CN113560860A - 一种螺栓拧紧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种螺栓拧紧方法，包括：(1)建立横纵坐标；(2)得出线性斜率值；(3)在所述纵坐标上分别取起点扭矩值和终点扭矩值；(4)螺栓开始拧紧后，当实际扭矩值大于起点扭矩值后，开始计算连续等距的Delta A角度内的平均斜率，并将这些平均斜率同线性斜率值进行比对，一旦出现两个连续Delta A角度内的平均斜率均大于所述线性斜率值，则以两个连续Delta A角度的起始值为起点，完整的拧紧一个ASG角度，同时记录最终扭矩值；(5)基于试验设定最终扭矩阈值范围。本发明可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。

Description

一种螺栓拧紧方法
技术领域
本发明涉及螺纹连接技术，特别涉及一种螺栓拧紧方法。
背景技术
螺栓轴力即拧紧螺帽使螺栓按照螺栓螺纹旋入螺纹孔的过程中，螺栓在弹性区间产生的弹力即为螺栓预紧力。由于预紧力无法直观的控制和监测，生产中一般均采用控制扭矩或控制角度的方式来间接控制螺栓拧紧后的预紧力。
目前一般采用的方法有纯扭矩控制法和扭矩角度控制法，而扭矩角度控制的螺栓预紧力通常要比纯扭矩控制法的螺栓预紧力更精确，但以上两种方法均有部分拧紧过程是采用扭矩控制，扭矩控制预紧力很大程度会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限，摩擦系数无法实现很好的控制，这样导致实际生产中螺栓拧紧后的预紧力会出现较大偏差。
有鉴于此，本发明的发明人打破传统螺栓拧紧方法受到摩擦系数影响的局限性，为制造行业在关键螺栓预紧力的控制上提供一种更精确更稳定的拧紧方法。
发明内容
本发明的目的在于最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，为制造行业在关键螺栓预紧力的控制上提供一种更精确更稳定的螺栓拧紧方法。
为达上述目的，本发明提供一种螺栓拧紧方法，其包括以下步骤：
(1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
(2)在螺栓拉伸后进入弹性拉伸区间时，得出扭矩与角度的线性斜率值；
(3)在所述纵坐标上分别取起点扭矩值和终点扭矩值，所述起点扭矩值小于贴合点处所对应的扭矩值，所述终点扭矩值大于贴合点处所对应的扭矩值；
(4)螺栓开始拧紧后，当实际扭矩值大于起点扭矩值后，开始计算连续等距的Delta A角度内的平均斜率，并将这些平均斜率同线性斜率值进行比对，一旦出现两个连续Delta A角度内的平均斜率均大于所述线性斜率值，则以两个连续Delta A角度的起始值为起点，完整的拧紧一个ASG角度，同时记录最终扭矩值；
(5)基于预定试验次数的拧紧数据，将最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
所述的螺栓拧紧方法，其中，在步骤(4)中，如果螺栓的实际扭矩值在到达终点扭矩值之前，一直未出现大于所述线性斜率值的两个连续Delta A角度内的平均斜率，则判定拧紧不合格，该最终扭矩值不得计入统计。
所述的螺栓拧紧方法，其中，在步骤(4)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
所述的螺栓拧紧方法，其中，在步骤(5)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
所述的螺栓拧紧方法，其中，所述起点扭矩值和终点扭矩值用作分析计算的起止点。
所述的螺栓拧紧方法，其中，所述起点扭矩值依据螺栓的弹性变形区范围以及目标预紧力值来确定。
所述的螺栓拧紧方法，其中，所述终点扭矩值依据螺栓的弹性变形区范围以及目标预紧力值来确定。
所述的螺栓拧紧方法，其中，所述起点扭矩值和终点扭矩值均需落在弹性拉伸区间内。
所述的螺栓拧紧方法，其中，所述ASG角度依据试验以及螺栓拧紧数据分布分析得出。
本发明的有益效果是：本发明减小了门槛扭矩，增大了最终角度，提升了预紧力的稳定性。虽然没有完全消除门槛扭矩，但是对于存在压缩弹簧等软联结的螺栓拧紧情况，初始压缩弹簧或者压缩贴合软接触面的过程中，力矩波动较大，无法准确进行理论线性拉伸直线回归的拧紧情况，本发明非常适用。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
附图说明
图1是扭矩+角度法的螺栓拧紧曲线的示意图；
图2是根据本发明的贴合点法的螺栓拧紧曲线的示意图。
具体实施方式
在阐述本发明的技术方案之前，先对本领域的几个基本概念进行描述。
扭矩拧紧法和扭矩+角度法是汽车发动机制造过程中最广泛使用的，相比于扭矩拧紧法，扭矩+角度法降低了摩擦对预紧力的影响，可以得到更稳定的轴向力。但是无论是扭矩拧紧法还是扭矩+角度法，在控制过程中均有全部或部分拧紧过程是采用扭矩控制的，即存在门槛扭矩(Threshold Torque)TT。
具体请参见图1，其为扭矩+角度法螺栓拧紧曲线的示意图。门槛扭矩TT需落在弹性拉伸(Elastic Clamping)区间内，大于贴合点PS(Snug Point)处的扭矩。在门槛扭矩TT之前通常称为“扭矩法阶段”，其产生的轴力与材料刚度、摩擦系数以及尺寸相关；在门槛扭矩TT至合力扭矩(Resultant Torque)TR之间通常称为“角度法阶段”，其产生的轴力与材料刚度以及尺寸相关，换言之，在“角度法阶段”摩擦系数的作用不明显。
由此可见，通过扭矩来控制预紧力在很大程度上会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限性，摩擦系数无法实现很好的控制，这样会使得在实际生产中螺栓拧紧后的预紧力出现较大偏差，同时，门槛扭矩(Threshold Torque)越大，摩擦产生的影响越大。
关于贴合点PS：螺栓在刚开始拧紧时，并未提供预紧力，仅需要以较小的扭矩克服摩擦力旋入。旋入的过程中，对手件的配合面之间的间隙逐渐被消除，直到某一点，配合面完全贴合，这一点称为贴合点PS。如图1所示，在此横纵坐标中，横坐标为角度A，纵坐标为扭矩T，贴合点PS位于螺栓拧紧曲线上，且贴合点PS是根据统计学分布分析计算得出的。螺栓在拧紧过程中，一旦拧紧力矩大于等于贴合点PS，拉伸扭矩T与旋转角度A成理论线性关系，斜率为K。
下面将结合附图对本发明作进一步说明。基于上述概念的描述，为了尽可能减小在扭矩拧紧法的初始阶段摩擦系数等差异造成的离散影响，换言之，即为了最大限度地减小门槛扭矩TT的影响，利用自动拧紧设备的计算、分析功能，发明出了一种新型的螺栓拧紧方法——贴合点法(Snug Point Method，简称SG法)。
请参见图2，其为根据本发明的贴合点法的螺栓拧紧曲线的示意图。首先建立横纵坐标，横坐标为旋转角度A，纵坐标为扭矩T。在横纵坐标中根据同一螺栓的拧紧场景中大量的拧紧数据，运用统计学分布及回归计算分析，并根据实际拧紧过程的角度及扭矩变化绘制螺栓拧紧曲线。由于贴合点PS代表螺栓在旋入的过程中配合面完全贴合的位置，因此贴合点PS一定位于螺栓拧紧曲线上。根据统计学分布分析计算得出贴合点PS后在螺栓拧紧曲线上确定贴合点PS。
此外，根据同一螺栓的拧紧场景中大量的拧紧数据，由于螺栓在拉伸后进入弹性拉伸(Elastic Clamping)区间内时，从此开始理论线性拉伸，运用统计学计算得出拉伸扭矩T与旋转角度A的线性斜率值TSLOPE。
在所述纵坐标上分别取起点扭矩值TcMin和终点扭矩值TcMax，其中起点扭矩值TcMin小于贴合点PS处所对应的扭矩值，终点扭矩值TcMax大于贴合点PS处所对应的扭矩值。其中，起点扭矩值TcMin和终点扭矩值TcMax用作计算机步骤分析计算的起止点。而且，起点扭矩值TcMin和终点扭矩值TcMax通常依据螺栓的弹性变形区范围以及目标预紧力值的大小来确定，换言之，起点扭矩值TcMin和终点扭矩值TcMax均需落在弹性拉伸区间内，并且尽可能地接近弹性拉伸区间的起始点。
螺栓开始拧紧后，当实际扭矩值大于起点扭矩值TcMin后，计算机开始计算连续等距的Delta A角度内的平均斜率，并将这些平均斜率同线性斜率值TSLOPE进行比对。一旦两个连续Delta A角度内的平均斜率大于线性斜率值TSLOPE，即判定两个连续Delta A角度的起始值为贴合点PS，以贴合点为起点，完整的拧紧一个ASG角度，同时记录最终扭矩值，完成整个螺栓拧紧过程。其中，ASG角度类似于扭矩+角度法中“角度法阶段”所控制的部分，其是根据试验以及数据分布分析得出的。
需要说明的是，螺栓的实际扭矩值在到达终点扭矩值TcMax之前，如果一直未出现大于线性斜率值TSLOPE的两个连续Delta A角度内的平均斜率，则判定拧紧不合格，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败，该最终扭矩值不得计入统计学分布。反之，如上文所描述的那样，如果出现了大于TSLOPE的两个连续Delta A角度内的平均斜率，则判定拧紧合格，该最终扭矩值可计入统计学分布。
基于一定量的拧紧数据，对最终合格的扭矩数值进行统计学分布分析，设定合理的拧紧最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值超出阈值范围，即可判定拧紧不合格，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明减小了门槛扭矩，增大了最终角度，提升了预紧力的稳定性。虽然没有完全消除门槛扭矩，但是对于存在压缩弹簧等软联结的螺栓拧紧情况，初始压缩弹簧或者压缩贴合软接触面的过程中，力矩波动较大，无法准确进行理论线性拉伸直线回归的拧紧情况，本发明非常适用。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种螺栓拧紧方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
(2)在螺栓拉伸后进入弹性拉伸区间时，得出扭矩与角度的线性斜率值；
(3)在所述纵坐标上分别取起点扭矩值和终点扭矩值，所述起点扭矩值小于贴合点处所对应的扭矩值，所述终点扭矩值大于贴合点处所对应的扭矩值；
(4)螺栓开始拧紧后，当实际扭矩值大于起点扭矩值后，开始计算连续等距的Delta A角度内的平均斜率，并将这些平均斜率同线性斜率值进行比对，一旦出现两个连续Delta A角度内的平均斜率均大于所述线性斜率值，则以两个连续Delta A角度的起始值为起点，完整的拧紧一个ASG角度，同时记录最终扭矩值；
(5)基于预定试验次数的拧紧数据，将最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
2.根据权利要求1所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，在步骤(4)中，如果螺栓的实际扭矩值在到达终点扭矩值之前，一直未出现大于所述线性斜率值的两个连续Delta A角度内的平均斜率，则判定拧紧不合格，该最终扭矩值不得计入统计。
3.根据权利要求2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，在步骤(4)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
4.根据权利要求1所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，在步骤(5)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述起点扭矩值和终点扭矩值用作分析计算的起止点。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述起点扭矩值依据螺栓的弹性变形区范围以及目标预紧力值来确定。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述终点扭矩值依据螺栓的弹性变形区范围以及目标预紧力值来确定。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述起点扭矩值和终点扭矩值均需落在弹性拉伸区间内。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述ASG角度依据试验以及螺栓拧紧数据分布分析得出。
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