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螺栓拧紧过程与轴力衰减

发表时间:2020-4-14 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:2360

一、拧紧过程

对于理解拧紧过程的最核心一句话,就是“扭矩的目是达到想要的轴力”我们将螺栓想象成一个弹簧,施加扭矩时,弹簧被拉紧,产生一定的夹紧力,这就是整个拧紧过程最直观的介绍,对于螺纹联接,看似简单,许多人认为只要有扳手,把螺栓拧紧不就行了吗?其实,从微观上看,一个螺栓连接副至少存有以下力的作用:

在拧紧过程中,如果拧的力过高,容易破坏连接件,使连接件超过屈服极限,处于被拉伸的状态,易断裂;如果拧的力过低,又达不到想要的轴力效果,容易松动。我们再深入的观察整个拧紧过程中的力的变化情况,可以分为以下几个阶段:

1、开始拧紧时,由于螺栓的底面未贴合,因此压紧力F为零;但由于存在摩擦力,因此扭矩T保持在一个很小的数值。
2、当贴合后,真正的拧紧才开始,压紧力F和扭矩T随着转角A的增加而迅速上升
3、达到屈服点,螺栓开始塑性变形,转角增大,但压紧力和扭矩增大速率减慢
4、再继续拧紧,扭矩T和压紧力F下降,直至螺栓断裂

二、轴力衰减

很多实物质量工程师与螺栓拧紧的交集,集中于两种失效模式:
1.螺栓松脱
2.螺栓断裂

对于第一种,分析原因的责任人通常会被安排到质量人员身上,本文重点关注该内容。对于第二种,可能直接交给供方分析或工艺分析,本文不涉及该部分。在螺栓松脱分析过程中,大部分人会采用鱼骨图的形式进行分析,如下:

在制定整改措施时,从人、法上考虑占有很大一部分,而对螺栓连接副设计上的失误,因为获取这方面的理论知识较难,对其根本原因的分析和制定整改措施会较少,因此,本模块内容就集中这一个部分。

一般来说,五个主要设计因素导致轴力衰减:

1、微观变形

当螺栓首次拧紧时,以下五个接触面上的微小凸起,因为紧固的原因,凸点金属部分发生过载,超过屈服强度,发生变形,从另一方面来说,连接副的形位公差也容易导致部分材料的塑形流动问题,引发微观变形。

随着凸起的塌陷,接触面增加,轴力也会逐步趋于稳定,不再继续衰减。一般情况下,微观变形产生的损失占原轴力的5%~10%,衰减时间1min内。

以下常见的解决思路:
多次拧紧(但容易损失有效轴力值)
增加材料硬度
提升螺纹公差等级
降低接触面粗糙度(优先选择降低螺栓头下承面的粗糙度,降低连接件的粗糙度的效果较弱)
去除垫片或螺母(增加一个连接件,就会增加一对微观变形的风险)

以下是被大多数人忽视的因素:
螺栓头承面下部的圆滑过渡,与螺栓孔倒角干涉,引发塌陷!

2、螺栓组的相互影响

当拧紧第一个螺栓时,螺栓伸长,连接副的附近区域被压缩。再拧紧第二个相邻螺栓,导致第一个螺栓连接副的区域被进一步压缩,造成第一个螺栓的轴力松弛。以下常见的解决思路:同步多次拧紧。

3、衬垫的蠕变

如上图所示,是常见的排气管垫片(图中是网格模型),这种垫片的蠕变特点是发生的时间较短,与微观变形类似,变形存有滞后的现象,尤其表现再加载与卸载曲线上。因此,精确的拧紧工艺对有衬垫的螺栓连接副是极为重要的。

4、各金属部件的蠕变

事实上,对于一般螺栓而言,金属部件的蠕变是可以忽略的,但有一种情况除外:高温螺栓。该方面属于专业螺栓方向,我无能为力。

5、扭转力矩的松弛

在拧紧螺栓的过程中,除了产生所需的轴力应力外,还在螺栓中产生扭转应力。扭转应力可以改变轴力衰减的程度,一般情况下扭转应力在卸除扳手后立刻消失,但实际上扭转应力的松弛会引发额外的拉伸应力,这种现象叫自紧现象
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