徐紅彥，苗 奎，舒曉君

(中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司在產(chǎn)品裝配過程中經(jīng)常會出現(xiàn)擰緊不到位或過擰緊現(xiàn)象，造成螺栓拉斷或超負荷的連接，導致連接失效，縮短使用壽命。本文從連接方式、螺紋聯(lián)接的連接件受力分析入手，了解扭矩轉(zhuǎn)換為夾緊力的過程，并通過對擰緊過程的動態(tài)分析，得到扭矩質(zhì)量管控的重要性。

1 常用螺紋聯(lián)接類型

螺紋聯(lián)接主要是指螺栓聯(lián)接和螺釘聯(lián)接，螺栓聯(lián)接具有裝配簡單、拆卸方便、效率高、成本低且可以重復使用，能夠抵抗外力等眾多優(yōu)點，但對生產(chǎn)裝配中的扭矩質(zhì)量要求也越來越精密[1]。在產(chǎn)品裝配過程中常用的螺紋聯(lián)接有如下4種基本類型。

1.1 螺栓聯(lián)接

螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點是被連接件的孔中不切制螺紋，裝拆方便。圖1a所示為普通螺栓聯(lián)接[2]，螺栓與被連接件孔之間有間隙。這是因為通常規(guī)定所取孔徑要比螺栓公稱直徑大10%左右。這種連接的優(yōu)點是連接件便于加工，對孔的尺寸精度和表面粗糙度沒有太高的要求，一般用鉆頭粗加工即可，所以應用最為廣泛。圖1b所示為鉸制孔螺栓聯(lián)接，其螺桿外徑與螺栓孔的內(nèi)徑具有同一公稱尺寸，并常用過渡配合而得到一種幾乎無間隙的配合，它適用于承受垂直于螺栓軸線的橫向載荷。

圖1 螺栓聯(lián)接

圖1中，l1為螺紋余留長度。靜載荷：l1≥(0.3～0.5)d；變載荷：l1≥0.75d；沖擊載荷或彎曲載荷：l1≥d；鉸制孔螺栓：l1≈0。螺紋伸出長度：a=(0.2～0.3)d。螺栓軸線到邊緣的距離：e=d+(3～6)mm。

1.2 螺釘聯(lián)接

螺釘直接旋入被連接件的螺紋孔中，省去了螺母(見圖2)，因此結(jié)構(gòu)簡單。但這種連接不宜經(jīng)常裝拆，以免被連接件的螺紋磨損而使連接失效。

圖2 螺釘聯(lián)接

1.3 雙頭螺柱聯(lián)接

雙頭螺柱多用于較厚的被連接件或為了結(jié)構(gòu)緊湊而采用盲孔的連接(見圖3)，雙頭螺柱聯(lián)接允許多次裝拆而不損壞被連接件。

圖3 雙頭螺柱聯(lián)接

圖2和圖3中，H為座端擰入深度?？撞牧蠟殇摶蛘咔嚆~，H≈d；孔材料為鑄鐵：H=(1.25～1.5)d；孔材料為鋁合金：H=(1.25～1.5)d。螺紋孔深度：H1=H+(2～2.5)d。鉆孔深度：H2=H1+(0.5～1)d。

1.4 緊定螺釘連接

緊定螺釘連接常用來固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)矩。

1.5 常用的螺紋緊固件的性能等級

常用的螺紋緊固件有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈等。螺栓的性能等級分為3.6級～12.9級，共10個強度等級，螺紋的精度為4h～6h；螺母的性能等級分為4級～12級，共7個等級，螺紋的精度為4h～6h。螺紋緊固件的性能等級對照表見表1。

表1 螺紋緊固件的性能等級對照表

常用的螺紋連接件材料為低碳鋼、不銹鋼、銅，依據(jù)表1中不同規(guī)格螺栓對應的不同屈服強度和精度等級來修正系統(tǒng)的關鍵參數(shù)。

2 螺栓聯(lián)接的受力分析

一般情況下，螺栓的擰緊過程如圖4所示，實際上需要控制的不是施加在螺栓上的扭矩大小，而是控制的因扭矩作用產(chǎn)生的夾緊力是否滿足工作時承受負載的需求。實際上，轉(zhuǎn)化為螺栓夾緊力的扭矩僅有10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力，這就是“541”規(guī)則[3]，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關系。但若施加一定的改善措施(如涂抹潤滑油)或螺紋副中存有缺陷(如雜質(zhì)、磕碰等)，該比例關系會受到不同程度的影響而改變[4]。

圖4 541規(guī)則

螺紋聯(lián)接時的受力情況與螺紋的大徑、小徑、中徑、螺距、導程、螺紋升角、牙型角等各項尺寸參數(shù)都有關系(見圖5)。

圖5 螺紋聯(lián)接

螺栓擰緊時需要施加扭矩的理論大小由如下計算式求得：

式中，μs為螺紋副的摩擦因數(shù)；μw為螺紋端面與連接件的摩擦因數(shù)dp為螺栓有效直徑：粗牙螺紋dp≈0.906d，細牙螺紋dp≈0.928d[5]；φ為螺紋升角；β為垂直截面內(nèi)的螺紋牙形半角[6]；dw為端面摩擦圓等效直徑：

式中，du、di分別為摩擦圓的外徑及內(nèi)徑；d為螺紋公稱直徑。

可以根據(jù)計算式來初步計算達到要求的預緊力時所需的扭矩大小，與真實擰緊過程中測得的扭矩大小進行對比，可以反映出螺栓裝配條件的優(yōu)良狀況。

3 擰緊過程的動態(tài)分析

螺栓的預緊力是指所有的螺栓都需要擰緊，是連接件在承受工作載荷之前預先受到作用力。預緊力能提高螺栓聯(lián)接的可靠性、防松能力和螺栓的抗疲勞程度，增量連接件的緊密性和剛性。但過高的預緊力，如果控制不當或偶然過載會導致連接失效[7]。螺栓擰緊時施加到螺栓上的扭矩只有約10%轉(zhuǎn)換為連接件的預緊力，整個過程螺栓受到軸向拉伸變形，其特性如圖6所示。

圖6 螺栓連接件的特性

通過圖6可知：剛開始擰緊時螺栓的拉應力加速增加，中間段保持一定的速度增加，當將要到達屈服強度時，應力增加速度開始下降，該點就是螺栓材料在保證連接強度的要求下的極限狀態(tài)——屈服強度，如果能將擰緊過程控制到該點，材料將得到充分利用。

4 擰緊過程控制

4.1 扭矩控制法

扭矩控制法是最早被人們提出來的一種控制方法，它是先粗略計算擰緊所需要的扭矩大小[8]，計算得到的扭矩值與實際需要的扭矩值有一定偏差，保證計算的扭矩值在實際需要扭矩值的區(qū)間內(nèi)。利用扭矩檢測裝置直接將螺栓擰到計算的扭矩大小，這是一種開環(huán)控制方法，操作相對簡單，成本低，誤差相對較大適用于裝配精度要求不高的場合，一般的裝配可以滿足夾緊力要求。

4.2 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法

扭矩-轉(zhuǎn)角控制法的做法是先將螺栓擰至與連接件剛接觸，此時螺栓與連接件之間沒有產(chǎn)生摩擦力，這個狀態(tài)的扭矩被稱為“轉(zhuǎn)角起始扭矩”，從該狀態(tài)開始測量轉(zhuǎn)角，一旦超過設定的“安全轉(zhuǎn)角”立即停止擰緊[9]。與扭矩法相比，該方法增加了轉(zhuǎn)角控制，能夠有效避免螺栓被過高的預緊力拉失效。缺點就是轉(zhuǎn)角起始扭矩之后旋轉(zhuǎn)的角度是根據(jù)試驗或經(jīng)驗得到的，停止之后沒有合適的方法檢查其是否擰緊。

4.3 屈服點控制法

屈服點控制法是把螺栓擰緊至屈服點后停止擰緊的一種方法，它是利用材料的屈服現(xiàn)象發(fā)展起來的一種高精度擰緊方法。這種控制方法，是通過對擰緊的扭矩/轉(zhuǎn)角曲線斜率的連續(xù)計算和判斷來確定屈服點的曲線斜率的[10]。

螺栓材料在擰緊的過程中如圖7所示，剛開始啟動時，扭矩的斜率增大，在a-b區(qū)間扭矩恒速增加[11]，b點之后，扭矩增速開始減小，說明已經(jīng)過了螺栓材料應力應變的線性階段。當扭矩斜率下降到最大值的一半時，證明已經(jīng)到達屈服點，此時應立即發(fā)出停止信號。

圖7 扭矩/轉(zhuǎn)角曲線斜率

5 結(jié)語

本文闡述了螺栓聯(lián)接擰緊時產(chǎn)生的扭矩與夾緊力的關系、受力計算以及擰緊過程的動態(tài)分析，在裝配技術上了解了螺紋聯(lián)接的關鍵技術參數(shù)，掌握了螺栓擰緊過程控制法以及扭矩質(zhì)量管控的重要性，在裝配過程中達到有效、合理地控制連接，推進螺栓擰緊扭矩控制從最初的“體感”發(fā)展到量化，有利于改進和提高生產(chǎn)裝備的性能。本公司對于生產(chǎn)裝配的要求未來會朝著智能化、快速化、信息化等方向發(fā)展，比如與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合實現(xiàn)遠程控制、建立數(shù)據(jù)庫來管控產(chǎn)品的合格率等功能都是可以實現(xiàn)的，今后會在扭矩管控方面再進行深入研究，提高生產(chǎn)裝配質(zhì)量。