螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)擰緊控制方法

螺栓擰緊在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，機(jī)械制造中零部件的連接與裝配，機(jī)械整體的裝配等等，可以說(shuō)幾乎是都離不開(kāi)螺栓擰緊。

螺栓的擰緊應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的裝配是一個(gè)普遍現(xiàn)象，以前人們只是考慮在裝配時(shí)，把螺栓（或螺母）擰到最緊的程度。后來(lái)人們才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)'最緊'不過(guò)是一個(gè)非常模糊的概念，它是因人而異的。一臺(tái)機(jī)器有幾十，以至成百上千個(gè)零件采用螺栓緊固裝配，在大生產(chǎn)中又是由多數(shù)人在不同的時(shí)間里完成的。如何有效的控制'擰緊'，并使其達(dá)到'最佳'，也就成為了機(jī)械行業(yè)十分關(guān)注的課題。這樣，不僅對(duì)于擰緊的控制方法探討及其采用成為了熱門(mén)話(huà)題，而且對(duì)于自動(dòng)擰緊機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛了。

先進(jìn)的擰緊方法需要自動(dòng)控制的擰緊工具。這種擰緊工具首先是在國(guó)外產(chǎn)生，并被廣發(fā)應(yīng)用于各汽車(chē)制造企業(yè)中。較著名的國(guó)外擰緊機(jī)生產(chǎn)商有ATLASC-OPCO公司（瑞典）、BOSCH公司（德國(guó)）、COOPER（美國(guó)）、INGERSOLL-RAND公司（美國(guó)）和OBER公司（意大利）等。

我國(guó)對(duì)擰緊技術(shù)的研究主要是在日本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行引進(jìn)、消化和吸收的，提出了等效日本1990年標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)，本系列國(guó)標(biāo)也包括了下列三個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T16823.1-1997《螺紋緊件應(yīng)力截面積和承載面積》；GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》；GB/T16823.3-1997《螺紋緊固件擰緊試驗(yàn)方法》。如同標(biāo)準(zhǔn)的借鑒和采用，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的擰緊技術(shù)研究處于起步和模仿階段。在生產(chǎn)上，部分有實(shí)力的汽車(chē)制造商通過(guò)購(gòu)買(mǎi)昂貴的進(jìn)口電動(dòng)擰緊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了扭矩?cái)Q緊，部分廠商實(shí)現(xiàn)了扭矩-轉(zhuǎn)角工藝，個(gè)別生產(chǎn)商開(kāi)始應(yīng)用屈服點(diǎn)擰緊工藝，但還處于摸索階段。我國(guó)生產(chǎn)廠商還不能獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)研制適應(yīng)于轉(zhuǎn)角、屈服點(diǎn)等先進(jìn)擰緊工藝的電動(dòng)擰緊設(shè)備和工具。

縱觀國(guó)內(nèi)外擰緊技術(shù)的發(fā)展水平，隨著螺栓制造水平的不斷提高，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家大力深入研究和推廣屈服點(diǎn)擰緊工藝。國(guó)內(nèi)全面推廣扭矩-轉(zhuǎn)角法，研究屈服點(diǎn)法，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家差距。

螺栓聯(lián)接的實(shí)質(zhì)是通過(guò)將螺栓的軸向預(yù)緊力控制到適當(dāng)范圍，從而將兩個(gè)工件可靠地聯(lián)接在一起。為了確保螺紋聯(lián)接的剛性、密封性、防松能力和受拉螺栓的疲勞強(qiáng)度，聯(lián)接螺栓對(duì)預(yù)緊力的精度要求是相當(dāng)高的。由于震動(dòng)與交變的載荷，以及溫度的影響，使螺紋聯(lián)接常發(fā)生自動(dòng)松脫的現(xiàn)象?？赏ㄟ^(guò)改善螺栓的擰緊方法就可避免。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)緊力的擰緊控制方法有很多，如很簡(jiǎn)單的扳手?jǐn)Q緊的手工法、扭矩控制法、超彈性控制法、屈服點(diǎn)擰緊法等等。

螺栓擰緊方法主要有兩類(lèi)，分別是彈性擰緊和塑性擰緊。彈性擰緊一般指扭矩?cái)Q緊法，塑性擰緊主要包括轉(zhuǎn)角擰緊法、屈服點(diǎn)擰緊法等。

下面就常見(jiàn)的幾種螺栓擰緊控制方法作簡(jiǎn)單介紹：

1、扭矩控制法（T）

扭矩控制法是最簡(jiǎn)單的控制法，通過(guò)螺栓扭矩值來(lái)控制被聯(lián)接件的預(yù)緊力。預(yù)緊力F0擰緊時(shí)與擰緊扭矩T成正比關(guān)系 。

扭矩系數(shù)K的變化與螺紋表面及座面的光潔度、潤(rùn)滑狀況、擰緊速度、所用擰緊工具有關(guān)。同時(shí)這個(gè)K值和溫度也有關(guān)系，經(jīng)過(guò)日本住友公司通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明環(huán)境溫度每增加1℃，扭矩系數(shù)K就下降0.31%。所以，如用扭矩法擰緊螺栓其計(jì)算載荷需要1.3倍最大工作載荷。

總之，扭矩控制法的優(yōu)點(diǎn)是：成本低，可以使用簡(jiǎn)易的擰緊工具扭矩扳手來(lái)檢查擰緊質(zhì)量。其缺點(diǎn)就是：擰緊精度不夠，不能充分發(fā)揮材料潛力，環(huán)境影響大（溫度，螺栓螺紋，雜質(zhì)、磕碰等）。

2、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）又稱(chēng)超彈性控制法

鑒于扭矩?cái)Q緊法存在的不足，美國(guó)在20世紀(jì)40年代末開(kāi)始研究螺栓伸長(zhǎng)和軸向力的關(guān)系。扭矩-轉(zhuǎn)角控制法是先將螺栓擰到一個(gè)不大的扭矩，一般會(huì)是擰緊力矩值的25%左右，再?gòu)拇它c(diǎn)開(kāi)始，擰一個(gè)規(guī)定的轉(zhuǎn)角的控制方法。

扭矩?cái)Q緊法是基于一定的轉(zhuǎn)角，是螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長(zhǎng)及連接件被壓縮了。這樣做的目的是將螺栓擰到緊密接觸面上，并克服了一些表面凹凸不平等不均勻因素，而后面所需求的軸向夾緊力由轉(zhuǎn)角產(chǎn)生。在計(jì)算轉(zhuǎn)角之后，摩擦阻力對(duì)軸向夾緊力的影響不復(fù)存在，所以其精度比單純的扭矩控制法要高，扭矩控制法的要點(diǎn)就是測(cè)量轉(zhuǎn)角的起點(diǎn)，一旦這個(gè)轉(zhuǎn)角確定下來(lái)我們就可以獲得相當(dāng)高擰緊精度。

扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）優(yōu)點(diǎn)：擰緊精度高，擰緊質(zhì)量穩(wěn)定，螺紋件摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響小；能充分利用螺栓的承載能力；螺栓可擰至塑性變形區(qū)而不致擰斷，設(shè)計(jì)預(yù)緊力可取螺栓屈服強(qiáng)度的80%。可以獲得較大的軸向夾緊力。缺點(diǎn)：其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要測(cè)量預(yù)緊扭矩及轉(zhuǎn)角2個(gè)數(shù)據(jù)，質(zhì)量部門(mén)不易找出適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)擰緊結(jié)果進(jìn)行檢查跟進(jìn)。

3、屈服點(diǎn)法

顧名思義屈服點(diǎn)控制法就是利用螺紋材料的屈服點(diǎn)來(lái)控制螺紋副的裝配。這種方法目前只有少說(shuō)生產(chǎn)高端品牌的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家在使用，因?yàn)樗枰O(shè)備成本太大。這種方法是在扭矩轉(zhuǎn)角控制法中發(fā)展而來(lái)的，是通過(guò)對(duì)扭矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)斜率的連續(xù)計(jì)算和判斷來(lái)計(jì)算屈服點(diǎn)的。屈服點(diǎn)擰緊法的理論目標(biāo)是將螺栓擰緊到剛過(guò)屈服極限點(diǎn)。采用屈服點(diǎn)擰緊時(shí)，首先將螺栓擰緊到某一個(gè)規(guī)定的起始力矩，從這點(diǎn)開(kāi)始，設(shè)備監(jiān)控?cái)Q緊曲線(xiàn)的斜率值的變化，如果斜率下降到超過(guò)了設(shè)定值，那么就認(rèn)為把螺栓拉伸到了屈服點(diǎn)，工具停止運(yùn)行。

屈服點(diǎn)擰緊法最大的優(yōu)點(diǎn)是不受扭矩控制法的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)角控制法的轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)的影響，將摩擦系數(shù)不同的螺栓都擰緊到其屈服點(diǎn)，最大限度的發(fā)揮了螺紋件強(qiáng)度的潛力，從而克服了扭矩控制法和轉(zhuǎn)角控制法的致命缺點(diǎn)，提高了裝配精度；但是它對(duì)干擾因素比較敏感，同時(shí)對(duì)螺栓的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，控制難度較大。因此擰緊工具的價(jià)格十分昂貴。

4、伸長(zhǎng)量法

就是說(shuō)在擰緊的過(guò)程中需測(cè)量螺栓自然長(zhǎng)度，在擰緊的過(guò)程中螺栓受到監(jiān)控，需要知道螺栓擰緊時(shí)拉伸的長(zhǎng)度，這個(gè)需要超聲螺栓預(yù)緊力測(cè)量?jī)x在螺栓緊固的過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)量并且實(shí)時(shí)計(jì)算螺栓軸力；當(dāng)螺栓軸力達(dá)到時(shí)，負(fù)反饋給螺栓緊固工具，停止緊固。 其優(yōu)點(diǎn)為可以在螺栓緊固時(shí)，精確控制螺栓軸力（+-1%）。