间的接触面、螺栓/螺母与零件间的摩擦系数。

图4 扭矩与压紧力关系图

在一般的拧紧过程中，约90%的扭矩用于克服螺纹副之间的摩擦力，约只有10%的扭矩有效转化为夹紧力，如图5所示。

图5 螺栓扭矩与夹紧力转换关系图

夹紧力与摩擦力的关系以及摩擦力对夹紧力的影响详见图6、图7。

图6 夹紧力与摩擦力的转换关系图

图7 摩擦力-夹紧力曲线

1.1.3 螺栓拧紧的特性

在拧紧过程中，扭矩增加不能超过螺栓允许的最大值，扭矩超过螺栓允许的最大值时会使螺栓过度拉长，超过抗拉强度极限，从而使螺栓断裂，如图8所示。

图8 扭矩/夹紧力-旋转角度曲线

1.2 螺栓拧紧的常用方法

1.2.1 纯粹扭力控制法（T）

纯粹扭力控制法是只监控扭矩的拧紧方法，即当拧紧扭矩达到目标扭矩时直接停止拧紧。螺栓紧固时，轴向力F与扭矩T是正比关系，其关系为：T＝K·F，其中K为扭矩系数，由螺栓头/螺母与零件接触面之间、螺母与螺纹副之间的摩擦系数μ来决定。K大小可用下列公式估算：

式中:p为螺纹的螺距；μ为综合摩擦系数；d2为螺纹的中径；De为支承面的有效外径；Di为支承面的内径。

当螺栓和工件设计完成后，p、d2、De、Di均为确定值，而μ值随表面光滑度的不同而不同。所以，在紧固过程中主要影响K值波动的因素是综合摩擦系数μ。

图9 扭矩-角度曲线

采用纯粹扭力控制法拧紧，施加扭矩时，实际的设定扭矩常常是屈服扭矩的50%～85%，主要作用于栓紧弹性区间，施加的扭矩中约90%被摩擦力消耗。

1.2.2 扭矩+角度控制法（TA）

扭矩+角度控制法是将螺栓拧到一个规定的扭矩值，并以此为起点拧至一个设定的角度的控制方法。采用该方法拧紧时，设定初始扭矩（Ts）的目的是拧紧过程中先使零件表面与螺栓或螺母完全接触，克服一些工件表面凹凸不均匀的因素，拧紧工件轴向力主要是在螺栓转动角度中取得。从图10中分析可知，摩擦阻力（摩擦系数）不同仅影响计算转角的起点，并将其影响延续到最后。计算转角时，摩擦系数影响较小，可忽略不计，对工件轴向力影响较小。因此，其拧紧精度比纯粹扭力控制法高。

由图10可知，影响扭矩+角度控制法精度较大的是计算角度的起始点，即与Ts对应的S1（或S2）点。其缺点是较难确定规定扭矩和角度这两个参数，较难找出合适的方法对拧紧结果进行复检防错。

图10 摩擦系数对扭矩、角度关系的影响

1.3 动态扭矩与静态扭矩

1.3.1 动态扭矩

动态扭矩是指连接零件在拧紧过程中测算得出的最大值，通常是由拧紧工具施加得到的扭矩，其是在拧紧过程中动态测量的。

1.3.2 静态扭矩

静态扭矩是零件拧紧完成后，顺着拧紧方向继续旋转的瞬间所需要的扭矩，其是在拧紧完成后测量所得到的数值。

1.3.3 硬连接与软连接的概述

硬连接是指扭矩或夹紧力与转角或时间的关系曲线比较陡，即拧至设定扭矩时所需的时间较少或转角较小。对于硬连接的螺栓模拟器，测试扭矩从10%增加到100%的过程中，对应的转角应小于27°[1]。

软连接是指要将螺栓转动较大角度方能完成拧紧过程即拧至设定扭矩时所需时间较长或转角较大。对于软连接的螺栓模拟器，测试扭矩从10%达到100%的过程中，对应的转角应不小于650°[1]。

图11 转角与硬连接、软连接的关系

1.3.4 动态扭矩与静态扭矩的大小关系

动态扭矩与静态扭矩的大小有如下关系[2]：

（1）若紧固件衰减较明显（软连接），静态扭矩就小于动态扭矩；

（2）若紧固件衰减（硬连接）较小，静态扭矩就大于动态扭矩；

（3）若是通常的紧固件（中性连接），静态扭矩一般约等于动态扭矩；

（4）当所选工具、操作人员、拧紧方法及零件等条件相对稳定时，静态扭矩检测值将在一定范围内变化。

如图12[2]，软连接时，由于扭矩衰减的因素，静态扭矩比动态扭矩要偏小；从表2知悉，硬连接时，由于静态摩擦力的因素，静态扭矩比动态扭矩要偏大（图 13）。

图12 软硬连接与动、静态扭矩的数据统计

图13 静态扭矩与静态扭矩关系图

1.4 常用的扭矩检测方式

1.4.1 松开法

采用带表盘扭矩扳手将紧固好的螺栓松开，记录螺栓松开时所需的扭矩值。该方式误差较大，除特殊情况外较少采用。

1.4.2 紧固法

采用带表盘扭矩扳手将紧固好的螺栓沿拧紧方向施加扭矩，记录螺栓转动时所需的扭矩值。该方式误差在-5%～+25%之间波动，适用于拧紧后小于30 min时的检测。

1.4.3 标记法

采用记号笔将紧固好的螺栓标记，将螺栓松开后再拧紧至标记处，记录扭矩值。采用此方式检测，扭矩误差一般在-12%～+5%之间波动。可见，此方式的拧紧精度高于紧固法及松开法，但受制于工艺要求（大多要求螺栓不允许重复拧紧），此检测方式使用较少。

1.4.4 直接测量动态扭矩法

动态扭矩的测量通过扭矩传感器来测量现在扭矩传感器已广泛应用在动力工具上，能更好地确保扭矩精度，提高拧紧品质。

2 拧紧工具的选择与应用

2.1 公司拧紧工具配置现状

目前公司各装配区域的拧紧工具主要为气动风枪预紧，定扭扳手上紧至最终扭矩和采用电动拧紧工具直接上紧至规定扭矩两种方式。

2.2 行业内拧紧工具配置现状

目前行业内装配区域的主要工具为电动拧紧工具，具备高精度的扭矩及角度要求以及追溯功能。

2.3 深入研究拧紧工具的应用

为满足高标准的装配质量要求，实现高精度扭矩、角度监控，拧紧信息存储、查询，以及防错、防漏功能，采用高精度电动拧紧工具是首选。

目前，公司内各主要产线均已经配置高精度电动拧紧轴，如何用好、用活这些电动拧紧工具还需要进行深入的工艺研究。公司内绝大部分的工艺拧紧要求是采用纯粹扭矩控制法，部分新产品（如扭梁装配、后悬架装配）采用扭矩+角度控制法。

2.3.1 纯粹扭力控制法的应用

如前面所述，目前公司内各产线主要采用扭矩控制法进行拧紧，且基本是只监控扭矩，未对角度进行监控。为提升装配质量，采用扭矩控制法拧紧时，建议扭矩及角度同时监控，这样可以将部分拧紧缺陷有效暴露，提前识别。如螺栓存在焊渣，若只是进行扭矩监控，有可能存在扭矩达到要求，但是实际上螺栓并未完全贴合紧固件，造成拧紧不合格而漏判的情况；若有角度监控则可将此种失效模式提前拦截，做到不传递缺陷。

不同连接件，由于工艺、材料等的不同，所需要的拧紧力矩及监控角度也不同。工艺扭矩一般情况下装配图纸会直接给出，这里不做深入研究。对于监控角度的确认，最直接的办法是通过统计学原理，先收集大量的样本容量进行分析后确定。如后悬架线卡钳与轮毂螺栓拧紧，图纸上只要求拧紧力矩100～130 N·m（115±15 N·m），在设置角度监控前，可以先做样本容量收集。具体方法如下：

（1）将目标扭矩设为115 N·m；

（2）角度监控起始点设为目标扭矩的60%（该起始点可根据工艺要求进行变动）；

（3）角度监控终点设为目标扭矩的100%；

（4）拧紧工具自动计算出角度值；

（5）此时拧紧工具的角度监控上下限无限小及无限大，只做采集，不做监控判断。

按以上方法收集出大约100组角度值，进行统计学分析，算出合理的角度监控值范围，得出角度值上下限，再设置在拧紧工具中，即可进行角度监控。

2.3.2 扭矩+角度控制法的应用

如前所述，扭矩+角度控制法较纯粹扭矩控制法可获得较高精度的轴向预紧力，目前该拧紧方法正越来越普及。对于扭矩-角度控制法的程序设置，可参照以下方法。

（1）认帽：先反转再正转，设定转速5 r/min；

（2）拧至预拧紧扭矩值的1/3：正转，设定转速180 r/min；

（3）拧至预拧紧扭矩值的1/2：正转，设定转速20 r/min；

（4）拧至预拧紧扭矩值的3/4：正转，设定转速20 r/min；

（5）暂停 50 ms：设定转速 0 r/min；

（6）拧至预拧紧扭矩值：正转，转速10 r/min；

（7）拧至目标转角值：正转，设定转速10 r/min。

2.4 自动拧紧与手动拧紧的应用

不管是采用何种拧紧控制法，拧紧工具的选择均是选用高精度电动拧紧工具，而高精度拧紧工具的操作，主要分为两种方式：自动拧紧及人工操作电动拧紧工具拧紧。

2.4.1 自动拧紧技术应用

自动拧紧，即所需拧紧工件到达拧紧工位后，由设备带动高精度电动拧紧工具运行至所需紧固的螺栓处，通过设备PLC反馈信号给电动拧紧工具，拧紧工具按设定好的程序对螺栓进行拧紧。拧紧后退出，通过设定好的轨迹，拧紧下一螺栓。

设备带动电动拧紧工具运行，目前各大工厂主要流行的方案是采用机器人带动拧紧工具运行或者采用拧紧专机（双伺服运行）带动拧紧工具运行。采用自动拧紧技术的难点是对工件定位精度及一致性要求较高，当工件定位精度较差或工装一致性较差时，会导致拧紧工具的认帽成功率较低，从而影响拧紧成功率。自动拧紧技术的优势是省人，降低人工成本，且能排除人工因素带来的拧紧质量问题。

2.4.2 手动拧紧技术的应用

所谓手动拧紧技术，即通过人工操作电动拧紧工具至所需拧紧螺栓处，完成认帽后，启动拧紧轴拧紧至工艺要求。采用手动拧紧时，由于拧紧反作用力的问题，一般会在拧紧工具上增加悬挂机构，用于抵消拧紧轴本身的重量及反作用力，降低操作人员劳动强度。

3 结束语

通过系统地了解和学习相关拧紧技术，了解常用的拧紧方法，才能更好地根据实际工艺需求，制定出合适的拧紧方案，更好地服务于生产需求，提升装配质量。