劉 寧，安魯陵，王慶有，趙 聰

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

機(jī)械連接作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中重要的連接方式，其主要分為鉚釘連接和螺栓連接。雖然鉚接在飛機(jī)連接中使用普遍，但因其不可拆卸，在一些重要的承載結(jié)構(gòu)處則需要螺栓連接。螺栓擰緊作為螺栓連接的重要環(huán)節(jié)，其本質(zhì)在于對(duì)預(yù)緊力的控制[1-2]。研究表明，在一定預(yù)緊力范圍內(nèi)，螺栓的預(yù)緊力越大，其抗松動(dòng)和抗疲勞性能越好，而預(yù)緊力過大則可能會(huì)導(dǎo)致連接失效[3]。本研究所指的擰緊策略具體涉及擰緊方法和工藝參數(shù)。其對(duì)預(yù)緊力有重要影響[4]。在扭矩法擰緊過程中，預(yù)緊力通過擰緊扭矩轉(zhuǎn)化得到，受摩擦系數(shù)影響顯著，而擰緊工藝參數(shù)會(huì)影響摩擦系數(shù)，使得預(yù)緊力與擰緊力矩的關(guān)系更加復(fù)雜[5]。因此，研究螺栓擰緊策略及其對(duì)預(yù)緊力的影響，對(duì)精準(zhǔn)控制預(yù)緊力、充分發(fā)揮螺栓連接的能力，保證連接質(zhì)量具有重要意義。針對(duì)螺栓擰緊策略的關(guān)鍵問題，從擰緊方法、擰緊方法對(duì)預(yù)緊力的影響、擰緊工藝參數(shù)對(duì)預(yù)緊力的影響三個(gè)方面進(jìn)行了分析和研究。

1 螺栓擰緊方法

螺栓擰緊方法可大致分為彈性區(qū)擰緊法、塑型區(qū)擰緊法和其他擰緊方法，其中彈性區(qū)擰緊主要是扭矩法；塑性區(qū)擰緊法包括扭矩-轉(zhuǎn)角法（也可適用于彈性區(qū)）、扭矩斜率法（屈服點(diǎn)控制法）[6-10]。

1.1 扭矩法

扭矩法是一種最為常用，裝配時(shí)只能應(yīng)用在彈性區(qū)，利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系進(jìn)行擰緊的方法。目前，扭矩法是通過控制螺栓扭矩來間接控制被連接件的預(yù)緊力值，通常采用電動(dòng)扳手、彈簧式力矩扳手、氣動(dòng)液壓扭矩扳手進(jìn)行擰緊，擰緊時(shí)的外力矩等于螺栓扭矩值，當(dāng)其達(dá)到規(guī)定扭矩時(shí)停止擰緊。在使用扭矩扳手進(jìn)行擰緊時(shí)，擰緊扭矩T與預(yù)緊力F有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11-13]，即：

式中：K為扭矩系數(shù)（受潤滑條件、螺栓連接結(jié)構(gòu)、零件表面加工精度、擰緊速度、環(huán)境溫度等因素影響），D為螺栓的公稱直徑。

MOTOSH[14]提出螺栓的擰緊扭矩主要可分為三部分，上述公式可轉(zhuǎn)化為：

式中：TP為作用于螺紋牙的扭矩，Tt為螺紋間的摩擦扭矩，Tb為支撐端面的摩擦扭矩。

ISO 16047[15]在德國標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)上述公式進(jìn)行了具體表達(dá)，并提出了摩擦系數(shù)的簡化公式，即用來評(píng)估螺栓螺母擰緊時(shí)總體的摩擦行為。將式（1）轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力F的表達(dá)式：

p、d2、du為螺栓的幾何參數(shù)，可視為定值，由此可見，決定扭矩與預(yù)緊力之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的因素是摩擦系數(shù)μm。

摩擦系數(shù)取值約為0.2時(shí)，扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系一般遵循5-4-1原則，即所施加的扭矩50%需要克服螺栓頭（螺母）旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦力，40%需要克服螺紋副的摩擦力，剩余10%則用于產(chǎn)生預(yù)緊力，如圖1所示[12]。

圖1 扭矩的轉(zhuǎn)化

扭矩法操作簡單，但影響螺栓摩擦系數(shù)的因素很多，在定扭矩的條件下，預(yù)緊力會(huì)受扭矩系數(shù)的影響，即受摩擦系數(shù)的影響，若摩擦系數(shù)不同，所獲得的預(yù)緊力也有差異。因此，應(yīng)對(duì)該擰緊方法進(jìn)行全面而深入的研究，充分了解扭矩系數(shù)的變化規(guī)律，否則難以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)緊力的精準(zhǔn)控制。

1.2 扭矩-轉(zhuǎn)角法

扭矩-轉(zhuǎn)角法是在擰緊時(shí)，將螺栓擰到貼合扭矩后，再轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋緊固件達(dá)到相應(yīng)的角度，達(dá)到精確控制預(yù)緊力的目的，該方法可適用于彈性區(qū)域和塑形區(qū)域，擰緊過程如圖2所示。雖然扭矩-轉(zhuǎn)角法得到的預(yù)緊力也會(huì)受到摩擦系數(shù)影響，但其處在彈性變形區(qū)域時(shí)，若彈性模量恒定，預(yù)緊力可以通過擰緊轉(zhuǎn)角來控制，從而降低摩擦系數(shù)對(duì)預(yù)緊力的影響。在螺栓發(fā)生塑性變形后，螺栓預(yù)緊力雖不與伸長量成正相關(guān)，但只要將螺栓的形變維持在屈服點(diǎn)上下的區(qū)域內(nèi)，預(yù)緊力就會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，該方法可以降低預(yù)緊力的分散度，提高對(duì)預(yù)緊力的控制精度[16-19]。

圖2 扭矩-轉(zhuǎn)角法擰緊示意圖

1.3 扭矩斜率法

扭矩斜率法（屈服點(diǎn)控制法）是在擰緊過程中，由擰緊設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，一旦監(jiān)測(cè)到螺栓強(qiáng)度達(dá)到屈服，即達(dá)到目標(biāo)扭矩遂停止擰緊，從而獲得相應(yīng)預(yù)緊力的一種擰緊方法，示意圖如圖3（a）所示。擰緊設(shè)備的原理是螺栓在伸長過程中，預(yù)緊力相對(duì)于螺栓旋轉(zhuǎn)角度的上升斜率有所不同，如圖3（b）所示a段與b段斜率不同，即α1≠α2，而螺栓屈服時(shí)，扭矩斜率的變化十分迅速，屈服點(diǎn)的監(jiān)控是通過對(duì)轉(zhuǎn)角與力的變化進(jìn)行計(jì)算與識(shí)別，從而達(dá)到控制預(yù)緊力的目的[12，16]。

圖3 扭矩斜率法

扭矩斜率法的優(yōu)點(diǎn)是不受螺栓摩擦系數(shù)和起始扭矩的影響，從而克服了上述兩種方法的缺點(diǎn)，擰緊精度有所提高。采用屈服點(diǎn)控制法時(shí)預(yù)緊力的大小主要取決于螺栓本身的屈服強(qiáng)度，對(duì)于螺栓自身的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有較高要求，即對(duì)螺栓的材料和熱處理要求較高，一般應(yīng)用于要求特別高的裝配部位。

綜上可知，因扭矩法操作簡單且利用擰緊扳手就能實(shí)現(xiàn)，擰緊時(shí)多被采用，但在給定扭矩的條件下進(jìn)行擰緊時(shí)，影響螺栓摩擦系數(shù)的因素很多，進(jìn)而影響扭矩系數(shù)，導(dǎo)致預(yù)緊力有較大誤差[20，21]，許多學(xué)者都提到了以上不足并建議多采用屈服點(diǎn)控制法和扭矩-轉(zhuǎn)角法進(jìn)行擰緊，但目前大多文獻(xiàn)都只是對(duì)方法的原理進(jìn)行說明，對(duì)于確定扭矩-轉(zhuǎn)角法何時(shí)施加轉(zhuǎn)角還有待于研究，另外對(duì)于屈服點(diǎn)捕捉的方法也需要進(jìn)一步研究。湯春球等[22]通過模擬工裝進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)曲線確定貼合扭矩以及緊固轉(zhuǎn)角，并提出用線性回歸方程取得扭矩/角度曲線的梯度和線性斜率系數(shù)的方法，經(jīng)驗(yàn)證該方法對(duì)于擰緊屈服點(diǎn)的確定較為精確。李小強(qiáng)等[4]在一定初始扭矩條件下通過繪制轉(zhuǎn)角-預(yù)緊力關(guān)系曲線，來確定扭矩-轉(zhuǎn)角法的貼合扭矩。

2 擰緊方法對(duì)預(yù)緊力的影響

螺栓預(yù)緊力對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)的性能至關(guān)重要，擰緊的根本在于將預(yù)緊力控制在合理范圍內(nèi)，普通螺栓所需預(yù)緊力的上限由緊固件和被連接件的強(qiáng)度決定，該值須確保螺栓及被連接件在預(yù)緊和工作過程中不會(huì)發(fā)生剪斷、疲勞斷裂、被連接件壓縮等破壞；其下限取則決于連接結(jié)構(gòu)的功能，要保證連接件在工作過程中始終貼合[9]。

于成杰[18]認(rèn)為螺栓預(yù)緊力取值越高越有利，其主要依據(jù)是螺栓的抗疲勞性能以及抗松動(dòng)性能會(huì)因預(yù)緊力的提升得到改善。趙欣等[23-25]利用有限元軟件通過對(duì)螺栓受載進(jìn)行應(yīng)力分析，研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞和松動(dòng)的影響，結(jié)果表明預(yù)緊力會(huì)影響螺紋連接的可靠性，而螺栓預(yù)緊力的大小直接受擰緊方法的影響。

林湖等[3，18，26]通過對(duì)扭矩法及扭矩-轉(zhuǎn)角法進(jìn)行理論分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，扭矩-轉(zhuǎn)角法對(duì)擰緊控制精度更高，文獻(xiàn)[2]對(duì)某機(jī)型柴油機(jī)缸蓋螺栓采用不同擰緊方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在一定的形變范圍內(nèi)，若螺栓與被連接體的剛度保持相對(duì)穩(wěn)定，那么扭矩-轉(zhuǎn)角法引起的預(yù)緊力較扭矩法也相對(duì)穩(wěn)定。

劉曉石[27]分別采用扭矩法和扭矩-轉(zhuǎn)角法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，結(jié)果表明扭矩-轉(zhuǎn)角法對(duì)預(yù)緊力控制精度更高。Wu等[28]在扭矩-轉(zhuǎn)角法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊邏輯控制的扭矩控制方法，利用該方法對(duì)貼合扭矩進(jìn)行控制，進(jìn)一步提高了扭矩-轉(zhuǎn)角法的精度。文獻(xiàn)[20]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出，使用扭矩-轉(zhuǎn)角法進(jìn)行擰緊得到的預(yù)緊力比扭矩法更接近理論目標(biāo)值，而扭矩-轉(zhuǎn)角法對(duì)預(yù)緊力控制精度高的原因是施加的扭矩將結(jié)合面貼緊，克服了初始表面凹凸不平的因素，進(jìn)一步施加轉(zhuǎn)角避免摩擦力影響軸向伸長量。

PERSSON等[29]通過對(duì)不同擰緊方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明擰緊時(shí)，螺栓伸長量分散程度最小的是采用屈服點(diǎn)控制法，扭矩-轉(zhuǎn)角法次之，扭矩法最大。

綜上所述，擰緊方法主要影響預(yù)緊力的控制精度，因其他擰緊方法使用條件繁雜，成本較高，大多數(shù)學(xué)者對(duì)常用的扭矩法和扭矩-轉(zhuǎn)角法進(jìn)行了研究，研究表明扭矩-轉(zhuǎn)角法相比扭矩法對(duì)預(yù)緊力控制精度較高，且不受扭矩系數(shù)的影響，未來擰緊應(yīng)多采用扭矩-轉(zhuǎn)角法，并對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。

3 擰緊工藝參數(shù)對(duì)預(yù)緊力的影響

采用扭矩法進(jìn)行螺栓擰緊時(shí)，預(yù)緊力是通過扭矩扳手?jǐn)Q緊螺栓頭部或螺母產(chǎn)生的，由圖1可知擰緊扭矩主要是在克服摩擦過程中消耗的，摩擦包括端面摩擦以及螺紋副摩擦，這兩部分的摩擦系數(shù)不準(zhǔn)確將會(huì)影響螺栓連接性能的準(zhǔn)確性，若螺紋間摩擦系數(shù)提高，摩擦力矩會(huì)隨之增大，阻礙螺栓（螺母）旋轉(zhuǎn)，反之螺栓連接容易發(fā)生松動(dòng)。擰緊階段的摩擦系數(shù)是研究擰緊扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的關(guān)鍵[30，31]，除材料種類影響摩擦系數(shù)之外，工藝參數(shù)是直接影響因素，其中擰緊工藝參數(shù)包括：潤滑條件、擰緊次數(shù)、擰緊速度等[32-34]。因此，研究擰緊工藝參數(shù)對(duì)預(yù)緊力的影響，對(duì)螺栓擰緊機(jī)理以及擰緊策略的研究有一定積極的作用。

岳烜德[35]通過研究用指數(shù)函數(shù)建立了摩擦系數(shù)與預(yù)緊力的關(guān)系，在這基礎(chǔ)上采用扭矩法研究了四種擰緊工藝參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響，明晰了擰緊工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料連接T-F關(guān)系的影響，最終根據(jù)T-F曲線的包絡(luò)區(qū)域，確定了擰緊工藝參數(shù)的調(diào)整區(qū)間，為選擇擰緊工藝參數(shù)提供依據(jù)。

CROCCOLO[36-38]團(tuán)隊(duì)在螺栓擰緊過程中采用扭矩法從擰緊工藝參數(shù)入手，在摩擦系數(shù)對(duì)預(yù)緊力的影響方面做了大量研究，在相同的擰緊扭矩條件下，如果摩擦系數(shù)低，會(huì)產(chǎn)生高預(yù)緊力；相反，較高的摩擦系數(shù)提供的夾緊力可能不足。周俊波[39]結(jié)合微動(dòng)摩擦學(xué)理論和表面工程技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)研究了在剪切載荷作用下擰緊工藝參數(shù)對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)行為的影響，分析發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)過大會(huì)影響預(yù)緊力的一致性，過小螺栓則容易發(fā)生松動(dòng)。

吳向陽等[40]提到使用潤滑脂時(shí)，普通鋰基潤滑脂在金屬凹凸表面間形成油膜，可有效降低螺栓連接結(jié)構(gòu)的扭矩系數(shù)；在相同預(yù)緊力的條件下，預(yù)緊力的分散性會(huì)有所降低，螺栓連接的可靠性有所提高。王曉斌等[41]利用螺栓多功能緊固分析系統(tǒng)分別采用扭矩法探究了不同擰緊轉(zhuǎn)速對(duì)螺栓連接效果的影響，研究表明，在無潤滑條件下，隨著擰緊速度增加，螺栓摩擦系數(shù)會(huì)有所降低，從而引起扭矩系數(shù)降低，擰緊扭矩轉(zhuǎn)化預(yù)緊力也隨之增大，文獻(xiàn)[4]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)擰緊速度越大，擰緊扭矩系數(shù)K值越穩(wěn)定，預(yù)緊力的離散程度越小。

李小強(qiáng)等[42]基于搭建的TC4單螺栓擰緊試驗(yàn)系統(tǒng)開展了試驗(yàn)研究，研究表明采用扭矩法進(jìn)行擰緊，擰緊摩擦面和螺紋接觸面摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定都會(huì)影響K值，擰緊摩擦面表面粗糙度降低或者表面潤滑較好時(shí)，擰緊裝配時(shí)當(dāng)量摩擦系數(shù)會(huì)減小或趨于穩(wěn)定，可有效降低擰緊力矩系數(shù)的波動(dòng)，提高螺栓預(yù)緊力的一致性。

結(jié)合以往研究，國內(nèi)外研究學(xué)者都是通過實(shí)驗(yàn)研究-有限元分析結(jié)合的方法從擰緊工藝參數(shù)入手，研究了擰緊工藝參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響機(jī)制，從而研究擰緊扭矩與預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，因?yàn)槁菟〝Q緊是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，目前仿真采用的大多是簡化模型，對(duì)于實(shí)體細(xì)節(jié)模型因四面體網(wǎng)格劃分的質(zhì)量較差，多采用一體化六面體網(wǎng)格劃分，但由于計(jì)算效果和收斂結(jié)果等原因，螺栓擰緊仿真過程還有待完善，而且擰緊過程仿真研究就螺栓種類而言多為凸頭螺栓，對(duì)沉頭螺栓的研究較少，其頭部相對(duì)于凸頭螺栓頭部的差異性需進(jìn)一步研究；就連接材料而言，研究多為復(fù)合材料-復(fù)合材料，復(fù)合材料-金屬之間，金屬-金屬也需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語與展望

螺栓連接因其連接可靠性強(qiáng)、拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。螺栓擰緊策略的研究對(duì)于提升螺栓連接的可靠性以及裝配質(zhì)量非常重要，不同擰緊方法對(duì)預(yù)緊力的控制不盡相同，需根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的擰緊方法。使用扭矩法進(jìn)行擰緊時(shí)，預(yù)緊力不能直接測(cè)得，需利用扭矩與預(yù)緊力關(guān)系公式進(jìn)行計(jì)算，其中摩擦系數(shù)是影響扭矩與預(yù)緊力之間關(guān)系的決定性因素，可以通過控制擰緊工藝參數(shù)提高連接的可靠性。

在螺栓擰緊方法方面，大多數(shù)研究只停留在基礎(chǔ)理論層面，對(duì)于具體擰緊步驟、適用范圍研究的較少；對(duì)扭矩-轉(zhuǎn)角法的研究也只是與扭矩法進(jìn)行精度對(duì)比，雖證實(shí)扭矩-轉(zhuǎn)角法對(duì)預(yù)緊力控制精度更高，但對(duì)扭矩-轉(zhuǎn)角法的具體實(shí)施方法還較模糊，轉(zhuǎn)角的確定方法很籠統(tǒng)，目前較為常用的方法一種是通過扭矩/角度曲線梯度來捕捉屈服點(diǎn)的方法來確定，另一種則是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，這對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置要求較高，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力，操作成本也較高，現(xiàn)如今采用該方法都是針對(duì)特定螺栓確定特定的擰緊規(guī)范，今后可以向簡化實(shí)驗(yàn)裝置的方向進(jìn)行研究。

在擰緊工藝參數(shù)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量相關(guān)研究，建立了擰緊扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系方程，深入研究發(fā)現(xiàn)扭矩系數(shù)的直接影響因素是摩擦系數(shù)，而摩擦系數(shù)則受擰緊工藝參數(shù)影響，進(jìn)而影響預(yù)緊力。目前看來，扭矩系數(shù)和摩擦系數(shù)直接相關(guān)，前者更有利于簡化概念，是工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)，研究摩擦系數(shù)對(duì)T-F關(guān)系的影響可能是研究人員所關(guān)注的。

在工業(yè)技術(shù)向著信息化及智能化高速發(fā)展的過程中，緊固件也應(yīng)向智能化發(fā)展。本研究以不同擰緊方法為基礎(chǔ)，分析了近年來螺栓擰緊的相關(guān)研究，為螺栓擰緊策略提供參考，未來在螺栓緊固件與擰緊技術(shù)智能化的同時(shí)，智能化健康監(jiān)測(cè)，螺栓松動(dòng)后自我擰緊，基于數(shù)字孿生的裝配技術(shù)也需要進(jìn)一步探索。