王海濤 李初曄

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

在數(shù)控機床的裝配過程中，零部件之間的聯(lián)接一般通過螺栓來實現(xiàn)。在實際中，大多情況下都要擰緊螺栓或者螺母，使螺栓聯(lián)接在承受工作載荷之前，預先受到一個力的作用，這個預先所加的作用力就是通常所指的預緊力。實質(zhì)上，預緊力是由于被聯(lián)接件和螺栓桿的彈性變形產(chǎn)生的，而不是擰緊扳手和螺母之間相互作用產(chǎn)生的。

大小適中的預緊力可以增強零部件聯(lián)接的可靠性和緊密性。如果預緊力達不到實際要求，聯(lián)接件之間在受載后容易出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對的偏移，從而造成聯(lián)接處零部件的松動，情況嚴重時，甚至會導致數(shù)控機床無法正常運行;如果預緊力超過實際要求，容易造成人為的零部件損壞。

眾所周知，規(guī)定預緊力的螺紋聯(lián)接，常用控制轉(zhuǎn)矩法、控制轉(zhuǎn)角法、控制螺栓伸長法來保證預緊力的準確性。在實際的操作過程中，常用螺栓軸向預緊力的控制方法，它是通過控制轉(zhuǎn)矩來間接地實現(xiàn)對軸向預緊力的控制。裝配時最常用的是使用手動指針式扭力扳手或數(shù)顯式扭力扳手來完成力矩的控制。

1 現(xiàn)行狀況

某型號數(shù)控機床，外型尺寸大，實際生產(chǎn)加工時，橫向最大推力3×1 000 kN，縱向最大推力3×700 kN，其他相關(guān)的主要技術(shù)指標如下:

（1）橫向定位精度:0．01 mm/300 mm;

（2）橫向重復定位精度:0．015 mm;

（3）橫向同步精度:≤0．03 mm;

（4）縱向定位精度:0．02 mm/300 mm;

（5）縱向重復定位精度:0．03 mm;

（6）縱向同步精度:≤0．06 mm。

如此大的切削力，加上較高的運行精度，對于整臺設(shè)備及其裝配來說都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此對于控制好部件之間的聯(lián)接質(zhì)量，顯得尤為關(guān)鍵。

該設(shè)備部件之間聯(lián)接使用的螺栓規(guī)格主要是M36和M30兩種，通常用于緊固受力較大的零部件。擰緊時所需要的力要結(jié)合設(shè)備的工況來進行計算，另外還要根據(jù)以往的經(jīng)驗和借助分析軟件，輔助進行對比和校對，以尋求較為理想的預緊力數(shù)值。因此，如果在裝配聯(lián)接之前，能夠通過分析和計算，最大限度地了解和掌握螺栓預緊力的大小，使其在一個較為合理的范圍之內(nèi)，這對于整機的裝配精度以及設(shè)備的運行安全，都有重要的指導意義。

2 實施過程

通過分析研究，螺栓緊固時所施加的預緊力，有幾種方法可以直接或間接獲得，較為直接的方法就是向?qū)I(yè)公司獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)（如表1）;再者，通過查閱設(shè)計工具上的相應數(shù)據(jù)資料（如表2）并采用公式進行計算;還有，就是借助有限元分析軟件，進行分析驗證。無論怎樣，每一種預緊力的數(shù)值都不是特別精確的，這就需要綜合考慮各方面的因素，結(jié)合該機床的工況條件，尋求一個較為合理的結(jié)果。該工作流程（如圖1）概括如下:

2．1 專業(yè)公司的數(shù)據(jù)（表1）

表1 粗牙螺紋螺栓預緊力和擰緊力矩表

2．2 根據(jù)公式計算數(shù)值

下面以M36粗牙螺栓為例進行相關(guān)計算，說明螺栓預緊力得出的過程。

由立柱與底座聯(lián)接、底座和箱體聯(lián)接所使用的螺栓型號和性能等級，通過查閱《機械設(shè)計手冊》，可以得到表2數(shù)據(jù)。

由表2可知，按10．9級性能等級，螺栓預緊力采用保證載荷，即F=678 000 N，螺栓直徑d=36 mm，選取扭矩系數(shù)k=0．2，可得理論擰緊力矩:

T0=kFd=0．2×678 000×0．036=4 881．6 N·m

表2 粗牙螺紋產(chǎn)品最小拉力載荷和產(chǎn)品保證載荷

在計算時，預緊力選取了螺栓的保證載荷，在實際應用中，還要確定一個安全系數(shù)，以保證螺栓的使用壽命。根據(jù)以往的經(jīng)驗，取安全系數(shù)λ=0．8，則緊固時使用的擰緊力矩:

按同樣的步驟，性能等級為10．9的M30粗牙螺栓，在緊固時使用的扭擰緊力矩:T'=2 236N·m。

根據(jù)以上擰緊力矩的計算結(jié)果，M36和M30與表1中所推薦使用擰緊力矩偏差率分別為:

由以上數(shù)值可知，根據(jù)公式計算后，實際應用時所采用的擰緊力矩大小與專業(yè)公司提供的數(shù)值比較接近，所以一致性很好。

2．3 有限元分析計算

利用軟件輔助分析計算，主要目的是為了模擬理想狀態(tài)下機床的整體受力情況，計算出各處螺栓在工況下的受力大小，進而計算出預緊力的數(shù)值，再與以上兩種方式得出的結(jié)果進行比較和驗證，最終確定螺栓實際安裝時的擰緊力矩。

下面以機床立柱和底座處的螺栓聯(lián)接為例進行闡述，裝配實體模型如圖2所示，圖3為有限元網(wǎng)絡(luò)模型。對于底座和箱體聯(lián)接的處理方式與該過程相同，在此不再贅述。兩零件螺栓聯(lián)接狀態(tài)如圖4所示。

由圖4可知，預緊力存在是因為擰緊螺栓的過程中，螺栓與立柱上非接觸的光孔段的部分發(fā)生彈性變形，以及被聯(lián)接件即立柱和底座被壓緊時，其彈性變形的存在。如果扳手擰螺栓時，被聯(lián)接件及螺栓桿沒有產(chǎn)生彈性變形，也就是沒有擰緊，那么預緊力就不可能產(chǎn)生，也就沒有實際的意義。

使用ANSYS軟件，結(jié)合機床的實際受力情況，施加約束，如圖5所示，通過分析計算，最終得出理想狀態(tài)的預緊力數(shù)值，結(jié)果如下:

聯(lián)接處10．9級，M36螺栓受預緊力為F=312 500N，知螺紋直徑d=36mm，取扭矩系數(shù)k=0.2，則擰緊力矩:T1=kFd=0.2×312 500×0.036=2 250N·m。

同理，底座和箱體聯(lián)接處10．9級，M30螺栓受預緊力為F=237 810N，知螺紋直徑d=30mm，取扭矩系數(shù)k=0.2，則擰緊力矩:T2=kFd=0.2×237 810×0.030=1 426.9N·m。

根據(jù)有限元分析結(jié)果計算出的擰緊力矩數(shù)值，是比較理想狀態(tài)的，為了確保聯(lián)接時的可靠性，通常取該數(shù)值的1.5～2倍即可，所以實際緊固時，對兩種螺栓采用的擰緊力矩分別是:

通過以上結(jié)果，可以知道:2．1節(jié)和2．2節(jié)的擰緊力矩相近，且數(shù)值都在有限元分析計算后所推薦的數(shù)值范圍之內(nèi)，這就為機床的下一步裝配奠定了基礎(chǔ)，提供有力依據(jù)，說明擰緊力矩的數(shù)值是合理和可信的。

3 現(xiàn)場應用及效果

根據(jù)以上擰緊力矩的數(shù)值，在裝配的具體操作過程中，綜合考慮3種方法得到的擰緊力矩數(shù)值，以前兩種較為相近的結(jié)果為基礎(chǔ)，采用了2．3節(jié)中T1'和T2'的下限擰緊力矩值，即3 375N·m和2 140N·m，該值低于專業(yè)公司的推薦值（最大擰緊力矩值）。專業(yè)公司的技術(shù)人員建議實際應用采用推薦值的0.75倍就能實現(xiàn)要求，以延長螺栓等聯(lián)接件的使用壽命。

其他規(guī)格型號的螺栓擰緊力矩的計算方法同上。

按照以上步驟得出的擰緊力矩值進行現(xiàn)場裝配，配合扭力放大器、測力扳手等專用工具，以求裝配操作的精確性。

整機完成裝配后，進行了試運行和加工檢測，得到了相關(guān)的技術(shù)指標參數(shù)，與原來未采用計算擰緊力矩裝配的同種機床進行了比較，如表3所示。

數(shù)據(jù)顯示:所有精度指標全部符合技術(shù)要求，各項精度指標有了較大幅度的提高。從測量數(shù)據(jù)看，在其他裝配方式和裝配條件沒做改動的情況下，對所有聯(lián)接處螺栓的擰緊力矩做出嚴格的量化，確保了零部件聯(lián)接的可靠性和緊密性，在實際應用中確實能夠起到提高機床裝配精度的作用。

表3 機床主要技術(shù)指標的比較 mm

4 結(jié)語

通過對螺栓預緊力的研究和應用，有以下幾點認識和啟示:

（1）聯(lián)接用螺栓預緊力的大小影響數(shù)控機床的裝配質(zhì)量和加工精度。

（2）預緊力較為抽象，機床的設(shè)計和裝配人員，要充分認識螺栓聯(lián)接時預緊力合理與否的重要性。因操作人員、使用工具以及工況等不同，故不能簡單地用是否擰緊來衡量。實際裝配時，應嚴格按照工藝上提供的擰緊力矩數(shù)值進行螺栓緊固。

（3）在機床零部件聯(lián)接時，對于螺栓的緊固操作，應根據(jù)安裝和使用要求的不同，詳細地制定出合理的實施方案，以相對簡單、穩(wěn)妥和符合實際的方式達到螺栓預緊的目的。

（4）對于螺栓預緊力的控制方法，既需要豐富的經(jīng)驗，也需要認真研究、細心分析。根據(jù)擰緊力矩控制的工藝要求，結(jié)合實踐積累，嚴格規(guī)范過程控制，才能真正提高機床的整體裝配水平。

（5）借助有限元分析軟件，對擰緊力矩的使用數(shù)值進行分析驗證，特別是對于大型機床的裝配聯(lián)接以及大規(guī)格型號的螺栓的緊固，可在一定程度上提高裝配工作的可信度和可靠性。

［1］王海濤，李初曄．有限元法在工裝優(yōu)化設(shè)計中的應用［J］．金屬加工:冷加工，2010（18）．

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［3］機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊:第三冊:機械零部件與傳動設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［4］王啟義．中國機械設(shè)計大典:機械零部件設(shè)計［M］．南昌:江西科學技術(shù)出版社，2002．

［5］徐灝．新編機械設(shè)計手冊:上冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1995．

［6］徐灝．機械設(shè)計手冊:第三冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1991．