汽車(che)行業或工(gong)程機械(xie)行業為滿足(zu)大(da)規模、流水(shui)線的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產方(fang)式，通常交由各(ge)個分供(gong)方(fang)生(sheng)(sheng)產出(chu)子零(ling)件(jian)(jian)，再(zai)通過(guo)焊(han)接、 鉚接、粘接及螺栓(shuan)連接等方(fang)法將各(ge)個子零(ling)部(bu)件(jian)(jian)組裝的(de)(de)(de)方(fang)法 生(sheng)(sheng)產，其中(zhong)由于(yu)螺栓(shuan)連接設計簡單、零(ling)部(bu)件(jian)(jian)標準(zhun)化、裝配(pei)簡 單效(xiao)率高、可拆(chai)卸(xie)重裝的(de)(de)(de)特點，得(de)到最(zui)廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用。螺栓(shuan)連 接一(yi)般是通過(guo)預(yu)先設定扭矩(ju)進行擰(ning)緊控制(zhi)，由于(yu)受到法蘭 和螺紋(wen)副的(de)(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)，約 90%的(de)(de)(de)扭矩(ju)用于(yu)克服(fu)摩(mo)擦(ca)(ca)力(li)，在螺栓(shuan) 屈(qu)服(fu)點前螺栓(shuan)能(neng)產生(sheng)(sheng)很(hen)好的(de)(de)(de)張(zhang)力(li)夾緊工(gong)件(jian)(jian)，但擰(ning)緊螺栓(shuan)的(de)(de)(de) 力(li)并非設定的(de)(de)(de)越大(da)越好，如果擰(ning)緊時超過(guo)螺栓(shuan)的(de)(de)(de)屈(qu)服(fu)點， 可能(neng)產生(sheng)(sheng)塑(su)性變形(xing)甚至斷裂(lie)。因(yin)此在對關鍵(jian)零(ling)部(bu)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)裝配(pei) 擰(ning)緊時通過(guo)分析夾緊力(li)制(zhi)定可靠的(de)(de)(de)擰(ning)緊工(gong)藝(yi)才能(neng)確保連 接的(de)(de)(de)可靠性。

一、螺栓連接緊固的原理

在(zai)兩(liang)個(ge)部(bu)件(jian)連接處鉆孔，通過(guo)螺(luo)(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)連接起來(lai)，螺(luo)(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)在(zai) 擰緊過(guo)程中其(qi)實是通過(guo)擰緊力(li)對螺(luo)(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)進行軸向的(de)拉伸，到達(da)扭矩點后，利用螺(luo)(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)自(zi)有的(de)張力(li)把(ba)兩(liang)個(ge)零部(bu)件(jian)緊固起來(lai)。在(zai)相同(tong)的(de)條件(jian)下，增(zeng)加螺(luo)(luo)(luo)(luo)桿部(bu)位的(de)長度，可以(yi)使螺(luo)(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)更(geng)好的(de)伸長，以(yi)獲得更(geng)大的(de)夾緊力(li)。

需要注意在(zai)螺栓(shuan)彈性(xing)變(bian)形的范圍內(nei)，扭(niu)矩與夾緊力理論上呈線性(xing)關系。螺栓(shuan)的擰緊不能超(chao)過使用極(ji)限，如(ru)到達屈(qu)(qu)服點后，將喪失回彈的能力，產生塑性(xing)變(bian)形，甚至斷裂。隨著(zhu)螺栓(shuan)等級的增高(gao)(gao)，其抗(kang)拉強度也會(hui)增高(gao)(gao)，因此，應根據屈(qu)(qu)服的實(shi)際情(qing)況確(que)定(ding)螺栓(shuan)等級以(yi)(yi)及擰緊時所需要的扭(niu)矩，在(zai)發動機內(nei)的關鍵螺栓(shuan)，一般選用 12.9 級的螺栓(shuan)，以(yi)(yi)獲得 更(geng)高(gao)(gao)的抗(kang)拉強度。

使(shi)用如(ru)手動(dong)扭(niu)矩(ju)(ju)扳子、電(dian)動(dong)擰(ning)緊(jin)(jin)槍等能(neng)夠直接測(ce)量(liang)的(de)(de)出扭(niu)矩(ju)(ju)，但(dan)實(shi)際更(geng)需要關心的(de)(de)是夾緊(jin)(jin)力，夾緊(jin)(jin)力并不像施加的(de)(de)扭(niu)矩(ju)(ju)那么簡單，同一顆螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)擰(ning)緊(jin)(jin)過(guo)程中，產生塑性變形前(qian)，擰(ning)緊(jin)(jin)螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)使(shi)其旋(xuan)轉的(de)(de)越多，得(de)(de)到的(de)(de)扭(niu)矩(ju)(ju)越大。但(dan)是扭(niu)矩(ju)(ju)增加，夾緊(jin)(jin)力并不一定會隨線性增長，因為 90%的(de)(de)扭(niu)矩(ju)(ju)被螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)與法蘭摩(mo)擦(ca)(ca)以及螺(luo)(luo)(luo)紋(wen)副中的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)力給(gei)消耗掉，摩(mo)擦(ca)(ca)因素有較大的(de)(de)離(li)散性。舉兩(liang)個例子，比如(ru)一顆螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)的(de)(de)螺(luo)(luo)(luo)桿上有焊渣或螺(luo)(luo)(luo)紋(wen)損壞(huai)，擰(ning)緊(jin)(jin)到目(mu)標扭(niu)矩(ju)(ju)也許螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)并沒有擰(ning)到位(wei)；又如(ru)果在擰(ning)緊(jin)(jin)螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)前(qian)，在螺(luo)(luo)(luo)紋(wen)處涂油，相同扭(niu)矩(ju)(ju)下減少(shao)摩(mo)擦(ca)(ca)可以獲(huo)得(de)(de)更(geng)高的(de)(de)夾緊(jin)(jin)力。因此，更(geng)高的(de)(de)夾緊(jin)(jin)力要求，除了(le)前(qian)述的(de)(de)扭(niu)矩(ju)(ju)法擰(ning)緊(jin)(jin)，可以采用扭(niu)矩(ju)(ju)控(kong)制和角度(du)監(jian)控(kong)，或轉角法擰(ning)緊(jin)(jin)等高級(ji)擰(ning)緊(jin)(jin)工(gong)藝。

二、超聲波夾緊力測量方法

通過(guo)超(chao)聲波(bo)測(ce)量分析(xi)(xi)儀可(ke)(ke)以大(da)大(da)減化(hua)夾緊(jin)力測(ce)量分析(xi)(xi)的(de)流程(cheng)，測(ce)量設備由(you)脈沖發(fa)生(sheng)器、溫度傳(chuan)感器、測(ce)量分析(xi)(xi)軟件及超(chao)聲波(bo)拾(shi)取傳(chuan)感器和線纜等(deng)組(zu)成(cheng)，軸向(xiang)(xiang)載荷與(yu)螺(luo)栓(shuan)(shuan)擰(ning)緊(jin)時(shi)的(de)伸長量成(cheng)正比關系(xi)，利于(yu)超(chao)聲波(bo)在螺(luo)栓(shuan)(shuan)介(jie)質中沿軸力方向(xiang)(xiang)傳(chuan)播時(shi)間差，就可(ke)(ke)以依據軸向(xiang)(xiang)變形(xing)及其對應的(de)關系(xi)來測(ce)算夾緊(jin)力了，可(ke)(ke)大(da)大(da)提高(gao)測(ce)量精(jing)度，其主(zhu)要步驟為：

①確定螺(luo)栓預(yu)緊力與(yu)伸長量(liang)(liang)的關系：為減少變差(cha)，試(shi)驗的螺(luo)栓應與(yu)測量(liang)(liang)夾(jia)緊力時的螺(luo)栓來源于同一批次。將螺(luo)栓裝配在(zai)標(biao)定工裝上(shang)，設置(zhi)好螺(luo)栓等(deng)級、螺(luo)栓規格(ge)、總長度、夾(jia)持長度等(deng)信息后、施(shi)加扭(niu)矩(ju)過程中通(tong)過測量(liang)(liang)儀(yi)獲取預(yu)緊力與(yu)伸長量(liang)(liang)的關系，生成標(biao)定文(wen)件。

②螺(luo)栓(shuan)的(de)初始(shi)長(chang)度(du)標定：在(zai)(zai)測(ce)量(liang)夾緊(jin)力前，對準備(bei)分析的(de)螺(luo)栓(shuan)進行(xing)(xing)初始(shi)長(chang)度(du)標定，將聲(sheng)波(bo)拾取傳(chuan)感器貼在(zai)(zai)螺(luo)栓(shuan)頂部，使用測(ce)量(liang)儀進行(xing)(xing)初始(shi)長(chang)度(du)波(bo)紋的(de)拾取。

③夾緊(jin)力測量(liang)(liang)與分析：按照設定的(de)工藝裝配零件后擰緊(jin)螺(luo)栓，清潔樣品表面，將聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)拾取(qu)傳感(gan)器(qi)連接(jie)到螺(luo)栓貼片(pian)上，測量(liang)(liang)儀(yi)發射超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)信號(hao)，依據反射波(bo)(bo)紋(wen)和時(shi)間，結(jie)合螺(luo)栓的(de)初始長(chang)度，測算出螺(luo)栓在擰緊(jin)后的(de)伸長(chang)量(liang)(liang)，并依據標定文件的(de)關系最終確定夾緊(jin)力的(de)大小。

④夾緊力分(fen)(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)質(zhi)量控制：使用超聲波分(fen)(fen)析(xi)(xi)時(shi)，環境溫度(du)因(yin)保(bao)持在恒定狀態，螺(luo)栓的(de)(de)頂部(bu)和底部(bu)必(bi)須使用磨削加工等方式獲得(de)足夠的(de)(de)平(ping)行(xing)的(de)(de)光滑平(ping)面(mian)，以利于超聲波的(de)(de)反射，獲得(de)更(geng)精準(zhun)的(de)(de)結果。在研究時(shi)應使用更(geng)多的(de)(de)樣(yang)本(ben)進(jin)行(xing)測量，并對測量結果實時(shi)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，出現異常(chang)值時(shi)要采取多重驗(yan)證消除測量誤(wu)差，依據(ju)統(tong)計學原理，樣(yang)本(ben)量至少需要大于 30，數(shu)據(ju)將服(fu)從或近似服(fu)從正態分(fen)(fen)布。