螺紋聯(lián)接過程及擰緊控制方法分析案例概述1.1螺紋聯(lián)接過程螺紋聯(lián)接是最常見的裝配，用螺紋緊固件將被聯(lián)接件聯(lián)接起來，被聯(lián)接件不發(fā)生滑移或者脫離，該聯(lián)接可拆。其中螺栓與螺母的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接的重要典例。若在螺栓與螺母聯(lián)接過程中的擰緊不到位，則該聯(lián)接在工作過程可能會出現(xiàn)松動，甚至松開，極容易發(fā)生事故；若擰得過緊，則有可能會使螺紋發(fā)生疲勞斷裂、螺栓被擰斷而無法實現(xiàn)聯(lián)接。因此，需要對整個螺紋聯(lián)接過程進(jìn)行分析，研究其機(jī)理，保證聯(lián)接質(zhì)量。本文研究的螺紋聯(lián)接為汽車保險絲盒上螺栓與螺母之間的螺紋聯(lián)接，該螺紋聯(lián)接為螺栓聯(lián)接，下文中的螺紋聯(lián)接均指螺栓聯(lián)接。圖1.1為螺紋聯(lián)接過程中螺栓和被聯(lián)接件受力和變形示意圖。（a）（b）（c）圖1.1螺栓與被聯(lián)接件受力和變形示意圖圖1.1（a）為螺母剛與被聯(lián)接件貼合，還未產(chǎn)生預(yù)緊力時的狀態(tài)；圖1.1（b）為產(chǎn)生一定預(yù)緊力時的狀態(tài)。設(shè)和分別為螺栓和被聯(lián)接件的剛度，則螺栓伸長量，被聯(lián)接件縮短量為。圖1.1（c）為螺栓受到工作載荷作用下的狀態(tài)。此時，總預(yù)緊力為，殘余預(yù)緊力為。根據(jù)螺栓的靜力平衡條件得(2-1)受到工作載荷的作用，螺栓變形增量為，被聯(lián)接件縮短減量為，由圖1.1（c）力與變形的關(guān)系，可得及。根據(jù)螺栓與被聯(lián)接件變形協(xié)調(diào)條件有，則可得(2-2)將式(2-2)帶入(2-1)，可得螺紋聯(lián)接過程中總預(yù)緊力的另一表達(dá)式為(2-3)螺紋聯(lián)接過程中螺栓受到的總預(yù)緊力與工作載荷、預(yù)緊力及螺栓和被聯(lián)接件的剛度有關(guān)。令為聯(lián)接系統(tǒng)的相對剛度系數(shù)，則相對剛度系數(shù)越大，螺栓承受的預(yù)緊力越大。1.2螺紋擰緊控制方法1.1.1扭矩法扭矩法，是通過控制輸出的最終擰緊力矩來獲得螺紋聯(lián)接所需要的軸向預(yù)緊力，是應(yīng)用最廣泛的一種擰緊控制方法。主要應(yīng)用于螺栓材料的彈性區(qū)域，當(dāng)擰緊力矩達(dá)到所設(shè)定值時，停止擰緊工具以結(jié)束擰緊。由關(guān)系式（式中為擰緊力矩，為擰緊系數(shù)，為預(yù)緊力，為螺紋公稱直徑），可得預(yù)緊力和擰緊力矩的關(guān)系圖，如圖1.2所示。因此，當(dāng)預(yù)緊力和擰緊系數(shù)確定，擰緊力矩也就由此確定。圖1.2預(yù)緊力和擰緊力矩的關(guān)系圖扭矩法的優(yōu)點是控制目標(biāo)直觀、測量容易、操作過程簡便。其缺點是未能充分利用材料，受摩擦系數(shù)影響，擰緊力矩系數(shù)變化大，導(dǎo)致預(yù)緊力離散度大。扭矩法一般用于不太重要的螺紋聯(lián)接。1.1.2扭矩轉(zhuǎn)角法扭矩轉(zhuǎn)角法，或稱轉(zhuǎn)角法，先將螺栓擰緊到規(guī)定的扭矩后（根據(jù)經(jīng)驗為扭矩法最終擰緊力矩的25%），再繼續(xù)轉(zhuǎn)動螺母達(dá)到規(guī)定角度。轉(zhuǎn)動的角度事先通過計算或試驗而獲得。目前常用的扭矩轉(zhuǎn)角法有兩種：一種是在彈性區(qū)的。彈性區(qū)域預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系是（式中，為預(yù)緊力，為螺紋聯(lián)接剛度系數(shù)，為螺紋螺距，為轉(zhuǎn)角），由此可得預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖，如圖1.3所示。另一種將螺紋聯(lián)接件擰緊到屈服點，在塑性區(qū)發(fā)生永久變形，如圖1.4所示。圖1.3轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力關(guān)系圖（彈性區(qū)域）圖1.4轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力關(guān)系圖（塑性區(qū)域）因為摩擦系數(shù)的變化僅影響到轉(zhuǎn)角控制的起始點，故扭矩+轉(zhuǎn)角的控制精度比單純控制扭矩的方法大大提高。1.1.3屈服點法屈服點法，是一種通過計算擰緊力矩隨角度變化的增減量，將螺紋件擰緊至屈服點的方法。在整個擰緊過程中，會經(jīng)歷彈性區(qū)到塑性區(qū)的變化，而實際的扭矩會隨著角度變化而發(fā)生變化，它們之間的微分量也會發(fā)生變化。當(dāng)該量達(dá)到某一范圍，就認(rèn)為達(dá)到屈服點，如圖1.5所示。圖1.5屈服點法原理圖屈服點法不受摩擦系數(shù)的影響，因此其擰緊精度比以上三種方法都要高。并且屈服點法將螺栓擰至其屈服點，最大限度地發(fā)揮了螺栓強(qiáng)度的潛力。但是屈服點法對應(yīng)的擰緊設(shè)備價格普遍昂貴，而且該方法對螺栓的材料和熱處理等要求很高。1.1.4擰緊控制方法總結(jié)控制方法的選擇，一定要根據(jù)聯(lián)接件的實際情況而定，所以不能籠統(tǒng)地說哪一種方法更好。在選擇控制方法之前，應(yīng)明確對聯(lián)接件的要求、預(yù)緊力的精度要求和控制方法的應(yīng)用場合，然后通過實驗與分析找出最合理的控制方法。表1.1是四種常用擰緊控制方法的比較。表1.1四種常用擰緊控制方法的比較控制方法預(yù)緊力誤差設(shè)備復(fù)雜情況設(shè)備價格應(yīng)用場合要求扭矩法±40%簡單便宜要求一般扭矩轉(zhuǎn)角法（彈性區(qū)域）±15%較復(fù)雜較貴要求較高扭