基本拧紧技术阿特拉斯力矩加转角技术分析及工具介绍

1、1-1,基本拧紧技术,Foton Cummins & Atlas Copco福田康明斯 阿特拉斯科普柯拧紧技术,1-2,基本拧紧技术,介绍装配过程中的基本问题，为正确和使用选择工具提供指导,To use equipment that matches specific needs of the customer is the key to success 对客户来讲，成功的关键是所使用的工具设备能够匹配其特定需要,1-3,为什么使用螺栓连接,装配简单 拆卸方便 效率高 成本低,1-4,质量等级,安全等级,客户定义等级,装配工作按精度等级分为三类,1-5,螺栓连接的受力,剪切,拉伸,1-6,为了拧

2、紧螺栓, 必须施加力以便拧紧螺母/螺丝,1-7,测量拧紧效果,我们能够测量的是扭矩T,我们想要得到的是夹紧力F,T,F,F,F,F,1-8,Joint Diagrams,螺拴与连接件的关系,拉伸弹簧压紧弹簧,螺栓连接,1-9,螺拴和连接的变形,1-10,Joint Diagrams,螺栓连接的变形关系,力,变形,预紧力,螺栓伸长1,连接件,压缩2,1-11,Joint Diagrams,轴向工作载荷的影响,力,1,2,变形,螺栓受力增加部分,夹紧力 减少部分,1,工作载荷,1-12,通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧,旋转螺母或螺丝使螺丝受力伸长 螺丝伸长产生的夹紧力把连接件夹紧 我们需要的是连接

3、件中的夹紧力,1-13,力 (F), 力臂 (L) = 扭矩(M) 螺丝旋转的越多，得到的扭矩越大,但是, 90% 的扭矩被摩擦力消耗 只有10%的扭矩转化为夹紧力,夹紧力, 10%,螺纹副中的摩擦了, 40%,螺栓头下表面的摩擦力, 50%,施加的扭矩并不象夹紧力那么简单,1-14,50-40-10 规则,扭矩,100%,90% 的扭矩用于克服摩擦力,夹紧力 10%,螺纹副中 40%,螺栓头下摩擦力 50%,1-15,螺拴的螺纹不规则，导致摩擦力很高。 本不应涂油的螺拴，被无意蘸了油 工件表面处理改变，摩擦系数升高,夹紧力, 10%,螺纹副中的摩擦了, 40%,螺栓头下表面的摩擦力, 50%

4、,假设如下情况，同样扭矩提供的夹紧力是增加是下降？,1-16,再假如完全没有摩擦力会怎样？会不会有扭矩产生？ 扭矩能保持吗？,扭矩,100%,90% 的扭矩用于克服摩擦力,夹紧力 10%,螺纹副中 40%,螺栓头下摩擦力 50%,1-17,夹紧力与摩擦力的关系,通常的情况,螺栓头下摩擦力50%,螺纹副中摩擦力40%,10%,在螺栓头下加润滑油,螺栓头下摩擦力45%,螺纹副中摩擦力40%,夹紧力15%,螺纹副中有杂质或螺纹受损,螺栓头下摩擦力50%,螺纹副中摩擦力45%,5%,1-18,一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩,夹紧力一定要高于外部载荷,安全余量载荷的影响因素: 振动 摩擦力的变化

5、连接件尺寸变化 拧紧精度,1-19,施加的扭矩不要超过使用极限,Angle of rotation 旋转的角度,Torque 扭矩,施加的扭矩过大会使螺栓过度伸长,安全余量取决于: 拧紧精度 材料等级,1-20,螺栓标识系统,生产商 第一个数 = 1/100 的最小抗拉强度 (N/mm2) 1008 = 800 N/mm2 第二个数 =屈服强度与最小抗拉强度之间的关系 0.8 = 80% 两数相乘得出屈服应力 800* 0.8 = 640 N/mm2,公制螺纹,1-21,弹性松弛会影响夹紧力,材料弹性松弛会使夹紧力衰减!,Time,1-22,Joint characteristics can

6、also define the tool type required (ISO 5393) 连接的特性也决定着所需工具的类型,旋转角度,目标扭矩,A. 硬连接：到达贴合点后，旋转30以内达到目标扭矩 B. 软连接：到达贴合点后，旋转2 圈以上达到目标扭矩 扭矩的过扭程度受连接件硬度以及工具转速影响。,软连接、硬连接,1-23,软、硬连接,目标,均值偏差,扭矩,角度,过扭,贴合点,硬连接,软连接,1-24,如何在一个连接件上测量扭矩,动态扭矩:在拧紧螺栓的同时用在线式扭矩传感器测量 静态扭矩:安装后用扭矩扳手测量,1-25,静态扭矩,动力工具 输出扭矩 92 94 91 92 94 92 92

7、X=92,43 =1,13,扭力扳手 静态扭矩 103 106 103 100 100 103 100 X=102,14 =2,27,T (Nm),时间,20,40,60,80,100,110,120,(A)工具输出 (动态扭矩),(B) 扭力扳手 (静态扭矩),原因:静态摩擦力,1-26,装配手测 (动态)(静态) 102.6 112 102.6 110 101.4 111 101.2 110 102.4 113 100.9 109 102.1 110 102.4 111 101.0 113 101.8 112 101.84 111.1 0.67 1.4 2.01 4.1,均值 标准偏差 (

8、Sigma) 3 Sigma,硬连接,1-27,均值 标准偏差 (Sigma) 3 Sigma,装配手测 (动态)(静态) 100.2 88 100.5 84 100.7 92 100.3 86 100.4 90 100.8 88 100.5 86 100.2 85 100.2 84 100.4 84 100.42 86.7 0.21 2.8 0.63 8.3,软连接,1-28,衰减,60-70%的衰减发生在30毫秒以内,时间,牛米,衰减,断气,1-29,Aluminium Joint,Steel Bolt,1-30,Torque Control /Angle Monitor 扭矩控制角度监控

9、 Angle Control / Torque Monitor 角度控制扭矩监控 Torque and Angle Control 扭矩和角度控制 Fastener Yield Control 屈服点控制 ,其它高级拧紧控制方法,1-31,Joint Modeling,The clamp force will, after the run down section, grow as a linear function of angle. 夹紧力在贴合后随着角度线性增长,This can be described as可描述为: Clamp Force F= k * A, where k is

10、the force rate(力率、力比) defined as dF/dA A is the angle of turn of the bolt. The force rate will, for a given design vary, mainly as a function of geometric tolerances公差.,1-32,Clamp Force,Angle,Torque,Joint Modeling,Angle,1-33,The Torque - Tension Relationship,The clamp force F will translate to torqu

11、e through friction , pitch P and thread angle by the formula:,1-34,Joint Model - Plastic Range,Clamp Force,Torque,Angle,Angle,1-35,Joint Model - Plastic Range,The clamp force in the elastic range is mainly dependant of the yield point of the material and only to a lesser degree of the rotation of an

12、gle and the friction coefficient. The force rate will decline in the plastic range with a marked bend for high grade material, less marked for low grade materials and eventually the bolt will break. The margin for yield onset until failure is highly dependant on clamp length, but is normally several

13、 hundred degrees.,Clamp Force,Angle,Failure,1-36,Torque Control扭矩控制,1-37,Torque Control,Torque control utilizes the well known relationship between torque and tension. Minimum clamp force will occur at maximum friction and minimum force rate and vice versa.,1-38,Torque Control扭矩控制,Advantages优势: 容易实现

14、不同精度等级的控制+/-25%的冲击型工具到+/-1%的握紧轴 巨量的产品和过程设计的标准数据-历史悠久 过程的设备的有效性审订容易 广为人知,1-39,Torque Control扭矩控制,劣势: 夹紧力的精度很差,可能差到+/- 60 %,受摩擦系数影响大 没有根本办法防止螺拴断裂 以上两个原因导致螺拴能力利用率低-60%,1-40,弹性区域角度控制,Tightening Specification = Threshold Torque + Tightening Angle,1-41,弹性区域角度控制,Angle control in the elastic range avoids th

15、e large friction variation and utilizes the usually smaller force rate variation by controlling the angle rather than the torque - implemented by turning a specific angle from a torque level, the threshold torque. (The threshold torque is sometimes referred to as a snug torque.),Joint being pulled t

16、ogether,Angle,Torque,1-42,优势 相对容易实现 过程和产品相对容易检查有效性 现场维修的成本和精度可以接受 螺拴利用率得到提高,弹性区域角度控制,1-43,弹性区域角度控制,劣势 标准的拧紧规范不能直接使用了-必须做一些连接分析/实验室试验 无法使用扭力扳手校验 工具同时需要扭矩和角度测量能力,1-44,塑性区域角度控制,Clamp Force,Torque,Angle,Angle,Treshold torque,Tightening angle,Clamp force variation,1-45,优势 摩擦力影响降到最低 最大程度上利用螺拴能力,塑性区域角度控制,劣

17、势 设置和校验产品参数的费用高昂 螺拴无法重复使用,1-46,Torque,dT/dA maximum,X% of dT/dA maximum,dT/dA,Angle,Angle,梯度(扭矩变化率)控制、屈服点控制,1-47,梯度(扭矩变化率)控制、屈服点控制,Advantages优势 The method utilizes the full yield strength of the bolt, while taking it past yield a minimum amount.螺拴进入塑性阶段一个小角度,最大程序利用螺拴 The bolts can normally be reused

18、 several times螺拴可以重复利用几次 With gradient control methods, the tightening process is adapted to the individual joint.夹紧力精度很高,拧紧效果不受弹性系数K影响.当需要用许多螺拴坚固的情况下,如气缸盖,在设计上有时需要对不同位置使用不同螺拴,弹性系数不同.但这只影响屈服点的角度,夹紧力总是在屈服点附近. Drawbacks劣势 需要连接分析和实验室工作 过程的检验困难 拧紧/修复螺拴可能是个问题 Equipment becomes expensive设备昂贵,1-48,Tool Con

19、trol Methods - Ultrasonics,Ultrasonics tightening techniques are based the propagation of an acoustic wave down the bolt, and normally, reflected back to the bolt head. As the bolt experiences clamp force, it will be elongated and the travel time will increase. Travel time will also increase dependi

20、ng on the stress level in the material.,Ultrasonics offers the most exact methods of clamp force measurement and hence control, but is requires special conditions (acoustic coupling声耦合, bolt length to diameter ratios螺拴长度直径比, specially treated bolt heads and bolt ends螺拴头尾的特殊处理) that often makes it di

21、fficult to arrange except under special production conditions or for laboratory use.,1-49,工具的认证,我怎么知道是否买到了一把好工具?,1-50,ISO 标准,ISO 9001并不能提高产品的质量 QS 9000则能提高产品的质量 ISO 5393 是当今动力工具的唯一国际标准 测试: 精度，耐用度，和重复性 福特认证：首个动力工具认证系统,1-51,福特 / ISO 5393动力工具认证,1-52,1970年福特开始对动力工具进行能力测试，目的是： 明确生产中对所需扭矩的控制能力 明确对工具测试的统一标

22、准 明确对工具综合性能的评判标准 进行测试并对工具分级 根据测试结果来对特定工位选择合适的工具 动力工具的测试是由福特开始的，之后转由LTU(劳伦斯理工大学) 在福特监理下进行认证,背景,1-53,测试程序,对于每把不同的工具(即使是不同的齿轮结构)，都需按照如下的程序进行测试: 抽出4把工具进行能力测试(每把工具进行25次硬连接和25软连接拧紧) 将其中的2把工具的数据按照福特标准进行精度测试 对剩下的2把工具进行耐受度测试 对抽出的2把工具按照福特/LTU标准进行能力测试 对2把工具中的一把按照福特/LTU标准进行耐受度测试 经过耐受度测试之后再进行能力测试以确保工具仍处于良好状态注意: 对于一次1