装配制造过程对螺栓拧紧力矩控制的分析.doc

装配制造过程对螺栓拧紧力矩控制的分析李爱付 蔡恒恩 尹兰兰 范增（中国重汽济南动力部WD加工部）摘要此篇文章主要针对我们制造部门当前生产条件，对螺栓装配过程所出现的质量问题：力矩偏大或偏小，不在工艺控制范围内，从理论上和实际拧紧过程中进行各种因素分析，同时也针对各关键控制点，从工艺制定合理性上、拧紧过程的分部控制、检测手段的精确度和针对性，等方面提出一种新的思路或方法来合理的改善当前对螺栓力矩的偏差的控制。This article mainly in our manufacturing sector currently production conditions, to bolt assembly process in quality problem: torque slants small or large, not in process control range, from theory and practical tighten the process all kinds of factor analysis, but also on the critical control points, from technology formulating rationality, tighten the process control, test means of the division precision and pertinence, puts forward a new idea or methods to improve the reasonable to bolt the deviation of the moment of control.关键词：螺栓；力矩控制；Keywords: bolts; Torque control;一、项目选定 某公司在装配制造过程强力螺栓拧紧力矩偏差的故障问题一直存在，特别是副螺栓拧紧力矩偏差的故障率达到总装配量的34%，造成中途下线率高，降低了装配制造过程的生产效率。 同时公司在稽查或audit评审过程中发动机主要总成部分的螺栓拧紧力矩总会出现超出工艺规定范围的情况，严重影响对整机质量的评价。作为生产单位，装配制造过程中发动机主要总成强力螺栓拧紧力矩超差或衰减一直是我们多年来难以解决的技术问题，我们现在延用的工艺技术标准仍然是80年代斯太尔的技术标准,当时多以手动操作为主，而当前的生产制作过程我们使用的材料、结构和自动化操作设备都有所变化，此篇文章主要针对我们制造部门当前生产条件对螺栓装配过程所出现的质量问题，从理论上和实际拧紧过程中进行因素分析，同时也提出一种新的思路或方法来合理的改善当前对螺栓力矩的偏差问题。二、装机后对缸盖主副螺栓力矩测量(一)、装配过程中抽取二十台发动机对420根副螺栓装配后达到的拧紧力矩进行统计其中：副螺栓力矩小于130Nm副螺栓力矩大于170Nm合格74根67根281根从装配时拧紧机显示的力矩看主螺栓产生的力矩存在偏大和偏小的现象，但偏大的力矩比例偏高（二）、装配下线处对主螺栓力矩检测（工艺300-400Nm） 一缸 二缸 三缸 四缸 五缸 六缸 AZ11900993 362 328 312 334 366 342 372 349 346 301 389 324 325 332 337 333 356 353 367 317 319 344 380 341 BZ11941759 361 332 339 411 369 317 317 335 305 353 362 329 344 331 352 355 339 338 309 365 366 333 329 322 BZ11941556 327 360 386 333 355 342 376 355 340 342 333 388 322 390 370 404 358 381 360 352 337 392 367 365 从测量三台发动机主螺栓数据中看螺栓力矩都大多符合300-400Nm的工艺范围要求，只有两根主螺栓超出工艺要求范围。螺栓在拧紧的过程既是被轴向拉伸的过程，塑性材料的延伸特性可以分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段四个过程。从以上对主副螺栓拧紧力矩统计的数据分析可以看出：副螺栓的离散性高于主螺栓，存在衰减和增加两种状态；主螺栓拧紧力矩主要是增加。出现螺栓力矩不受控、不定性变化的原因可能存在以下四种因素： 1、螺栓性能一致性差。 2、现场螺栓拧紧顺序及步骤存在不合理性。 3、在该螺栓拧紧方法下，螺栓应变超出了弹性阶段。 4、被夹紧机构的结构复杂、特性不一致。三、主副螺栓拧紧力矩的产生、偏差及相关因素的分析螺栓拧紧力矩的控制是一个复杂的装配作业过程，螺栓拧紧力矩的理论值设定需根据被夹紧件所需的预紧力确定，工业生产中因被夹紧件的结构、材料、硬度，螺栓自身的结构、材料，拧紧工艺方法及拧紧工具自身精度等各种因素的不一致性会造成螺栓拧紧力矩不能精确控制，所以生产过程中拧紧力矩都有一个范围来控制，但是螺栓组的最小预紧力之和应大于被夹紧机构所需的夹紧力，螺栓组最大预紧力之和不能超过被夹紧机构所需最大夹紧力，这也是所有最终装配的前提条件。（一）、装配过程螺栓拧紧力矩的相关理论依据1、 螺栓拧紧力矩T的确定螺栓的拧紧力矩T与螺栓的螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母肩部与支撑面间摩擦阻力矩T2的关系是：T= T1+ T2在螺栓拧紧过程螺旋副间的摩擦阻力大小和螺母肩部与支撑面的摩擦阻力大小除受材料、温度和形状等因素影响还直接受螺栓轴向预紧力的大小的影响，因此螺栓的拧紧力矩T与装配过程中被夹紧件所需的最终预紧力F0有直接关系。关于拧紧力矩T的确认：T= T1+ T2 螺旋副间的摩擦力矩：T1= 肩部与支承面间摩擦力矩：T2= 其中 螺纹升角； 螺旋副的当量摩擦角； 肩部与支撑面的摩擦系数； 螺栓孔直径； 肩部环形支撑面外径；对于M10M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓，螺纹升角 =14232；螺纹中经d2=0.9d；螺旋副当量摩擦角 =arctan1.155f（f为摩擦系数，无润滑时f0.10.2）；螺栓孔直径d01.1d；螺母环形支撑面外径 1.5d；肩部与支撑面的摩擦系数f =0.15。将上述参数代入、式整理可得拧紧力矩：T0.2F0d10-3这样则可根据螺栓装配到被夹紧机构上所需的预紧力F0范围得出相应的拧紧力矩T的操作范围。2、螺栓轴向所能承载预紧力的确定通常规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力的作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限 的80%（为保证工作可靠性的同时尽可能的利用材料减少制造成本，博世汽车工程手册中建议材料的利用度达到0.9，即利用标准的最小屈服强度90%的材料，也可理解为连接件在工作过程中该螺栓材料的理想利用率是屈服极限 90%），在此篇分析报告里我们选择90%的利用率。考虑到动静载荷交替的工作状况，目前国内对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力F0，推荐用以下公式关系确定： F0（0.50.6） A1 式中： 螺栓材料的屈服极限； A1螺栓危险截面的面积， A1 ，d1螺纹小径。预紧力F0具体需要的数值应根据被连接机构静动载荷性质、连接刚度等具体工作条件再做适度调整确定，其中建议受变载荷的螺栓连接的预紧力应大于受静载荷的螺栓预紧力。这样通过以上方式我们可以计算出相应规格螺栓夹紧时最佳预紧力F0的利用范围。3、螺栓拧紧过程中拧紧力矩危险点的确定由于各种因素使结构丧失其正常工作能力的现象称为失效，通常将材料失效时的应力称为材料的极限应力，对于塑性材料以屈服应力作为极限应力；对于脆性材料以强度极限作为极限应力。因此对于一定材料制成的具体构件（螺栓）需要规定一个工作应力的最大容许值，这个最大容许值称为材料的许用应力，即 【 】= 。其中n称为安全因数，安全因数的取值受到力学模型与实际结构、材料等因素影响，一般可查相关规范或机械手册得到。对于塑性材料n通常取1.252.5；对于脆性材料n通常取2.55.0，甚至更大。因此也可以证实我们生产现场用的螺栓对连接件的夹紧力工作区域是在弹性阶段，不能进入屈服阶段。 所以当主螺栓预紧力达到屈服极限时F0=1 A1通过以上对螺栓拧紧力矩、预紧力、许用应力三个概念的分析，我们可以根据螺栓的具体参数和被被夹紧机构所需的夹紧力理论上计算出螺栓装配过程中所需达到的拧紧力矩。 4、选取发动机总装过程中的缸盖主副螺栓作为例子进行计算分析：图号为VG1500040023的气缸盖主螺栓由于螺栓产品的不一致性该螺栓屈服极限在9721062之间，在此计算中取屈服极限的平均值1017。根据博世汽车工程手册中建议材料的利用度达到0.9，即利用最小屈服强度90%的材料的标准，可以得出：F0MAX=137569.59 N由 T0.2F0d10-3 ， 材料利用率达到90%时：TMAX434.99 Nm 。根据工作过程中许用应力的意义，当该主螺栓达到屈服极限时预紧力：得：TMAX危险=0.2F0d*10-3=0.2*152855.1*15.81*10-3=483.32Nm因此通过以上计算分析得出图号为VG1500040023的气缸盖主螺栓装配过程中所承受拧紧力矩为：危险扭矩点（即绝对不允许超过的扭矩点）：TMAX危险=483.32Nm；理想最大扭矩点：TMAX=434.99 Nm。图号为VG1500010185的气缸盖副螺栓和主螺栓的计算方式相同，由以上参数表可知此螺栓屈服极限。 当取 =760 时： TMAX危险=123.213 Nm TMAX=110.892 Nm当取 =840 时： TMAX危险=161.70 Nm TMAX =145.53 Nm由以上计算结果可以得出： 1、当拧紧力矩达到483Nm时该规格缸盖主螺栓达到材料的极限应力点进入屈服阶段； 2、当拧紧力矩达到123161Nm时该规格缸盖副螺栓达到材料的极限应力点进入屈服阶段。 从计算得到的数据可以证明：理论上现场工艺要求的副螺栓拧紧力矩达到（130170Nm）与所用副螺栓性能不符，为尽可能分析出螺栓力矩偏差的根本原因，接下来将对装配过程及现场螺栓性能进行分析验证。（二）、装配制造过程中影响力矩准确性的因素分析装配制造过程中影响螺栓拧紧力矩的变化主要有：接触面的摩擦力、螺栓拧紧过程发热量、被夹紧机构间结合面的贴合程度、夹紧件的弹性模量、螺栓磷化表面的光洁均匀度、螺旋副及相应结合面是否有异物，转角时力矩的起始点不同等因素。为尽可能消除以上不必要的因素对拧紧力矩的影响，装配过程中我们提倡采用“靠紧、预紧、拧紧”三个过程概念来保证力矩的真实稳定。靠紧：靠紧是指将螺栓在被夹紧件上初步拧紧，一般强力螺栓靠紧时拧紧力矩要达到30Nm，螺栓预靠紧主要是为了消除被夹紧机构各结合面的缝隙、保证各零部件的形位尺寸贴合到位和肩部摩擦系数的稳定，避免后期在拧紧过程中出现虚假力矩，这个过程给螺旋副创造了均匀接触的环境保证了螺旋副摩擦系数的稳定性，同时可有效控制接触面升温过快。预紧：预紧是指按照工艺拧紧顺序，在螺栓被最终拧紧前所要达到的一个拧紧力矩，特别是针对转角拧紧法的螺栓拧紧过程更有必要进行预紧控制，预紧力矩是对转角起始的一个参照点，螺栓组中各螺栓在同一预紧力点开始转角，才能保证螺栓相同的伸长量，使最终力矩统一受控。拧紧：拧紧就是在靠紧、预紧的基础上按照工艺标准要求在规定的方式方法内拧紧螺栓，使力矩达到所要求的范围。 在以上三个过程中靠紧、预紧是保证力矩受控的前提，因此在重要复杂的连接机构，为了能有效的控制螺栓的最终拧紧力矩，强力螺栓拧紧过程不可省略以上三个步骤（随着科技的进步，以上三个过程已在先进的拧紧机中实现，但对于螺栓组拧紧的结构问题三个过程一次实现并不可靠）。例如，缸盖副螺栓拧紧机的程序步骤：由下图程序过程可以看出第一台拧紧机里集成了靠紧、预紧、拧紧的第一次转角；第二台拧紧机里转角一次。其中各个拧紧过程无时间间隔，可靠性有待考证。技术上要求主副螺栓需要交叉拧紧，所以副螺栓靠紧30Nm，待主螺栓预紧结束后，副螺栓再开始预紧75Nm是合理的，因此在第一个程序里靠紧与预紧应该分离开。为了能够实现力矩受控，保证拧紧力矩的有效性，装配过程中在力矩拧紧前要尽可能消除虚假力矩的影响因素。例如，现场在装配强力螺栓时在保证靠紧、预紧、拧紧的条件下，装配拧紧前要求螺纹表面涂润滑油的一定要涂抹到位，保证需接触的螺旋副部位都有润滑油，双头螺柱螺栓在载入装配时应定要装配到位等，消除拧紧过程力矩的波动，这样才能保证后期拧紧力矩受控。（三）、螺栓拧紧力矩偏差问题的验证分析1、理论计算中螺栓屈服拧紧力矩和工艺要求拧紧力矩的对比：从理论数据可以初步得出主螺栓所要求达到的工艺拧紧力矩符合其性能要求，副螺栓所要求达到的工艺拧紧力矩超出其屈服能力。 2、为进一步分析验证副螺栓力矩偏差的根本问题我们做如下试验。（1）、（手动）拧紧副螺母直到螺栓力矩衰减验证螺栓拧紧力矩变化趋势。工具：量程330Nm的一级数显扳手、报废的缸体（上表面尺寸符合实验要求）、报废的缸盖（各螺栓接触面及外表面符合实验要求）。拧紧方式：手动匀速，直到力矩趋于稳定最后衰减为止。副螺栓装配方式：完全按照装配工艺的顺序拧紧装配。螺栓数量：15根。试验结果见下表: 从对15根副螺栓所能承受的力矩检测分析，该副螺栓平均屈服点力矩值为122.4Nm，最小值为93Nm，最大值为146Nm。可见此副螺栓在拧紧过程中力矩不应让达到130Nm以上。(注：为得到更真实可信的数据需对螺栓做大量的屈服试验得出相应的应力-应变曲线） 至于装配过程中出现力矩超差现象（170Nm），主要与螺栓一致性、涂有不均匀、拧紧机转速快、致使摩擦因数不稳定，进入强化阶段等因素有关。（2）、关于装配过程中副螺栓出现力矩超差（170Nm）的原因分析因素一、副螺栓拧紧过程摩擦因数过大，导致扭转应力突升，致使拧紧力矩超差（大于170Nm），但并不能满足预紧力的需求。博世汽车工程手册中指出，在拧紧螺母时，螺母在以圆周力Fu作用下沿斜面向上运动，由此产生的法向力Fn引起反抗运动的摩擦力FR和摩擦角。因为所有标准化螺纹牙面具有倾斜的侧牙（牙侧面），在力的平面上只是一个分量FN=FN*cos/2，摩擦力则为FR=FN*G= FN*,G.。为计算平面内与螺钉轴线垂直的力，需要引进一个假想的摩擦因数,G。如果圆周作用力在螺栓中径上，则螺纹力矩为MG;为用预紧力FV拧紧螺栓，还需要一个螺纹力矩的分量MKR以克服螺钉头部和螺母支承面的摩擦，利用摩擦因数k和螺钉头部摩擦力矩的有效直径就可以得出头部摩擦力矩MKR。 装配时螺栓拧紧力矩：MA=MG+MKR。由于假想摩擦因数的差别，螺纹力矩MG会使扭转应力存在差异，扭转应力过大时同一规格的螺栓拧紧力矩显示偏大。如DIN2230中给出为达到所需预紧力，不同摩擦因数相应所需的拧紧力矩，见下表：因此，为控制螺栓拧紧力矩，应严格控制螺栓装配前的各个工艺过程，使摩擦因数稳定、真实。因素二、副螺栓拉伸进入强化阶段。当螺栓的拉伸从屈服阶段进入强化阶段后，螺栓拧紧力矩会突然增大，致使副螺栓拧紧力矩超差。（3）、对于副螺栓力矩衰减的验证试验将副螺栓装配在发动机上全部预紧到75Nm，静置12小时测螺栓力矩变化： 从实验数据可以看出当拧紧力矩在75Nm（弹性阶段）副螺栓静置后拧紧力矩也存在衰减现象，鉴于此现象对此次实验用的压紧块及相应螺栓进行硬度测试，副螺栓HRC：38,螺母HRC ：34,双孔压块HRC ：18.7,单孔压块HRC ：22，可以看出夹紧块抗压能力低于螺栓抗压能力，由于螺栓持续受到预紧力持续对夹紧块挤压及螺栓受到持续拉伸，随着静置时间的变化其综合结构必然会发生微小变化，看似螺栓力矩衰减实际是螺栓夹紧力变小（附件1）。 由以上理论分析及两个实验数据验证可以得出：（1）、缸盖主螺栓的屈服点拧紧力矩是483.32Nm,当拧紧力矩超过此值时螺栓进入屈服阶段，因为现场装配工艺要求拧紧力矩是300400Nm所以该气缸盖主螺栓装配后工作点在弹性阶段，该螺栓特性符合装配工艺技术的要求，至于测量时螺栓拧紧力矩超差的原因在于弹性阶段应力与应变是直线关系，所以在整机质量评审的时候用力矩扳手检测力矩过程应变增加，显示的必然将是力矩变大得的情况；制造过程中力矩超差主要是拧紧机执行的动作与工艺上限不相符。现实生产制造过程中力矩超差的信息正好验证了力矩爬升的结论。（2）、缸盖副螺栓的屈服点拧紧力矩是123.21161.70Nm，试验验证平均值是122.4Nm。当拧紧力矩超过此值时螺栓进入屈服阶段，因为现场装配工艺要求拧紧力矩是130170Nm，该缸盖副螺栓装配时拧紧机的动作使其伸长量跨越在弹性阶段和屈服阶段甚至进入强化阶段区域，副螺栓的性能与执行的工艺不相符，因为屈服阶段是非线性应力应变关系，装机过程中会出现力矩偏大或偏小，同时在整机评审过程中也会出现力矩超差或衰减的现象。 3、螺栓预紧力在弹性阶段时用力矩扳手检测时力矩值会变大甚至超差属正常现象 在弹性阶段“应力-应变”是线性关系 ，在装配结束后重新对力矩校准的过程由于螺栓的转动会使其应变继续增加这样夹紧力增大所以扭矩扳手必定会显示力矩变大甚至测量值显示会超出工艺范围。四、改进控制措施（一）、调整螺栓拧紧力矩值，合理选择使拧紧力矩处于螺栓的科学机械性能阶段，这样能确保拧紧力矩在理论上容易受控。例如：由以上试验可得副螺栓拧紧力矩不应超过122.4Nm，建议将副螺栓拧紧时：靠紧30Nm预紧70Nm，转角90转角90，最终使力矩达到90140Nm才算合理，而且前面已提到“靠紧”和“预紧”过程要在一个拧紧机中分开进行（对于预紧和转角的参数，后期还需要做大量的试验得出更准确的数据）。（二）、螺栓拉伸在稳定机械性能阶段，且满足螺栓组最小预紧力之和大于被夹紧机构所需最大夹紧力的前提下，调整螺栓的拧紧力矩工艺范围。例如：D12主螺栓拧紧力矩为200300Nm，10L发动机为300400Nm，参照D12的力矩范围产生的夹紧力，在保证无三漏的前提下可以考虑将10L发动机住螺栓力矩放宽：维持现在的主螺栓拧紧方法不变，但最终力矩可定在280430Nm范围之内，这样在确保发动机性能的条件下提高螺栓拧紧力矩合格率；（三）、装机前需要涂油润滑的螺栓一定要涂抹均匀润滑到位，否则螺栓在拧紧过程会出现“咯哧”发卡的现象：严重影响摩擦因数，这样拧紧力矩会波动造成拧紧机显示虚假力矩拧紧力矩偏高。（四）、对螺栓力矩评审:静态检测扭矩值，与实际拧紧的扭矩值总是存在一定的误差，拧紧法的检测扭矩一般为装配扭矩的90%110%，因此检测扭矩的允许范围在工艺范围浮动10%。（五）、对不同的装配工具、方法拧紧的强力螺栓实行不同的评价标准。拧紧机、力矩扳手等不同工具的作业精度需进行综合评价来平衡整机评审时力矩的偏差允许范围,博世汽车工程手册中提到的：手动控制拧紧系数和冲击控制拧紧系数存在区别（附件2）是值得我们参考的。（六）、螺栓组在装配过程中一定严格按工艺拧紧顺序执行，原则是螺栓在拧紧前其