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天浩天螺丝对螺纹紧固件的拧紧试验

2017-3-2 返回列表
导读:  螺纹紧固件是机械产品中最常见的联结件,螺栓和螺母则是螺纹紧固件中用途最广的零件。螺纹紧固件的结构大都不很复杂,制造和装配看起来似乎也无惊人之处。但无数的质量事故不断提醒人们不可小觑貌似简单的螺纹紧固件。制造和装配是螺纹紧固件影响其质量的两大关键,从某种意义上讲装配质量对螺纹紧固件的影响甚至大于其制造质量的影响。随着对机械零件小型化和对连接要求的提高,装配……

  螺纹紧固件是机械产品中最常见的联结件,螺栓和螺母则是螺纹紧固件中用途最广的零件。螺纹紧固件的结构大都不很复杂,制造和装配看起来似乎也无惊人之处。但无数的质量事故不断提醒人们不可小觑貌似简单的螺纹紧固件。制造和装配是螺纹紧固件影响其质量的两大关键,从某种意义上讲装配质量对螺纹紧固件的影响甚至大于其制造质量的影响。随着对机械零件小型化和对连接要求的提高,装配质量越来越引起人们的关注。如何使螺纹紧固件的实际紧固力精确或较精确地接近理论紧固力(即紧固效果)是人们最为关心和研究最多的课题。
  螺纹紧固件的紧固力螺纹紧固件的紧固力P.一般是通过控制扭矩M来实现的,这是基于P.与M之间存在以下关系:MO.OOlPMtO.ies/dM+O+RM/dM)表1四种螺纹紧固件装配方法紧固效果比较装配方法紧固力误差单纯扭矩法弹性区域扭矩+转角法屈服区域扭矩+转角法伸长量测量法杨琪:南京汽车集团有限公司技术中心。
  摩擦系数Rm螺母或螺纹紧固件头部支承面平均半径mm显然,用力矩M来控制Po是很不精确的。因为在这两者的关系中包含着一个变化很大且难精确确定的摩擦系数f.它受螺纹表面及座面粗糖度、润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、反复拧紧时的温度变化等诸多不定因素的影响,这就使真正的紧固力很分散,波动极限约为±40%.分析各种螺纹紧固件损坏原因,发现设计正确,工艺及材料合格的产品,大都是由于螺纹松动所致。松动是由于各种外力作用下实际紧固件的紧固力显得不足(尽管扭力扳手已保证了理论紧固力)或螺纹紧固件与被连接件之间产生相对滑动而引起的。也就是说,由于用单纯扭矩法进行机械零件的连结的实际紧固力与理论紧固力的不一致性,影响了螺纹紧固件的紧固效果。因此,这种凭扭矩进行装配的方法用于一般机械零件的连结尚可,若用在承受高交变应力的机械连接上则很可能出问题。显然,精确控制紧固力是提高螺纹紧固件紧固效果的最好办法。而拧紧试验是制订精确的拧紧工艺(即拧紧工艺优化)和实现精确控制紧固力的重要手段和前提。
  若设Cl、c2分别为螺纹紧固件和被连接件的刚度,X,为螺纹紧固件紧固时的伸长量,V为被连接件紧固时的压缩量,P.为螺纹紧固件在屈服附近的紧固力,则有螺母(或螺纹紧固件)的轴向位移量应为,则螺母(或螺纹紧固件)的旋转角因为。,2、3均是变化不大的比较确定的值,因此e亦为确定值。由于C|、c2的变化也不大,故控制了螺母(或螺纹紧固件)的旋转角就可保证实际紧固力与理论紧固力的一致性。由于在屈服区域附近的p变化相对小,故屈服区域扭矩+转角法比单纯扭矩法的分散度小。
  通过以上分析显然可以看出,如果直接用变形量人。,来控制p.是最可靠的办法。这在理论上是很容易说得通的,但由于需要特殊的测量装置,实际操作起来非常麻烦,何况有些螺钉根本无法测的伸长量。
  故尽管这种装配方法精度很高,但实际使用的地方表2两种扭矩+转角法的比较装配方法优点缺点弹性区域扭矩+转角法鲁可达到预定的紧固力不适用于小转角的短螺栓(螺栓的最大弹性仲鲁精度高于单纯扭矩法鲁装配法兰盘的一致性好鲁通过控制最终扭矩可避免螺纹咬伤、断齿等长小于0.05mm)屈服区域扭矩+转角法鲁可提供精确的紧固力值(根据抗拉强度)可使所有螺栓的锁紧应力一致要求螺栓的抗拉强度离散度小修要使用能精确控制的电子设备活在螺栓的转角上无需提高精度不适用于小转角的短螺栓(螺栓的最大弹性仲充分利用螺栓的承载能力长小于0.05mm)表3两种装配方法的预紧效果装配方法最大值紧固力kN最小值紧固力kN弹性区域扭矩+转角法屈服区域扭矩+转角法扭矩(Nm)并不多。
  基于以上紧固力的分析,螺纹紧固件的装配有几种不同的方法。
  2常见的螺纹紧固件装配方法目前常见的螺纹紧固件装配方法有以下四种:弹性区域的扭矩+转角法屈服(塑性)区域的扭矩+转角法以上四种螺纹紧固件装配方法的紧固效果见表1.利用拧紧试验的结果(特别是紧固力-转角曲线、扭矩41角曲线和伸长量-紧固力曲线)就可以很方便地制订拧紧工艺。单纯扭矩法比较简单,首先由设计人员确定螺纹紧固件所需的紧固力P.,然后根据该紧固力P.在紧固力-转角曲线上找出相应的转角ctTcm最后根据r扭矩-转角曲线上找出于对应的扭矩M,此扭矩M即为装配扭矩(扭矩+转角法装配工艺的确定则要比单纯扭矩法复杂些:首先根据设计所需的紧固力在拧紧试验做出的拉力蒂角曲线上找出对应的转角CXtot;在扭矩-转角曲线上找出与预扭矩对应的a1;实际装配的有效转角aEFFTar-a,。装配时,先将螺纹紧固件按预扭矩a,拧紧,然后转动aEFT角度。
  弹性区域扭矩+转角法与屈服曲域扭矩+转角法的区别是前者的紧固力设计在螺纹紧固件拉伸曲线的弹性区,而后者则将紧固力设计在屈服区。
  但两种方法的装配效果和对螺纹紧固件及装配设备的要求是不同的。表2是两种装配方法的优缺点比较。
  看出在屈服区螺栓的紧固力非常集中,(7仅为均值的3.2%.而弹性区域的紧固力则较分散,其3cr/Mean=15.3%.因此屈服区域扭矩+转角法的装配精度要比弹性区域扭矩+转角法高。
  直接利用螺纹紧固件的伸长来控制紧固力的方法。因而其装配精度极高,装配时的紧固力完全符合设计的预计力。由于测量螺纹紧固件的伸长很困难,故其成本昂贵,在找到简便的伸长测量方法之前,这种装配方法尚无法用于生产。
  用伸长量测量法进行装配前亦需进行拧紧试验,做出紧固力4申长量曲线。根据设计师提供的紧固力在紧固力4申长曲线上找出相应的伸长量,装配时通过测量螺纹紧固件的伸长量来控制螺纹紧固件的紧固力。
  螺纹紧固件的拧紧试验原理螺纹紧固件的拧紧试验原理如所示:用电机带动拧紧装置(如套筒)拧紧螺纹紧固件,同时利用力传感器,角度传感器和扭矩传感器测出螺纹紧固件的紧固力、转动的角度(转角)、扭矩(螺纹部位的扭矩、头部支承面的扭矩和总扭矩)、摩擦系数(螺纹部位的摩擦系数、头部支承面的摩擦系数和总摩擦系数)。传感器的信号通过A-D转换输入到计算机,计算机用适当的软件处理后打印出紧固力弟角曲线,扭矩-转角曲线和紧固力、扭矩及摩擦系数的统计学处理的数据。
  另外,利用液压原理,通过力传感器和位移传感器做出紧固力长量曲线。
  螺纹紧固件失效分析案例某发动机曲轴皮带轮螺栓,12.9级,表面镀锌处理,用扭矩法装配。使用时发生掉头现象。后改镀锌为DACRO处理。但又出现“拉长”现象。
  此螺栓除了紧固曲轴皮带轮外,还要求有较好的防松能力。即要求螺栓头部支承面与曲轴头部端面之间有较大的摩擦力。也就是说,此螺栓必须兼顾预紧和防松两个功能。
  经检查螺检栓的金相组织、抗拉强度、及硬度均符合技术要求,但掉头螺栓的断口有氢脆的特征。
  螺栓拧紧试验结果表明:在相同的扭矩下,DACRO螺栓的紧固力要比镀锌螺栓高31.7%.由于装配扭矩是根据镀锌螺栓的摩擦系数确定的,故若改用DACRO螺栓,不改变装配扭矩,由于其摩擦系数减小,则螺栓受的拉力要增加30%以上,有可能达到或超过螺栓的屈服强度,螺栓有可能发生塑性变形。螺栓拧紧试验结果还表明:在相同紧固力下,镀锌螺栓的摩擦系数平均要比DACRO螺栓高56%.若改变DACRO螺栓的装配扭矩,使之达到镀锌螺栓的紧固力。由于摩擦力正比于正压力,故螺栓头部支承面与曲轴头部端面的摩擦力达不到防松的要求。由此可见原设计采用镀锌处理正是考虑到其摩擦系数较大,有利于增加自锁能力。
  基于以上分析,提出三种解决方案:方案一:使用镀锌螺栓,但加强去氢处理;方案二:使用DACRO螺栓,但要求其摩擦系数方案三:使用DACRO螺栓,另外采取防松措施。
  最终采用方案一,问题得以解决。
  结束语进行拧紧试验可以为各种螺纹紧固件的装配工艺提供可靠的依据,四种方法螺纹紧固件装配方法都是根据拧紧试验的结果制订的。四种装配方法各有千秋,具体操作应综合考虑紧固要求、设备条件、螺纹紧固件的质量水平以及成本等诸方面因素。另外,拧紧试验还有助于螺纹紧固件的失效分析和质量改进。拧紧试验在国外已被广泛应用,国内也有少数公司开展这方面的工作。相信随着机械工业的不断发展,拧紧试验会被更多的人所认识,拧紧试验也将成为机械性能试验中不可或缺的一个试验。

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