第7讲 螺丝的紧固管理方法

好久不见!在下螺丝君。
螺丝(螺栓)的主要作用是通过紧固产生的轴向力连接物件,但在实际作业中是很难直接监视轴向力的。因此,很多人可能都是用扭矩扳手来管理紧固扭矩,以保证轴向力。然而除此之外,还有其他的螺丝(螺栓)紧固管理方法。而且,与使用扭矩扳手进行管理相比,有的方法还能缩小轴向力的偏差。今天来介绍螺丝的紧固管理方法,向大家进行普及。

“弹性区域紧固”和“塑性区域紧固”

在进入正题讲解紧固管理方法之前,首先来讲一讲“弹性区域紧固”和“塑性区域紧固”。

随着拧紧螺丝,施加的轴向力(应力)逐渐变大,在到达屈服点之前,螺丝会与轴向力成正比伸长,去除轴向力后,螺丝伸长的部分就会复原。这个范围叫作弹性区域,这一范围内的紧固叫作“弹性区域紧固”。

而超过屈服点后,如果继续拧紧螺丝施加轴向力,比例关系会消失,相对于轴向力,伸长率会发生激增。倘若达到这样的状态,螺丝就会产生永久伸长率,即使去除轴向力也不会再复原。这个范围叫作塑性区域,这一范围内的紧固叫作“塑性区域紧固”。

“弹性区域紧固”的特点在于螺丝的轴向力偏差较大,但螺丝能重复使用,可以采用扭矩法,使用扭矩扳手进行紧固管理,紧固作业简单。
而“塑性区域紧固”虽然存在螺丝会产生永久伸长率,不能重复使用,而且紧固作业耗时较长等缺点,但与弹性区域紧固相比,可以进行稳定的轴向力管理,因此已应用于发动机组装等用途。

利用“弹性区域紧固”和“塑性区域紧固”的紧固管理方法

那么,下面就进入正题,开始讲解紧固管理方法。
主要的螺栓紧固管理方法包括:
①扭矩法
②扭矩斜率法
③旋转角度法
等3种。

紧固区域分为前面介绍的“弹性区域紧固”和“塑性区域紧固”。
紧固系数表示在相同条件下紧固螺丝时轴向力的偏差度,数值越大代表偏差越大。因此,查看下表可以发现,正如之前所讲,弹性区域紧固的偏差比较大。

紧固管理方法 紧固管理项目 紧固区域 紧固系数*
扭矩法 紧固扭矩 弹性区域 1.43
旋转角度法 紧固旋转角度 弹性区域 1.53
塑性区域 1.2 
扭矩斜率法 紧固扭矩相对于紧固旋转角度的斜率 弹性区域极限 1.2
*表中数值仅供参考。紧固力的实际偏差会随不同紧固方法的各个相关因素大幅波动,无法精确指示其范围。

扭矩法

扭矩法是利用紧固扭矩与紧固轴向力在弹性区域的线性关系的紧固管理方法。在紧固作业时只管理紧固扭矩,用扭矩扳手就能实现,是比较简单的紧固管理方法,已经得到了广泛普及。
然而,紧固扭矩并非全部作为轴向力发挥作用,会被螺纹面和座面的摩擦消耗。因此,即使以相同的扭矩进行紧固,受表面粗糙度和润滑状态等因素的影响,轴向力依然会出现较大的偏差,需要在摩擦特性的管理上加以注意。

一般来说,使用扭矩法紧固螺丝时,发生的轴向力最好在屈服点的60%~70%的弹性领域内。

旋转角度法

旋转角度法是使用角度尺(量角器)和电检测器等工具,对螺丝头部和螺母相对于预紧点的紧固旋转角度进行管理,由此来控制紧固轴向力的方法,既可用于弹性区域紧固,也可用于塑性区域紧固。
顺便一提,预紧点是指施加的紧固扭矩能够使螺纹和座面紧密贴合的点。

但进行弹性区域紧固时,由于轴向力容易随旋转角度大幅波动,还是操作简单的扭矩法更为常用。
而进行塑性区域紧固时,由于旋转角度误差所导致的轴向力变化较小,也可以利用螺栓和螺母的六角形,通过目视的方式进行角度管理。

扭矩斜率法

扭矩斜率法利用了螺丝紧固轴向力超过屈服点后,伸长率相对于轴向力激增的性质。方法是使用电传感器等工具检测紧固扭矩和旋转角度,在电脑上计算出弹性区域和塑性区域的变化点,以弹性区域极限进行紧固。

虽说需要的装置在规模上远超其他方法,但造成偏差的因素只有材料的屈服点,与扭矩法和旋转角度法相比,轴向力的偏差比较小。因此应用到了汽车发动机和气缸盖的螺栓等对于紧固的可靠性要求较高的用途。


除了以上方法,紧固管理方法还有直接测量并管理螺丝伸长率的伸长率测量法,以及通过高温加热赋予螺丝伸长率,对安装时的温度进行管理的加热法等,有机会再进行介绍。

那么今天就到这里了,告辞。



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