摘要：传统的螺纹紧固件拧紧方式为扭矩控制法，紧固扭矩随很难控制的摩擦系数变化，轴向预紧力精度低，且不会超过屈服强度的70%。针对紧固件扭矩法和扭矩转角法进行了理论与试验研究，对扭矩转角法的起始扭矩和转角的确定方法做出了说明，提出了螺栓扭矩转角法的屈服点捕捉方法，制定了合理的扭矩转角法拧紧方案，并通过路试试验验证了扭矩转角法的优势，结果显示扭矩转角法得到的预紧力较高，且在路试过程中预紧力衰减较少。
关键词：扭矩转角法；工艺；实施
1导言
螺纹紧固件由于具备了装配灵活，可拆卸重复使用等有点被广泛应用于航空、汽车等行业，据统计每辆汽车上有3000～5000个螺纹紧固件，许多关键点使用了螺纹紧固件，若这些紧固点发生失效将造成不可估计的损失，由此可知研究其连接性能是十分必要的。螺栓预紧力对螺纹连接结构的性能非常重要，赵欣、吴勇、方子帆等分别研究了螺栓预紧力多螺纹连接结构强度、疲劳和松动的影响，结果表明预紧力全面影响螺纹连接的可靠性，而螺栓预紧力的大小直接受拧紧方式的影响。传统的紧固件拧紧方式为扭矩直接控制，通过拧紧扭矩与预紧力的转化计算数学模型，得到所需预紧力下的拧紧扭矩范围，这套体系是基于螺栓未发生塑形变形的情况进行的，而当螺栓进入塑形变形区时由于变形量与应力不再是线性关系便不再适用。
2扭矩转角法的优势与实施过程
扭矩转角法是一种较优化的扭紧方式，它可以使螺栓拧紧到超弹性区域内，从而实现对螺栓性能的充分利用，同时还能够精确地控制装配扭矩。扭矩－转角法是在打到规定的扭矩之后，再将螺栓转动一定的角度，尽管螺栓的摩擦系数或多或少会影响达到要求的装配扭矩所产生的“预紧力（扭矩阶段）”，但是在弹性形变区域之内，在弹性模量保持恒定的情况下，螺栓的轴向预紧力大小与其伸长量成正比，而螺栓的伸长量又与螺栓的转动角度成正比，所以通过控制拧紧转角可以达到控制预紧力的目的，把握螺栓的伸长量就可以直接地调控螺栓轴向预紧力的大小，从而使摩擦系数对预紧力偏差的影响降到最低水平，达到控制装配水平的要求。螺栓的轴向预紧力在螺栓发生塑性变形后就不再与伸长量成正相关。但是，只要螺栓的形变维持在屈服点上下的超弹性区域之中，螺栓的轴向预紧力就会比较稳定，同时极大的提高螺栓的利用效率。因此，采用扭矩－转角法可以得到数值较大且离散程度较小的轴向预紧力。
2.1扭矩转角法与扭矩直接控制法对比
如图1所示，图（a）为扭矩控制法，图（b）为扭矩－转角法。Ⅰ、Ⅱ分别为同一规格螺纹连接的拧紧特性曲线，采用扭矩控制法时，施加T1拧紧扭矩后，分别产生预紧力F'与F″预紧力误差ΔF=F'－F″。图（b）中，先用贴紧扭矩T0预拧紧，预紧力的误差为ΔF0，然后均在起始扭矩T0的基础上转θ角，与曲线Ⅰ、Ⅱ交与c、d两点，此时的预紧力之差为ΔFφ，由上述理论分析可知，采用扭矩－转角法后，预紧力之差为ΔFφ=ΔF0，明显小于扭矩控制法产生的预紧力之差ΔF。
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图1扭矩转角法与扭矩直接控制法对比
2.2螺栓扭矩转角法的拧紧力矩计算
螺栓在拧紧过程中产生的位移量，是由被连接件压缩以及螺栓拉伸引起的，这相当于串联两个弹簧。串联弹簧的系统刚度为：
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式中：T为拧紧扭矩，Tb为扭矩转角法拧紧的起始扭矩，K为扭矩系数，θ为拧紧角度，η为设备拧紧精度。如果在弹性区域拧紧未能达到所需预紧力，就需要拧紧到塑性区域，螺栓拧紧至塑性区域后，其拧紧产生的屈服紧固件轴力实际取决于螺栓材料的特性和负荷状态。此时螺栓杆部受到复合载荷作用：
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式中：σs为螺栓屈服强度，As为螺栓应力截面积，ds为应力界面等效螺纹直径，μs为螺纹摩擦系数，d2为螺纹中径，d3为螺纹小径，α'为螺纹牙侧角。扭矩转角法进行塑性区域拧紧时是通过旋转一定角度使螺栓伸长到超弹性极限区域内，如下图所示。
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图2扭矩转角法的塑性区域拧紧
由以上可以推出扭矩转角法塑性区域拧紧力矩的计算公式：
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式中：T为扭矩转角法拧紧产生的扭矩，K为扭矩系数，ds为应力截面等效螺纹直径。
2.3扭矩－转角法的起始扭矩和转角
要确定扭矩－转角法的起始扭矩和转角，需先确定贴合扭矩和屈服点，贴合扭矩Tfs取试验曲线中贴合点（直线段开始点）扭矩的最大值，再取所有试验样件数据中的最大值，加上3倍试验数据标准偏差。在弹性区域内，以贴合扭矩为起始的直线段的中点所对应的扭矩为起始扭矩Tb，并取所有试验样本数据的均值；屈服点可由模拟工装拧紧试验结合梯度进行捕捉；以起始扭矩为起点，至试验曲线屈服点的角度为紧固转角θ。
2.4螺栓扭矩转角法的报警扭矩
扭矩转角法会将螺栓拧紧到屈服点附近，若转角过大导致扭矩过于超出屈服强度，则会使螺栓防松性能和疲劳强度显著降低，不利于连接结构可靠性，因此，需要设置报警扭矩来监控最终拧紧扭矩的扭矩范围，报警扭矩计算公式为：
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3结语
本文针对扭矩转角法进行了理论分析，得出相比传统扭矩拧紧法，扭矩转角法可以得到更高的预紧力且扭矩偏差较小的结论，对扭矩 － 转角法的起始扭矩和转角的确定方法做出了说明，提出了螺栓扭矩转角法的屈服点捕捉方法，用线性回归方程取得扭矩/角度曲线的梯度和线性斜率系数（LSC）能够精确的确定螺栓拧紧的屈服点，确定了报警扭矩计算方法及取值范围。
参考文献：
[1]张亮亮，王玉林.扭矩法与扭矩/转角法预紧力的计算及对比研究[J].内燃机与配件，2016（01）：7-8.
[2]于成杰.扭矩法与扭矩转角法比较与分析[J].山东工业技术，2014（14）：156.
论文作者:吴凤祥
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/15
标签：扭矩论文; 螺栓论文; 转角论文; 螺纹论文; 塑性论文; 紧固件论文; 区域论文; 《基层建设》2019年第27期论文;