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1 前言

螺栓是制造業(yè)和國防工業(yè)中不可缺少的緊固件是航空、汽車、船舶、鐵路、橋梁、建筑等重要基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部件。

為了將許多硬件設(shè)備精確地裝配在一起，螺栓需要精確地擰緊。錯誤的擰緊，可能會導致成本浪費，甚至螺栓塑性變形或者斷裂等災難性的后果。螺栓連接的原理以及控制擰緊過程的常用方法，都是看似簡單的，但正確擰緊螺紋緊固件是一個復雜的過程，需要了解螺栓連接的特點和各種擰緊方法。

圖1 螺栓緊固失效工程案例

本文探討了螺栓緊固過程中的力學性能及不同的擰緊控制方法，同時力矩控制方法為例對螺栓擰緊進行了預緊力理論計算、強度理論計算，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

2 螺栓緊固件的力學性能

鋼是工程中廣泛應用于制作螺栓的金屬材料，跟很多其他的金屬材料一樣，鋼是彈性的。對高吞吐量、高精度裝配、高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)中了解螺栓連接的原理及力學性能極其重要。

2.1 螺栓連接的原理

沒有工作載荷，螺栓只是一個夾緊裝置。在實用上，在螺栓連接裝配中，部件被夾在螺栓和螺母之間（螺栓聯(lián)接為例），并絕大多數(shù)在裝配時都必須擰緊，即螺栓插入被連接件，利用螺母或內(nèi)螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產(chǎn)生軸向的拉力，將被夾零件擠壓在了一起，螺栓擰緊時的這種力稱為預緊力。在無外荷載的裝配狀態(tài)下，螺栓預緊力與夾緊部件的夾緊力相等但相反，此時的螺栓預緊力稱為軸向拉力。

螺栓擰緊的目標就是施加適當?shù)妮S向拉力。理論上，只要產(chǎn)生了足夠的夾緊力，完全可以保證被夾零件在震動、高低溫等惡劣環(huán)境下安全工作，而不必使用涂膠等輔助方法。

2.2 螺栓連接的特性

螺栓連接的質(zhì)量很大程度上取決于對螺栓預緊力的控制。過高的預緊力會導致螺栓產(chǎn)生嚴重的塑性變形，從而導致疲勞或斷裂，不充足的預緊力會引起結(jié)構(gòu)連接的振動、松弛和滑移，從而破壞結(jié)構(gòu)的完整性，影響任何利用螺栓連接裝配設(shè)備的正常運行。

圖2 螺栓擰緊原理及連接件中的力

分析螺栓連接應力-應變圖可以知道，σ的作用下，螺栓材料沿其作用方位發(fā)生正應變ε。在初始階段，正應力與正應變成正比（圖中之OA），即遵循胡克定律σ=Eε，線性階段最高點A所對應的正應力σ稱為比例極限。超過比例直線后，應力與應變不再保持正比關(guān)系。當應力增加至某一定值時，螺栓材料失去抵抗繼續(xù)變形的能力，并應力幾乎不變，而變形卻急劇增長稱為屈服。使螺栓材料發(fā)生屈服的正應力σ稱為屈服應力或屈服極限。經(jīng)過屈服階段后，隨著應力的增大螺栓材料重新呈現(xiàn)抵抗繼續(xù)變形的能力稱為應變硬化。硬化階段的最高點D所對應的正應力σ稱為強度極限。當應力增長之強度極限σ之后螺栓的某一局部顯著收縮，產(chǎn)生所謂縮頸。縮頸出現(xiàn)后，使螺栓繼續(xù)變形所需之拉力減少，最后導致螺栓在縮頸處斷裂。所以精確地擰緊螺栓需要利用好螺栓緊固件的力學性能。

T：擰緊力矩[N·m]、F：軸向力[N]、σ：正應力[MPa]、ε：正應變、E：彈性模量[GPa]、σ：比例極限[MPa]、σ：屈服極限[MPa]、σ：強度極限[MPa]。

3 螺栓擰緊方法

工程實踐中對高吞吐量、高精度裝配、高質(zhì)量產(chǎn)品等性能要求，使得螺栓緊固過程中的預緊力控制問題日益突出。目前有幾種常用的螺栓擰緊方法，它們的擰緊原理及擰緊質(zhì)量，精度都不一樣，以下是目前最常用的擰緊方法及它們的優(yōu)缺點：

3.1 力矩控制方法

螺栓預緊力的大小是通過擰緊力矩來加以控制，比如汽車裝配現(xiàn)場常用定力矩扳手來控制擰緊力矩，當擰緊力矩超過規(guī)定值時，定力矩扳手內(nèi)部機構(gòu)之間發(fā)生打滑。這是一種目前最常用、最廣泛使用的的擰緊控制和操作方式，擰緊方法原理非常的簡單及快速，易于標準化。

圖3 螺栓連接應力-應變圖

但是理論研究的日益深化發(fā)展及很多試驗研究結(jié)果指出，這種方法存在著一些固有的缺陷。擰緊力矩受摩擦系數(shù)、環(huán)境、擰緊速度、工具精度、拆卸再擰緊、接觸面特性元素等波動的影響較大，導致應力公差過大，準確性較差。

3.2 轉(zhuǎn)角控制方法

螺栓擰緊由通過旋轉(zhuǎn)角度進行管理，旋轉(zhuǎn)角度從螺栓頭的固定點開始。這種方法從緊貼力矩的特定角度進行擰緊，在塑性區(qū)內(nèi)擰緊，軸向拉力分散較低，操作簡單。但由于擰緊會超出屈服點，因此接頭會受到附加載荷的限制或難以重新擰緊，很難定義擰緊角度。

3.3 力矩梯度法

通過在屈服點處力矩梯度隨旋轉(zhuǎn)角的變化來管理擰緊，這種變化通過電子裝置進行監(jiān)測和運算。由于軸向拉力的分散性較小，因此有可能設(shè)計出較大的螺栓效率。即使在擰緊之后，也可以檢查螺栓本身，但因在屈服點以上進行擰緊，且擰緊裝置昂貴，因此在使用領(lǐng)域很難采用相同的方法。

3.4 伸長率測量方法

緊固由螺栓緊固產(chǎn)生的螺栓伸長率來控制。伸長率可以通過千分尺、超聲波或螺栓內(nèi)嵌的測量傳感器來測量。軸向拉力的分散性很小，可以在彈性區(qū)域內(nèi)擰緊，螺栓聯(lián)接效率高?？梢赃M行附加加載和重新擰緊螺栓，但是螺栓端面必須精加工，擰緊裝置昂貴，成本高。

3.5 加載方法

通過在螺栓上施加拉伸載荷的同時擰緊螺母，通過釋放載荷后產(chǎn)生的拉力來控制擰緊。軸向拉伸可直接控制，螺栓不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力，但是擰緊裝置和螺栓是特制的，成本很高。

3.6 加熱方法

擰緊由螺栓加熱前后伸長率的變化來控制。擰緊不需要空間和力，但是熱和軸向張力之間沒有明確的關(guān)系，溫度設(shè)定控制比較困難。

4 力矩控制方法計算案例

力矩控制方法為例，進行螺栓擰緊相關(guān)理論計算。

圖4 螺栓副擰緊力矩

4.1 預緊力的計算

裝配時由于擰緊力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生預緊力F，擰緊力矩T等于螺栓副間的摩擦力矩T和螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支承面間的摩擦力矩T之和。

螺栓副間的摩擦力矩為：

螺母與支承面間的摩擦力矩為：

從（1）、（2）、（3），得：

表1 力矩系數(shù)和摩擦系數(shù)

對于一定公稱直徑d的螺栓，當擰緊力矩同樣的情況下，按照公式（6）可得螺栓的預緊力：

從案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預緊力浮動在在10416[N]～20833[N]。力矩控制方法受各元素波動的影響較大，導致公差過大，準確性較差。

4.2 強度計算

螺栓的強度計算，根據(jù)聯(lián)接的類型、裝配情況、載荷狀態(tài)等，確定螺栓的受力。然后按照相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下。

先計算公稱直徑：d=12（mm）=0.012（m）螺栓的最大拉伸應力、最大扭轉(zhuǎn)切應力，最后得出等效應力：

螺栓危險截面的拉伸應力：

圖5 擰緊時螺栓應力狀態(tài)

由此可見對于M10～M64粗牙普通螺紋的鋼制螺栓聯(lián)接，在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應力，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下。螺栓擰緊過程中螺栓副間的摩擦力矩T和螺栓反復松緊產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力τ，可能會導致等效應力的增加并超過材料屈服極限。

5 結(jié)論

（1）探討了螺栓緊固過程中的力學性能及最常用的擰緊方法及它們的優(yōu)缺點，對螺栓正確擰緊有一定參考意義。

（2）力矩控制方法為例對螺栓擰緊進行了相關(guān)的理論計算。從預緊力的計算案例中可以得知，對于一定公稱直徑d，擰緊力矩已確定的螺栓在不同的摩擦條件下，螺栓預緊力出現(xiàn)浮動，導致公差過大，準確性較差。

（3）從強度計算案例中可以得知，在擰緊時螺栓除受預緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應力τ，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下，螺栓反復松緊可能會導致等效應力的增加并超過材料屈服極限。