0.   引言

为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率，需要使用各种连接，随着科技进步，航空、航天等领域对机械产品中连接质量（如精度、可靠性、疲劳强度、耐用度等）的要求也越来越高^[1]。最常用的四种连接方式为螺纹连接、焊接、铆接以及粘胶连接，其中，螺纹连接可以获得很大的连接力，便于装拆，通过标准化易于实现大批量生产，而且成本低、价格便宜、具有互换性，因此在所有连接中应用最广^[2]。

螺纹连接结构在惯性器件中应用非常普遍，其装配质量直接影响着惯性器件的稳定性和可靠性。研究表明，螺纹连接装配出现质量问题的主要原因在于没能产生或一直保持合适的预紧力^[2-5]。在拧紧装配过程中，若预紧力过高，可能会引起螺纹连接处的应力过大，导致被连接件发生塑性变形，从而严重影响惯性产品的精度；若预紧力过低，可能会产生松动问题，轻则使得惯性产品无法正常工作，重则造成惯性产品损坏。

惯性器件螺纹连接装配的主要特点是尺寸小、精度要求高。目前，针对小尺寸螺纹连接的研究较少，一方面因为人们对小尺寸螺纹连接影响装配质量重要性的认识不够，另一方面因为在小尺寸螺钉拧紧过程中测量难点较多，可使用的测试方法及设备较少。

本文研制了一套小尺寸螺钉拧紧预紧力测试装置，通过模拟真实的连接件、被连接件及紧固件的使用状态，从拧紧方法和分步拧紧两个方面进行对比实验，进一步优化惯性器件拧紧策略，改进拧紧工艺水平，提高螺纹连接装配质量。

1.   拧紧测量实验系统

1.1   自动拧紧系统

拧紧工具作为产品组装的重要工具之一，对产品的装配质量及装配效率影响很大。目前拧紧工具种类繁多，工具分类形式没有统一规范，按使用方式可以分为手持式和固定式；按动力源不同可以分为人力、气动、液压和电动式。为满足惯性器件拧紧工艺参数的高可靠性和稳定性，实现扭矩和转角的精确测量和控制，本文使用Deprag电动伺服控制拧紧装配工具系统。该系统内置扭矩和转角传感器，基于伺服控制技术，角度精度控制在±1°/360°，扭矩精度控制在相对标准偏差<1%，在扭矩允许公差范围为 ±5%的情况下，实现Cmk≥1.67（Cmk值为1.67， 代表每百万颗螺钉仅有0.6 次的失效率，即扭矩合格率 99.99994%），符合ISO 5393及6Sigma规范。

1.2   预紧力测量装置

目前，通常利用超声波、螺钉贴应变片和压力垫圈传感器测量预紧力。在不对拧紧工具进行特殊改制的基础上，利用超声波测量预紧力只能在螺钉拧紧结束后，测量螺钉的最终预紧力，不易于开展拧紧工艺研究，更适用于工程应用。利用螺钉贴应变片测量预紧力，需要螺钉提供粘贴应变片的空间，但小尺寸螺钉本身体积已经很小，难以提供这样的空间。利用压力垫圈传感器测量预紧力时，螺钉穿过传感器，拧紧后可以夹紧压力垫圈，从而测量轴向预紧力，目前这种适用于小尺寸螺钉的传感器较少，且易受到偏心及被连接件表面质量的影响。

本文改变了通过传感器受到的压力来测量预紧力的传统方式，将预紧力转化为传感器受到的拉力进行测量，从一定程度上摆脱了传感器对螺钉大小的使用限制，可以进行更小尺寸的螺纹连接实验。

预紧力测量装置结构如图1所示，由套筒、拉压力传感器、底座、端盖、实验样件等组成，其中，实验样件为螺纹孔试件、通孔垫板和螺钉，利用该装置测量预紧力的关键是螺纹孔试件与端盖之间需要预留适当的微小间隙。预紧力测量装置实物图如图2所示。该装置适用螺钉范围为M2 ~ M5，螺钉长度测试范围8～18 mm，预紧力测量传感器选用的是Kistler 9365B，其测量范围为0～2 kN和0～20 kN，可根据实际使用范围进行更换，该传感器的阈值<0.02N，线性度≤±0.3%，滞后≤0.5%。

图  1  预紧力测量装置结构图

Figure  1.  Schematic diagram of preload measuring device

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图  2  预紧力测量装置实物图

Figure  2.  Physical drawing of preload measuring device

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2.   拧紧方法原理

螺纹连接最终目的是使得螺纹连接件内部产生可靠的预紧力。通常情况下，预紧力不易直接测量和控制，只能进行间接控制，因此不同的预紧力间接控制方法对应不同的拧紧方法。

综合考虑拧紧设备条件、产品装配特性等因素，本文选取扭矩法和扭矩转角法这两种拧紧策略进行工艺优化分析。

2.1   扭矩法

扭矩法是最传统和广泛使用的一种螺纹拧紧方法，基本原理如式(1)所示，在拧紧过程中通过控制拧紧扭矩间接控制预紧力。

式中，T表示拧紧扭矩；K表示扭矩系数；d表示螺纹公称直径；F表示螺纹连接零件轴向预紧力。

扭矩系数K直接影响扭矩与预紧力之间的映射关系，其表达式可通过力学模型推导得到，如式(2)所示。

式中，$\alpha '$表示牙侧角；p表示螺距；${{d}}_{\text{t}}$表示螺纹面等效摩擦直径；${{d}}_{\text{b}}$ 表示支撑面等效摩擦直径；$\mu _{\text{t}}$表示螺纹面摩擦系数；$\mu_{\text{b}}$ 表示支撑面摩擦系数。

根据式(2)，可看出K表达式中一些参数不便实际测量得到。因此，在工程应用中K一般依据经验来确定数值，但在实际拧紧过程中，K并不是一个常数，螺纹加工质量、润滑条件、拧紧速度等各类拧紧过程中的变化量都会导致扭矩系数K产生改变，从而影响扭矩法对预紧力的控制精度。

2.2   扭矩转角法

为了完善扭矩法中的不足，扭矩转角法在扭矩法的基础上，引入了转角控制。

以螺栓-螺母连接为例，螺母在拧紧过程中的相对位移量s可表示如式(3)。

式中，p表示螺纹螺距；$\theta$表示转过角度，单位 °。

将螺母的位移视为刚性约束，限制螺栓的位移，此时螺栓将伸长，但实际上被连接件会产生压缩变形量，不能刚性约束螺母的位移。因此，将被连接件完全贴紧作为位移的起始点，螺母的相对位移量s由螺栓的伸长量${\delta _{\text{b}}}$和被连接件的压缩量${\delta _{\text{c}}}$两部分构成。

当拧紧螺母时，一边拉伸螺栓，一边压缩被连接件，相当于两个弹簧串联，则弹簧串联的系统刚度如式(5)。

由力学知识有：

式中，C_b表示螺栓刚度；C_c表示被连接件刚度；F表示预紧力。

当将C_b、C_c和螺距p视为常数时，式(6)表明预紧力F与转角θ成正比。但在实际拧紧过程中，很难判断被连接件完全贴紧时的状态，即转角θ的起点无法确定。因此，在实际工程应用中，会先使用某固定的初始扭矩（即门槛扭矩）将螺纹连接件拧紧，然后再拧过一定的角度θ，使得螺纹连接结构产生目标预紧力F。当螺纹连接结构的变形在一定的范围内时，其刚度是比较稳定的，这就是通常情况下扭矩转角法对预紧力的控制精度比扭矩法的控制精度高的原因，但门槛扭矩对预紧力的控制还是易受到摩擦系数、螺纹尺寸精度等不确定因素的干扰，因此，其选值对采用扭矩转角法时控制预紧力的精度有较大影响。

3.   拧紧方法对预紧力的影响

目前，惯性器件螺纹连接结构装配主要依靠人工手感和经验，也有部分关键工序引入扭矩法来保证拧紧质量。本节以扭矩法和扭矩转角法作为研究对象，并对拧紧后的预紧力进行了对比分析，设定的拧紧工艺条件见表1，具体拧紧策略见表2，其中，扭矩法的拧紧扭矩值为惯性器件工艺文件中规定的数值，扭矩转角法的门槛扭矩和转角的数值选取依据门槛扭矩要处于拧紧曲线的直线段上和拧紧达到目标预紧力范围这两点要求^[6-7]。

表  1  实验工艺条件

Table  1.  Experimental process conditions

类型	工艺条件及参数
螺钉规格	M2粗牙钛合金螺钉
有无弹垫及平垫	无
拧紧接触面粗糙度	Ra3.2
润滑条件	无润滑
拧紧速度	112 r/min

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表  2  拧紧策略

Table  2.  Tightening strategies

控制方法	拧紧工艺步骤
扭矩法（T35）	施加拧紧扭矩至0.35N·m
扭矩转角法（T15+A36）	施加拧紧扭矩至0.15N·m， 再施加角度至36°

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在实际拧紧作业时，会出现反复拆卸的情况，为了探究拆卸对预紧力的影响，对实验件进行5次重复实验，并记录每次拧紧完成后的预紧力数值。

实验结果如图3所示，无论采用何种拧紧方法，均存在第2次拧紧预紧力升高的情况，可能是由于第1次拧紧完成后，出现“跑合”状态，去除了接触表面的毛刺、凹凸不平等加工缺陷，但随着拧紧次数的增加，各个接触面的磨损进一步加剧，摩擦系数增加，从而使得相同扭矩情况下，只能得到更小的预紧力；第5次拧紧后，采用扭矩法（T35）和扭矩转角法（T15+A36）所需的预紧力相对第1次拧紧分别减少了29.70%、23.19%，具体各次的预紧力变化率见表3所示。

图  3  不同拧紧方法预紧力数值对比

Figure  3.  Comparison of preload values for different tightening methods

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表  3  每次拧紧相对第一次拧紧时预紧力的变化率

Table  3.  Change rate of pre-tightening force of each tightening relative to the first tightening method system parameter

拧紧策略	第2次拧紧	第3次拧紧	第4次拧紧	第5次拧紧
扭矩法（T35）	6.73%	−8.44%	−20.96%	−29.70%
扭矩转角法 （T15+A36）	0.82%	−9.01%	−15.16%	−23.19%

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可以通过设定拧紧参数对预紧力数值进行设计和验证，预紧力的一致性是控制拧紧质量的关键。如图4所示，可以发现无论第几次拧紧，采用扭矩转角法（T15+A36）所需的预紧力标准差总比采用扭矩法（T35）的小，预紧力一致性更好。

图  4  不同拧紧方法预紧力标准差对比

Figure  4.  Comparison of standard deviations of preload for different tightening methods

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采用扭矩转角法（T15+A36）时，其门槛扭矩的选择对预紧力的控制精度有较大影响，分别选取0.09 N·m、0.12 N·m和0.25 N·m这3种门槛扭矩进行拧紧测试实验，具体拧紧策略见表4，实验结果如图5所示。结果表明采用扭矩转角法（T15+A36）时所需预紧力的标准差最小，预紧力一致性更好。

表  4  拧紧策略

Table  4.  Tightening strategies

控制方法	拧紧工艺步骤
扭矩转角法（T9+A42）	施加拧紧扭矩至0.09N·m，再施加角度至42°
扭矩转角法（T12+A40）	施加拧紧扭矩至0.12N·m，再施加角度至40°
扭矩转角法（T25+A16）	施加拧紧扭矩至0.25N·m，再施加角度至16°

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图  5  门槛扭矩对预紧力的影响

Figure  5.  Influence of threshold torque on preload

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由于各个拧紧策略的预紧力平均值不同，因此引入变异系数（即标准差与平均值的比值）对预紧力一致性进行评判，结果见表5。可以看出相比采用扭矩法，采用扭矩转角法时对预紧力的控制更加准确可靠，且门槛扭矩的数值会影响对预紧力的控制精度。

表  5  拧紧策略对预紧力一致性的影响

Table  5.  Influence of tightening strategies on consistency of pre-tightening force

拧紧策略	变异系数
扭矩法（T35）	11.46%
扭矩转角法（T9+A42）	6.01%
扭矩转角法（T12+A40）	5.52%
扭矩转角法（T15+A36）	4.28%
扭矩转角法（T25+A16）	9.24%

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4.   分步拧紧对预紧力的影响

在惯性器件的拧紧装配作业中，有时会用到分步拧紧这种工艺方法来控制拧紧质量，为了探究其在扭矩法和扭矩转角法中对预紧力的影响，分别制定了具体拧紧策略见表6，实验工艺条件与表1一致。

表  6  拧紧策略

Table  6.  Tightening strategies

控制方法	拧紧工艺步骤
扭矩法 （T15+T2*11）	先拧紧至0.15N·m，之后依次增加0.02N·m， 直至总扭矩为0.37N·m
扭矩转角法 （T15+A4*9）	先拧紧至0.15N·m，之后依次增加拧紧角度4°， 直至增加的总拧紧角度为36°

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对实验中每一步的预紧力增加值进行记录，实验结果如图6及图7所示。观察实验数据可发现，在分步拧紧阶段，以角度为分步的预紧力增量变化比扭矩为分步的预紧力增量变化更为稳定。

图  6  T15+T2*11分步拧紧预紧力数值

Figure  6.  T15+T2*11 stepwise tightening preload value

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图  7  T15+A4*9分步拧紧预紧力数值

Figure  7.  T15+A4*9 step by stepwise tightening preload value

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同样地，对实验结果进行变异系数的计算分析，见表7，可发现分步拧紧对保证预紧力一致性有较好的控制效果，而且角度分步比扭矩分步对预紧力的控制效果更好。

表  7  分步拧紧对预紧力一致性的影响

Table  7.  Influence of stepwise tightening on the consistency of preload

拧紧策略	变异系数
扭矩法（T15+T2*11）	7.24%
扭矩转角法（T15+A4*9）	3.72%

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5.   结论

研究螺纹拧紧技术、探索精确控制预紧力的装配工艺方法对提高拧紧质量，进而提升惯性器件的精度、合格率和稳定性具有重要意义，也是缩短我国装配工艺与国际先进水平差距的必经之路。本文针对TC4钛合金小尺寸螺钉进行了拧紧工艺实验，探索拧紧策略对预紧力的数值和一致性的影响，研究结论如下：采用扭矩转角法进行拧紧，预紧力的一致性比采用扭矩法可提高约7%；采用扭矩转角法时门槛扭矩的选取对预紧力的一致性有较大影响，门槛扭矩不是越大越好，也不是越小越好，而是存在一个最佳值，最佳值可通过拧紧实验来进行测试选取；重复使用螺钉时，需注意拧紧次数对预紧力的影响，建议进行拧紧实验验证后，在允许的预紧力范围内重复使用；分步拧紧可进一步优化采用扭矩法和扭矩转角法时对预紧力一致性的控制。