CN113758626B - 一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法，包括获取拧紧过程曲线及试验数据；截取近线性段试验数据绘制散点图；比较转动角度‑扭矩和转动角度‑预紧力散点图可决系数r2，选r2大的一组线性段试验数据，计算线性段直线方程；分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值为贴合扭矩；获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值为转角。根据实际使用的扭矩法拧紧试验数据，无需重复的试验数据迭代计算，精准、有效制定扭矩转角法的贴合扭矩和转角，提高螺栓连接装配质量；针对扭矩转角法，提出转角分段式拧紧方法，提高螺栓连接预紧力一致性。

Description

一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法
技术领域
本发明涉及紧固件装配技术领域，尤其涉及一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法。
背景技术
拧紧工艺和拧紧方法是制造行业的核心技术之一，主要是指将两个或多个部件通过螺栓连接在一起，并具备一定的预紧力。目前，工程机械行业通常采用扭矩法拧紧方式，即采用拧紧工具将螺栓直接拧紧至目标扭矩，采用该拧紧方式拧紧螺栓时，大部分扭矩转化为螺栓的摩擦力，而非螺栓连接的预紧力，致使工程机械产品螺栓连接可靠性受到影响。
扭矩转角法是目前大多采用的一种高精度的螺栓拧紧工艺，采用扭矩转角法拧紧螺栓时，首先对螺栓连接副施加一个贴合扭矩，使螺栓连接副充分相互接触，然后再将螺栓旋转一定的角度，从而完成螺栓拧紧。与扭矩法相比，其优点是螺栓拧紧后其预紧力散差较小，精度高。目前，尚无关于制定扭矩转角法拧紧方法的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法，在螺栓弹性范围内，根据实际使用的扭矩法拧紧试验数据，无需重复的试验数据迭代计算，精准、有效制定扭矩转角法的贴合扭矩和转角，提高螺栓连接装配质量；针对扭矩转角法，提出转角分段式拧紧方法，提高螺栓连接预紧力一致性。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法，包括：
获取拧紧过程曲线及试验数据；
根据获取的试验数据和拧紧过程曲线，截取近线性段试验数据，绘制散点图；
比较转动角度-扭矩和转动角度-预紧力散点图可决系数r2，选取r2大的一组线性段试验数据，计算线性段直线方程；
根据获取的拧紧过程曲线、试验数据和线性段直线方程，分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值即为贴合扭矩；
根据试验数据，获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值即为转角。
进一步地，获取拧紧过程曲线及试验数据的方法包括：
模拟生产现场实际装配条件，所述装配条件包括试件和试验条件，所述试件包括螺栓、螺母及被连接件，所述试验条件包括螺纹胶、拧紧速度及拧紧扭矩；
模拟实际拧紧过程，定扭矩下拧紧螺栓，获取螺栓的拧紧过程曲线及试验数据。
进一步地，获取螺栓的拧紧过程曲线的方法包括：
以扭矩法进行拧紧试验，采用扭矩-力-角度复合传感器及数据处理系统，直接采集试验数据并生成以转动角度为横坐标，拧紧扭矩和预紧力为纵坐标的拧紧过程曲线。
进一步地，所述线性段直线方程的公式如下：
Figure BDA0003214683970000021
或/>
Figure BDA0003214683970000022
其中，F为预紧力计算值；T为扭矩计算值；
Figure BDA0003214683970000023
为直线方程斜率均值；θ为转动转角；C为线性方程截距。
进一步地，分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值即为贴合扭矩的方法包括：
根据获取的拧紧过程曲线、试验数据和线性方程，计算临界点附近试验数据的计算值与测量值误差，公式如下：
δ＝(F-F0)/F0或δ＝(T-T0)/T0
取临界点附近若干个试验数据进行误差计算，取误差最小的一点确定为临界点，获取该点坐标：
A1(FL，θL)或A2(TL，θL)
其中，δ为误差，F为预紧力计算值，F0为预紧力测量值，T为扭矩计算值，T0为扭矩测量值，FL为临界点对应的预紧力值，θL为临界点对应的转动角度，TL为临界点对应的扭矩值；
若拧紧工具的拧紧能力没有达到使用范围上限，拧紧能力尚有提升空间，则贴合扭矩取所有试验螺栓临界点对应的扭矩的算术平均值；
若拧紧工具的拧紧能力几乎达到使用范围上限，拧紧能力无提升空间，则贴合扭矩取拧紧试验中预紧力最小的一组试验数据中螺栓临界点对应的扭矩值。
进一步地，根据试验数据，获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值即为转角值的方法包括：
若拧紧工具的拧紧能力没有达到使用范围上限，拧紧能力尚有提升空间，则转角取所有试验螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度差值的算术平均值；
若拧紧工具的拧紧能力几乎达到使用范围上限，拧紧能力无提升空间，则转角取拧紧试验中预紧力最小的一组试验数据中螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度与该组试验数据中临界点对应的转动角度的差值。
进一步地，根据获取的试验数据和拧紧过程曲线，截取曲线斜率恒定的线性段试验数据，采用EXCEL绘制散点图。
进一步地，根据散点图，通过EXCEL的趋势线预测功能，获取散点图可决系数r2。
本发明提供了一种螺栓扭矩转角法拧紧方法，其特征在于，包括：
采用上述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法；
将螺栓拧紧至贴合扭矩后；
再将螺栓转角按照一定的比例关系进行分段拧紧。
进一步地，将螺栓转角按照一定的比例关系进行分段拧紧的方法包括：
先将螺栓拧紧转角Angle1，停止拧紧暂停设定时间后；
将螺栓拧紧转角Angle2，转角分段的比例关系为：
Angle1：Angle2＝1～1.8。
本发明的有益效果如下：
在弹性范围内，依据实际使用的扭矩法拧紧螺栓，采集试验数据，通过分析处理实际拧紧过程曲线及试验数据来确定拧紧工艺参数，更贴合生产现场实际情况，确定的拧紧参数更精准、有效；
通过试验及数据分析处理的方式确定装配条件下的螺栓拧紧贴合扭矩和转角值，无需重复迭代计算及预设任何参数，方法流程简便、快捷；
提出的拧紧方法在最终拧紧扭矩一定的情况下，可获得更高的预紧力，且预紧力一致性好；
依据现有拧紧工具进行分析，无需添加设备投入。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种螺栓连接扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定及螺栓拧紧方法，在螺栓弹性范围内，根据实际使用的扭矩法拧紧试验数据，无需重复的试验数据迭代计算，确定扭矩转角法的加载参数，包括如下步骤：
S10模拟生产现场实际装配情况拧紧螺栓，获取拧紧过程曲线及试验数据；
S20截取近线性段试验数据，绘制散点图，比较转动角度-扭矩和转动角度-预紧力散点图可决系数r2，选取r2大的一组线性段试验数据，计算线性段直线方程；
S30根据S10获取的拧紧过程曲线及试验数据和S20获取的线性方程，分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值即为贴合扭矩；
S40根据试验数据，获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值即为转角值。
进一步地，所述步骤S10包括如下步骤：
S11模拟生产现场实际装配条件，所述试件包括螺栓、螺母及被连接件，所述试验条件包括螺纹胶、拧紧速度及拧紧扭矩；
S12模拟实际拧紧过程，定扭矩下拧紧螺栓，获取螺栓的拧紧过程曲线及试验数据；
S13统计分析拧紧预紧力范围，即目标预紧力范围；
S14至少采集5个螺栓的拧紧过程曲线及试验数据。
进一步地，所述步骤S20包括如下步骤：
S21根据获取的试验数据和拧紧过程曲线，截取曲线斜率恒定的线性段试验数据，采用EXCEL绘制散点图；
S22根据散点图，通过EXCEL的趋势线预测功能，获取散点图可决系数r2，比较转动角度-扭矩和转动角度-预紧力散点图的可决系数r2；
S23根据可决系数r2大的散点图对应的线性段试验数据，计算线性段直线方程。
预紧力或扭矩的线性方程为：
Figure BDA0003214683970000041
或/>
Figure BDA0003214683970000042
其中，F为预紧力，T为扭矩，
Figure BDA0003214683970000043
为直线方程斜率均值，θ为转动转角，C为线性方程截距。
弹性范围内，近直性段直线的K＝ΔF/Δθ斜率为：或K＝ΔT/Δθ
其中ΔF为预紧力的变化量，ΔT为扭矩的变化量，Δθ为转动角度的变化量，在直线段试验数据中均匀选取n个点(n≥5)，计算斜率均值
Figure BDA0003214683970000044
Figure BDA0003214683970000045
或/>
Figure BDA0003214683970000046
选取任意一点线性段试验数据，代入式(1)，获取线性方程截距C。
进一步地，所述步骤S30分为如下步骤：
S31根据获取的拧紧过程曲线，辨别预紧力/扭矩转折点位置，根据线性方程(1)，计算临界点附近试验数据的计算值与测量值误差，至少取临界点附近5个试验数据进行误差计算，取误差最小的一点确定为临界点，获取该点坐标A1(FL，θL)或A2(TL，θL)；
δ＝(F-F0)/F0或δ＝(T-T0)/T0
其中，δ为误差，F为根据式(1)的预紧力计算值，F0为预紧力测量值，T为根据式(1)的扭矩计算值，T0为扭矩测量值，FL为临界点对应的预紧力值，θL为临界点对应的转动角度，TL为临界点对应的扭矩值。
S32若拧紧工具现用的拧紧能力小于使用范围上限的90％(该百分比率可根据用户的实际情况/拧紧工具使用要求进行调整，在此不做限定，下同)，则取所有试验螺栓临界点对应的扭矩的算术平均值圆整后即为贴合扭矩；
若拧紧工具现用的拧紧能力大于等于使用范围上限的90％，则取拧紧试验中预紧力最小的一组试验数据中螺栓临界点对应的扭矩值圆整后即为贴合扭矩。
T贴合＝TL或A1(FL，θL)点对应的转动角度-扭矩拧紧曲线上的扭矩值
进一步地，所述步骤S40分为如下情况：
若拧紧工具现用的拧紧能力小于使用范围上限的90％，则转角取所有试验螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度θZ与临界点对应的转动角度差值的算术平均值圆整后即为转角值；
若拧紧工具现用的拧紧能力大于等于使用范围上限的90％，则转角取拧紧试验中预紧力最小的一组螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度θZ与该组试验数据中临界点对应的转动角度差值圆整后即为转角值。
Angle＝θZ-θL
本申请方法提出一种扭矩转角法拧紧方法，其特征在于对于螺栓的拧紧处理方式为：螺栓拧紧至贴合扭矩后，将转角按照一定的比例关系进行分段拧紧，即先将螺栓拧紧转角Anglel，停止拧紧暂停2至3秒后，再次将螺栓拧紧转角Angle2。转角分段的比例关系为：
Angle1：Angle2＝1～1.8。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，包括：
获取拧紧过程曲线及试验数据；
根据获取的试验数据和拧紧过程曲线，截取近线性段试验数据，绘制散点图；
比较转动角度-扭矩和转动角度-预紧力散点图可决系数r2，选取r2大的一组线性段试验数据，计算线性段直线方程；
根据获取的拧紧过程曲线、试验数据和线性段直线方程，分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值即为贴合扭矩；
根据试验数据，获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值即为转角；
所述线性段直线方程的公式如下：
Figure QLYQS_1
或/>
Figure QLYQS_2
其中，F为预紧力计算值；T为扭矩计算值；
Figure QLYQS_3
为直线方程斜率均值；θ为转动转角；C为线性段直线方程截距；
分析扭矩/预紧力拧紧过程曲线中线性段、非线性段的临界点坐标，该临界点对应的扭矩值即为贴合扭矩的方法包括：
根据获取的拧紧过程曲线、试验数据和线性段直线方程，计算临界点附近试验数据的计算值与测量值误差，公式如下：
Figure QLYQS_4
或/>
Figure QLYQS_5
取临界点附近若干个试验数据进行误差计算，取误差最小的一点确定为临界点，获取该点坐标：
A1（FL，θL）或A2（TL，θL）
其中，δ为误差，F为预紧力计算值，F0为预紧力测量值，T为扭矩计算值，T0为扭矩测量值，FL为临界点对应的预紧力值，θL为临界点对应的转动角度，TL为临界点对应的扭矩值；
若拧紧工具的拧紧能力没有达到使用范围上限，拧紧能力尚有提升空间，则贴合扭矩取所有试验螺栓临界点对应的扭矩的算术平均值；
若拧紧工具的拧紧能力几乎达到使用范围上限，拧紧能力无提升空间，则贴合扭矩取拧紧试验中预紧力最小的一组试验数据中螺栓临界点对应的扭矩值。
2.根据权利要求1所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，获取拧紧过程曲线及试验数据的方法包括：
模拟生产现场实际装配条件，所述装配条件包括试件和试验条件，所述试件包括螺栓、螺母及被连接件，所述试验条件包括螺纹胶、拧紧速度及拧紧扭矩；
模拟实际拧紧过程，定扭矩下拧紧螺栓，获取螺栓的拧紧过程曲线及试验数据。
3.根据权利要求2所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，获取螺栓的拧紧过程曲线的方法包括：
以扭矩法进行拧紧试验，采用扭矩-力-角度复合传感器及数据处理系统，直接采集试验数据并生成以转动角度为横坐标，拧紧扭矩和预紧力为纵坐标的拧紧过程曲线。
4.根据权利要求1所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，根据试验数据，获取扭矩/预紧力最大值对应的坐标，最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度做差，差值即为转角的方法包括：
若拧紧工具的拧紧能力没有达到使用范围上限，拧紧能力尚有提升空间，则转角取所有试验螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度与临界点对应的转动角度差值的算术平均值；
若拧紧工具的拧紧能力几乎达到使用范围上限，拧紧能力无提升空间，则转角取拧紧试验中预紧力最小的一组试验数据中螺栓扭矩/预紧力最大值对应的转动角度与该组试验数据中临界点对应的转动角度的差值。
5.根据权利要求1所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，根据获取的试验数据和拧紧过程曲线，截取曲线斜率恒定的线性段试验数据，采用EXCEL绘制散点图。
6.根据权利要求1所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法，其特征在于，根据散点图，通过EXCEL的趋势线预测功能，获取散点图可决系数r2。
7.一种螺栓扭矩转角法拧紧方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1至6任一项所述的一种扭矩转角法拧紧工艺参数确定方法；
将螺栓拧紧至贴合扭矩后；
再将螺栓转角按照一定的比例关系进行分段拧紧。
8.根据权利要求7所述的一种螺栓扭矩转角法拧紧方法，其特征在于，将螺栓转角按照一定的比例关系进行分段拧紧的方法包括：
先将螺栓拧紧转角Angle1，停止拧紧暂停设定时间后；
将螺栓拧紧转角Angle2，转角分段的比例关系为：
Angle1：Angle2=1~1.8。
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