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螺栓自动拧紧机拧紧控制方法的探讨

作者: 发布时间:2020-01-21 11:39:57 阅读: 45 次

【摘要】:在机械结构中螺纹紧固件已成为必不可少的机械零件,了解国内外螺栓自动拧紧设备的现状。对螺纹拧紧控制方法进行探讨,分析各种方法的优缺点。

【关键词】:螺纹自动拧紧机   扭矩转角法  

螺栓拧紧在机械制造业中的应用非常广泛,机械制造中零部件的连接与装配,机械整体的装配等等,可以说几乎是都离不开螺栓拧紧。

螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象,以前人们只是考虑在装配时,把螺栓(或螺母)拧到最紧的程度。后来人们才发现,这个“最紧”不过是一个非常模糊的概念,它是因人而异的。一台机器有几十,以至成百上千个零件采用螺栓紧固装配,在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的。如何有效的控制“拧紧”,并使其达到“更佳”,也就成为了机械行业十分关注的课题。这样,不仅对于拧紧的控制方法探讨及其采用成为了热门话题,而且对于自动拧紧机的应用也日益广泛了。

先进的拧紧方法需要自动控制的拧紧工具。这种拧紧工具首先是在国外产生,并被广发应用于各汽车制造企业中。较的国外拧紧机生产商有ATLASC-OPCO公司(瑞典)、BOSCH公司(德国)、COOPER(美国)、INGERSOLL-RAND公司(美国)和OBER公司(意大利)等。

我国对拧紧技术的研究主要是在日本标准的基础上进行引进、消化和吸收的,提出了等效日本1990年标准的国标,本系列国标也包括了下列三个标准:GB/T16823.1-1997《螺纹紧件应力截面积和承载面积》;GB/T16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》;GB/T16823.3-1997《螺纹紧固件拧紧试验方法》。如同标准的借鉴和采用,我国汽车行业的拧紧技术研究处于起步和模仿阶段。在生产上,部分有实力的汽车制造商通过购买昂贵的进口电动拧紧设备,实现了扭矩拧紧,部分厂商实现了扭矩-转角工艺,个别生产商开始应用屈服点拧紧工艺,但还处于摸索阶段。我国生产厂商还不能独立自主开发研制适应于转角、屈服点等先进拧紧工艺的电动拧紧设备和工具。

纵观国内外拧紧技术的发展水平,随着螺栓制造水平的不断提高,欧美日等发达大力深入研究和推广屈服点拧紧工艺。国内全面推广扭矩-转角法,研究屈服点法,缩小与发达差距。

螺栓联接的实质是通过将螺栓的轴向预紧力控制到适当范围,从而将两个工件可靠地联接在一起。为了确保螺纹联接的刚性、密封性、防松能力和受拉螺栓的疲劳强度,联接螺栓对预紧力的精度要求是相当高的。由于震动与交变的载荷,以及温度的影响,使螺纹联接常发生自动松脱的现象。可通过改善螺栓的拧紧方法就可避免。要实现这个预紧力的拧紧控制方法有很多,如很简单的扳手拧紧的手工法、扭矩控制法、超弹性控制法、屈服点拧紧法等等。

螺栓拧紧方法主要有两类,分别是弹性拧紧和塑性拧紧。弹性拧紧一般指扭矩拧紧法,塑性拧紧主要包括转角拧紧法、屈服点拧紧法等。

下面就常见的几种螺栓拧紧控制方法作简单介绍:

1、 扭矩控制法(T

扭矩控制法是最简单的控制法,通过螺栓扭矩值来控制被联接件的预紧力。预紧力拧紧时与拧紧扭矩T成正比关系

                                 1-1

公式1-1中   —为预紧力;

             K—为扭矩系数;

             —螺栓的公称直径(大径);

扭矩系数K的变化与螺纹表面及座面的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具有关。同时这个K值和温度也有关系,经过日本住友公司通过实验证明环境温度每增加1℃,扭矩系数K就下降0.31%。所以,如用扭矩法拧紧螺栓其计算载荷需要1.3倍更大工作载荷。

 总之,扭矩控制法的优点是:成本低,可以使用简易的拧紧工具扭矩扳手来检查拧紧质量。其缺点就是:拧紧精度不够,不能充分发挥材料潜力,环境影响大(温度,螺栓螺纹,杂质、磕碰等)

2、 扭矩-转角控制法(TA)又称超弹性控制法。

鉴于扭矩拧紧法存在的不足,美国在20世纪40年代末开始研究螺栓伸长和轴向力的关系。扭矩-转角控制法是先将螺栓拧到一个不大的扭矩,一般会是拧紧力矩值的25%左右,再从此点开始,拧一个规定的转角的控制方法。

 扭矩拧紧法是基于一定的转角,是螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩了。这样做的目的是将螺栓拧到紧密接触面上,并克服了一些表面凹凸不平等不均匀因素,而后面所需求的轴向夹紧力由转角产生。在计算转角之后,摩擦阻力对轴向夹紧力的影响不复存在,所以其精度比单纯的扭矩控制法要高,扭矩控制法的要点就是测量转角的起点,一旦这个转角确定下来我们就可以获得相当高拧紧精度。

扭矩-转角控制法(TA)优点:拧紧精度高,拧紧质量稳定,螺纹件摩擦系数对拧紧质量的影响小;能充分利用螺栓的承载能力;螺栓可拧至塑性变形区而不致拧断,设计预紧力可取螺栓屈服强度的80%。可以获得较大的轴向夹紧力。缺点:其控制系统比较复杂,需要测量预紧扭矩及转角2个数据,质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查跟进。       

3 、屈服点法

 顾名思义屈服点控制法就是利用螺纹材料的屈服点来控制螺纹副的装配。这种方法目前只有少说生产高端品牌的汽车发动机厂家在使用,因为所需要设备成本太大。这种方法是在扭矩转角控制法中发展而来的,是通过对扭矩-转角曲线斜率的连续计算和判断来计算屈服点的。屈服点拧紧法的理论目标是将螺栓拧紧到刚过屈服极限点。采用屈服点拧紧时,首先将螺栓拧紧到某一个规定的起始力矩Ms,从这点开始,设备监控拧紧曲线的斜率值的变化,如果斜率下降到超过了设定值,那么就认为把螺栓拉伸到了屈服点,工具停止运行。

就是说在拧紧的过程中需测量螺栓自然长度,在拧紧的过程中螺栓受到监控,需要知道螺栓拧紧时拉伸的长度,这个需要X射线或者红外一类具有能透视并测量的装置。针对每一个螺栓并在更大梯度下降时判断更大梯度和屈服点,这里需要计算机及相应计算软件,控制自动拧紧设备施加屈服扭矩。

屈服点拧紧法更大的优点是不受扭矩控制法的摩擦系数和转角控制法的转角起始点的影响,将摩擦系数不同的螺栓都拧紧到其屈服点,更大限度的发挥了螺纹件强度的潜力,从而克服了扭矩控制法和转角控制法的致命缺点,提高了装配精度;但是它对干扰因素比较敏感,同时对螺栓的性能及结构设计要求极高,控制难度较大。因此拧紧工具的价格十分昂贵。