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    螺栓擰緊過程與軸力衰減

    發表時間:2020-4-14 9:31:55  作者:三圓  來源:三圓  瀏覽量:2360

    一、擰緊過程

    對于理解擰緊過程的最核心一句話,就是“扭矩的目是達到想要的軸力”我們將螺栓想象成一個彈簧,施加扭矩時,彈簧被拉緊,產生一定的夾緊力,這就是整個擰緊過程最直觀的介紹,對于螺紋聯接,看似簡單,許多人認為只要有扳手,把螺栓擰緊不就行了嗎?其實,從微觀上看,一個螺栓連接副至少存有以下力的作用:

    在擰緊過程中,如果擰的力過高,容易破壞連接件,使連接件超過屈服極限,處于被拉伸的狀態,易斷裂;如果擰的力過低,又達不到想要的軸力效果,容易松動。我們再深入的觀察整個擰緊過程中的力的變化情況,可以分為以下幾個階段:

    1、開始擰緊時,由于螺栓的底面未貼合,因此壓緊力F為零;但由于存在摩擦力,因此扭矩T保持在一個很小的數值。
    2、當貼合后,真正的擰緊才開始,壓緊力F和扭矩T隨著轉角A的增加而迅速上升
    3、達到屈服點,螺栓開始塑性變形,轉角增大,但壓緊力和扭矩增大速率減慢
    4、再繼續擰緊,扭矩T和壓緊力F下降,直至螺栓斷裂

    二、軸力衰減

    很多實物質量工程師與螺栓擰緊的交集,集中于兩種失效模式:
    1.螺栓松脫
    2.螺栓斷裂

    對于第一種,分析原因的責任人通常會被安排到質量人員身上,本文重點關注該內容。對于第二種,可能直接交給供方分析或工藝分析,本文不涉及該部分。在螺栓松脫分析過程中,大部分人會采用魚骨圖的形式進行分析,如下:

    在制定整改措施時,從人、法上考慮占有很大一部分,而對螺栓連接副設計上的失誤,因為獲取這方面的理論知識較難,對其根本原因的分析和制定整改措施會較少,因此,本模塊內容就集中這一個部分。

    一般來說,五個主要設計因素導致軸力衰減:

    1、微觀變形

    當螺栓首次擰緊時,以下五個接觸面上的微小凸起,因為緊固的原因,凸點金屬部分發生過載,超過屈服強度,發生變形,從另一方面來說,連接副的形位公差也容易導致部分材料的塑形流動問題,引發微觀變形。

    隨著凸起的塌陷,接觸面增加,軸力也會逐步趨于穩定,不再繼續衰減。一般情況下,微觀變形產生的損失占原軸力的5%~10%,衰減時間1min內。

    以下常見的解決思路:
    多次擰緊(但容易損失有效軸力值)
    增加材料硬度
    提升螺紋公差等級
    降低接觸面粗糙度(優先選擇降低螺栓頭下承面的粗糙度,降低連接件的粗糙度的效果較弱)
    去除墊片或螺母(增加一個連接件,就會增加一對微觀變形的風險)

    以下是被大多數人忽視的因素:
    螺栓頭承面下部的圓滑過渡,與螺栓孔倒角干涉,引發塌陷!

    2、螺栓組的相互影響

    當擰緊第一個螺栓時,螺栓伸長,連接副的附近區域被壓縮。再擰緊第二個相鄰螺栓,導致第一個螺栓連接副的區域被進一步壓縮,造成第一個螺栓的軸力松弛。以下常見的解決思路:同步多次擰緊。

    3、襯墊的蠕變

    如上圖所示,是常見的排氣管墊片(圖中是網格模型),這種墊片的蠕變特點是發生的時間較短,與微觀變形類似,變形存有滯后的現象,尤其表現再加載與卸載曲線上。因此,精確的擰緊工藝對有襯墊的螺栓連接副是極為重要的。

    4、各金屬部件的蠕變

    事實上,對于一般螺栓而言,金屬部件的蠕變是可以忽略的,但有一種情況除外:高溫螺栓。該方面屬于專業螺栓方向,我無能為力。

    5、扭轉力矩的松弛

    在擰緊螺栓的過程中,除了產生所需的軸力應力外,還在螺栓中產生扭轉應力。扭轉應力可以改變軸力衰減的程度,一般情況下扭轉應力在卸除扳手后立刻消失,但實際上扭轉應力的松弛會引發額外的拉伸應力,這種現象叫自緊現象
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