拧紧技术及拧紧机

螺栓拧紧技术及拧紧机

螺栓拧紧在机械制造业中的应用非常广泛，机械制造中零部件的连接与装配，机械整体的装配等等，可以说几乎是都离不开螺栓拧紧。

第一节 螺栓拧紧的基本概念及拧紧的方法

任何机体均是由多种零件连接（即组装）起来的，而零件的连接有多种，采用螺栓连接就是其中最常用的一种，而欲采用螺栓连接就必须应用拧紧，因而这“拧紧”也就成了装配工作中应用得极为广泛的概念。

零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合，并为承受一定的动载荷，还需要两被连接体间具备足够的压紧力，以确保被连接零件的可靠连接和正常工作。这样就要求作为连接用的螺栓，在拧紧后要具有足够的轴向预紧力（即轴向拉应力）。然而这些力的施加，也都是依靠“拧紧”来实现的。因而，我们很有必要了解一些有关拧紧的基本概念。

一．螺栓拧紧的基本概念

1．拧紧过程中各量的变化

在螺栓拧紧时，总体的受力情况是，螺栓受拉，连接件受压；但在拧紧的整个过程中，受力的大小是不同的（见图1），大体上分为下述几个阶段：

屈服 F T ⑴在开始拧紧时，由于螺栓未靠

座，故压紧力F为零；但由于存在摩 断T 擦力，故扭矩T保持在一个较小的数 裂 值 。

F ⑵当靠座后(Z点)，真正的拧紧 A 才开始，压紧力F和拧矩T随转角A Z 图 1

的增加而迅速上升。

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⑶达到屈服点，螺栓开始朔性变形，转角增加较大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。

⑷再继续拧紧，力矩T和压紧力F下降，直至螺栓产生断裂。 2．力矩率

力矩率R所表示的是力矩增量△T对转角△A的比值（见图2），即： R＝△T /△A （1）

T T

ΔT

ΔA

A A

图 3 图 2

硬性连接的R值高，软性连接的R值低。R值与螺栓的长度、连接中各件之间的摩擦以及连接件垫圈的弹性有关。摩擦系数的变化，是影响力矩率的主要因素。此外，再加上垫圈、密封垫片等引起的弹性变化，装配线上同样螺纹连接之间的力矩率变化可能超过百分之百，这样，力矩/转角的曲线就可能落在图3斜线中的任何位置。 3．摩擦与力矩对压紧力的影响

F μ=0 μ=0.1 从图4中可见，同一力矩T值，

μ=0.2 而由于摩擦系数μ值的不同，压紧力

μ=0.3

F可能相差很大。所以，摩擦系数μ

μ=0.4 对压紧力F的影响是非常大的。这里

μ=0.5 的摩擦系数主要是指螺纹接触面、螺

栓与被连接件支撑面间的摩擦系数。 T 图 4 二． 螺栓拧紧的方法

拧紧，实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力（即轴向拉应力）。而不论是两被连

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接体间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，也就很难予以直接控制，因而，人们采取了下述几种方法予以间接控制。 1.扭矩控制法（T）：

扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值Tc时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的拧紧扭矩T成正比的关系。它们之间的关系可用：

T ＝ K F （2）

来表示。其中K为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力Fμ来决定。在实际应用中，K值的大小常用下列公式计算：

K=0.161p+0.585μd2+0.25μ(De+Di) （3）

其中: p为螺纹的螺距；μ为综合摩擦系数 ；d2为螺纹的中径；

De为支承面的有效外径；Di为支承面的内径

螺栓和工件设计完成后，p、d2、De、Di均为确定值，而μ值随加工情况的不同而不同。所以，在拧紧时主要影响K值波动的因素是综合摩擦系数μ。

有试验证明，一般情况下，K值大约在0.2－0.4之间，然而，有的甚至可能在0.1－0.5之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大（摩擦系数μ对螺栓轴向预紧力的影响参见图4 ）。

另外，由于连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法的不同，对扭矩系数K也有很大的影响。

对于上述各方面因素对扭矩系数K的影响，为给大家一个较为明确的印象，下面把德国工程师协会（VDI）拧紧试验报告列于表1；

分析表1可知，当拧紧扭矩T的误差为±0％时，螺栓轴向预紧力的误差最大可以达到±27.2％，因此，试图用扭矩控制法来保证高精度的螺栓拧紧是不现实的想法。

此外，由于测量方法的不同，测量时环境温度的不同等，对扭矩系数K也有很大的影响，从而更加增大了F的离散度。日本住友金属工业公司通过试验说明了环境温度每增加1℃，其扭矩系数K就下降0.31%。

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表1 不同扭矩系数值对F与T的精度的影响 被 连 接 零 件 材 料 表面状态 支承面 螺栓摩摩擦系数 μa 擦系数 拧 紧 扭 矩 精 度（±％） 0 3 5 10 20 μf 0.15 0.15 预 紧 力 精 度（±％） 钢37K（AISI016） 端铣削 σ=520N/mm2 Rt=10μm 钢CK65（AISI065） σ=950N/mm2 磨 削 Rt=10μm 0.16 0.20 19.6 19.8 20.2 22.0 28.0 17.7 18.0 18.4 20.3 26.7 ±28％ ±14％ ±23％ ±14％ 钢37K（AISI010） 拉拔、镀镉 0.12 铸 铁 铝镁合金 AIMgSi0.5 化处理。Rt为粗糙度参数。

0.15 0.15 0.15 21.9 22.1 22.5 24.1 29.7 12.3 12.7 13.3 15.9 23.5 27.2 27.4 27.0 29.7 33.8 σ=520N/mm2 Rt=4.5μm ±36％ ±14％ 刨 削 Rt=25μm 拉 削 0.14 0.12 ±14％ ±14％ ±48％ ±14％ 注：所用螺栓：M10×16DIN931 10.9级；表面处理：磷化锌、涂油。螺母：M10 DIN931 氧

有试验表明，在拧紧发动机缸盖的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其螺栓轴向预紧力的数值相差最大可能达一倍。

扭矩控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩传感器或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。

T 高摩擦系数 2.扭矩—转角控制法（TA）：

扭矩—转角控制法是在扭矩控制法 上发展起来的， 应用这种方法，首先

S1 低摩擦系数 是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从 ● TS S2 此点始，拧一个规定的转角的控制方法。 A 它是基于的一定转角，使螺栓产生一定

AC 的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产

AC 生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用

这种方法拧紧时，设置初始扭矩（TS） 图 5 4

的目的是在于把螺栓或螺母拧到紧密接触面上，并克服开始时的一些如表面凸凹不平等不均匀因素。而螺栓轴向预紧力主要是在后面的转角中获得的。

从图5中可见，摩擦阻力（图中以摩擦系数表示的）的不同仅影响测量转角的起点，并将其影响延续到最后。而在计算转角之后，摩擦阻力对其的影响已不复存在，故其对螺栓轴向预紧力影响不大。因此，其精度比单纯的拧矩法高。 F 从图5可见，扭矩—转角控制法对 M ● ΔF2 螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量 ● Y 转角的起点，即图中TS所对应的S1（或 ΔF1 S2）点。因此，为了获得较高的拧紧精

ΔA 度，应注意对S点的研究。扭矩—转角 S ● A 控制法与扭矩控制法最大的不同在于： 扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力 第二次限定在螺栓弹性极限的90％处，即图6 拧紧 中Y点处；而扭矩—转角控制法一般以 图 6 Y-M区为标准，最理想的是控制在屈服点偏后。 扭矩—转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，通过图6即可看出，同样的转角误差在其朔性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF2比弹性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF1要小得多。

扭矩—转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。 3.屈服点控制法（TG）：

屈服点控制法是把螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。它是利用材料屈服的现象而发展起来的一种高精度的拧紧方法。这种控制方法，是通过对拧紧的扭矩/转角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈服点的。

螺栓在拧紧的过程中，其扭矩/转角的变化曲线见图7。真正的拧紧开始时，斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a_b区间）。过b点后，其斜率经简短的缓慢下降后，又快速下降。当斜率下降一定

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值时（一般定义，当其斜率下降到最

Q.大值的二分之一时），说明已达到屈服 .· b 点（即图7中的Q点），立即发出停止 扭矩拧紧信号。

屈服点控制法的拧紧精度是非常高

a 的，其预紧力的误差可以控制在±4％ 以内，但其精度主要是取决于螺栓本

转角 身的屈服强度。 屈服点控制法的优点是：可获得很 扭大的预紧力，能充分发挥材料的潜力。 矩1/2最大 斜其缺点是：控制系统较复杂，要测量 斜率 率扭矩和转角两个量，对螺栓的一致性 要求较高，对螺栓和连接件的表面也

转角 要求较高，以避免假屈服。 图 7 4．落座点—转角控制法（SPA）： 落座点—转角控制法是最近新出现的一种控制方法，它是在TA法基础上发展起来的（在日本已经开始应用）。TA法是以某一预扭矩TS为转角的起点，而SPA法计算转角的起点，采用扭矩曲线的线性段与转角A坐标的交点S（见图8）。

图中；F1是TA法最大螺栓轴向

弹性系数 F 高 预紧力误差，F2是SPA法最大螺栓轴

向预紧力误差。从图8可见，采用 预ΔF2 F F 21TA法时，由于预扭矩TS的误差（ΔTS 紧ΔF1 =TS2-TS1，对应产生了螺栓轴向预紧力 力 低 误差ΔFS）,在转过相同的转角A1后，

相对于两个弹性系数高低不同的拧紧 FS2 A1 ΔFS 工况，其螺栓轴向预紧力误差为F1； FS1 A1 A 即使是弹性系数相等的，但由于ΔTS

• 的存在，也有一定的误差（见图8 A2 S 中的ΔF1、ΔF2）。如若采用SPA法，

图 8 由于是均从落座点S开始转过A2转角

后，相对于两个弹性系数高低不同的

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拧紧工况，其螺栓轴向预紧力误差为F2。显然F2小于F1，即落座点—转角控制法拧紧精度高于扭矩－转角控制法。

采用SPA法，摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除，图九为拧紧中不同摩擦系数所对应的扭矩－转角关系曲线。图中摩擦系数：µ1>µ2>µ3。虽然不同的摩擦系数所对应的扭矩－转角关系曲线的斜率不同，但其落座点(曲线线性段的斜率与横轴的交点)相差不大（见图9）。故从此点再拧一个角度AC，不同摩擦系数对螺栓轴向预紧力的影响基本可以消除。为了更清楚地说明这个问题，我们把图四的纵、横坐标交换一下，绘成图10：

T μ=0.5 µ1 T µ2 T1 μ=0.4 μ=0.3 µ3 T1 μ=0.2 T2 μ=0.1 T 2ΔT T3 T3 A μ=0 T4 F S AC FC 图 10 图 9

对比图9与图10，就可以更清楚地看出SPA法摩擦系数大小对于螺栓轴向预紧力的影响几乎可以完全消除。

SPA法与TA法比较，其主要优点是：能克服在Ts时已产生的扭矩误差，因此，可以进一步提高拧紧精度。 5． 螺栓伸长法（QA）：

QA法是通过测量螺栓的伸长量来 确定是否达到屈服点的一种控制方法， 虽然每一个螺栓的屈服强度不一致， 加载 卸载 预也会给拧紧带来误差，但其误差一般 紧力都非常小。

在QA法中所采取的测量螺栓伸长

超声频率 量的方法，一般是用超声波测量，超

声波的回声频率随螺栓的伸长而加大， 图 11

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所以，一定的回声频率就代表了一定的伸长量。图11就是QA法的原理，由于螺栓在拧紧和拧松时，用超声仪所测得的回声频率随螺栓的拧紧（伸长）和拧松（减小伸长量）而发生变化的曲线并不重合，同一螺栓轴向预紧力的上升频率低于下降频率。这样，在用来测量螺栓的屈服点时应予以注意。该法业已在日本的生产中得到应用。

第二节 螺栓拧紧常用的方法及拧紧机

螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象，以前人们只是考虑在装配时，把螺栓（或螺母）拧到最紧的程度。后来人们才发现，这个“最紧”不过是一个非常模糊的概念，它是因人而异的。一台机器有几十，以至成百上千个零件采用螺栓紧固装配，在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的。而且每天又要装配几十或几百台机器，这个“最紧”的离散度将是可想而知的。另外，还有些零件（如汽车发动机中的连杆大头孔），在生产车间需要用螺栓装配起来进行加工，而到了装配车间进行整机组装时，又先要松开螺栓，拆下瓦盖，套到曲轴上后再重新拧紧，如用这个“最紧”来进行，可想而知，其结果将是非常危险的。因而，如何有效的控制“拧紧”，并使其达到“最佳”，也就成为了机械行业十分关注的课题。这样，不仅对于拧紧的控制方法探讨及其采用成为了热门话题，而且对于自动拧紧机的应用也日益广泛了。

一．常用的拧紧方法及拧紧机的应用

对于螺栓拧紧的控制方法，我们在上节共介绍了五种，但在当前的机械加工业中应用较为广泛的还只是二种，它们就是扭矩控制法和扭矩—转角控制法。其中扭矩控制法通常应用在对拧紧的要求不太高的场合下，可以采用定值扭矩扳手，也可以采用自动拧紧机，由于定值扭矩扳手结构及其使用均较为简单，故在此不予介绍。而扭矩—转角控制法基本上使用的均为自动拧紧机。

在介绍自动拧紧机之前，有必要对拧紧机的分类作以简要的说明。自动拧紧机的分类方式有几种，若按拧紧的控制方式分，可分为扭矩控制法、拧紧－转角控制法和屈服点控制法的拧紧机；若按人工参与的程

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度分，可分为手动和自动拧紧机；若按拧紧执行部件的能源性质分，可分为气动和电动拧紧机。其中的电动拧紧机，按其执行部件电源的性质分，又可分为直流拧紧机和交流拧紧机，它们的执行部件则分别是直流伺服电动机和交流伺服电动机。

下面我们仅就这二种拧紧方法的自动拧紧机的结构及控制检测原理进行介绍。

二．扭矩控制法拧紧机的构成及其原理

由于扭矩控制法的拧紧机控制简单，价格便宜，故在一些对拧紧的要求不是较高的场合，得到了较为广泛的应用，如发动机装配中的油低壳、上罩盖、曲轴油封、飞轮、凸轮轴瓦盖、凸轮轴链轮，发动机零部件加工中的凸轮轴瓦盖等螺栓的拧紧。

在实际应用中，扭矩控制法的拧紧机现在大多数是采用电动类型的，但气动类型的有些厂家还在应用，其二者对于扭矩检测的原理及其方法基本相同，而它们的区别是使用的能源与相应的拧紧执行的部件，故从控制的方法上区别较大，但其拧紧的原理是相同的，由于我厂当前应用的均为电动的拧紧机，故我们仅就电动拧紧机予以介绍。

1．扭矩控制法拧紧机的构成

扭矩控制法拧紧机的构成原理框图如图12所示，由图可见，它是由9个环节构成，它们分别是：电源变换，电动机驱动器，伺服电动机，减速器，扭矩传感器，输出轴，主控单元，轴控单元及显示。其能源为交流电源。

扭减输矩 交流 电源电机 伺服工速出电源 传变换 驱动器 电机 件 器 轴 感运行指令 器 主控轴控显示 单元 单元 拧紧结果 图 12 电动拧紧机的执行部件是伺服电动机，而驱动伺服电动机的是电机

驱动器。其中的伺服电动机又有交流和直流之分，其中交流伺服电动机

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的驱动器，供电电源的性质是交流电，所以其电源变换部分的功能，只是把从交流电源输入的交流电，变换成适宜于电机驱动器与伺服电动机正常工作所需要的电压值（即变压）即可；而对于直流伺服电动机的驱动器，由于其供电电源的性质是直流电，所以其电源变换部分，除了要有如交流系统那样的电压值的改变外，还要把变压后的交流电进行整流而变换成直流电。然而不论是直流伺服电动机也好，交流伺服电动机也好，其结构现均采用无刷（即没有电刷）的形式。

2．扭矩控制法拧紧机的工作原理 其工作原理如下：

当机床的控制系统发出拧紧的运行指令后，直接进入主控单元，使其分别产生复位和启动控制信号，该信号直接进入轴控单元，一方面使其复位（复位即恢复原始状态），另一方面给电机驱动器发出运转指令，使其运行，并把输入的交流电源按不同的要求（直流或交流）进行转换后输出，送入伺服电动机，使其旋转。伺服电动机的旋转扭矩由输出轴输出，即对工件进行拧紧操作，而拧紧过程中的扭矩，则由串接于伺服电动机与输出轴中间的扭矩传感器捡出，并送入轴控单元中。在拧紧的过程中，随着拧紧的进行，扭矩不断的增大，当其达到设定的扭矩值时，轴控单元即刻发出控制信号给电机驱动器，并在驱动器的控制下，伺服电动机立即停止旋转，完成本次的拧紧工作。

拧紧完成后，轴控单元对于拧紧的结果要发出二方面的信号，其中一方面是发出显示信号，而显示信号又分为二部分，其一是拧紧的实际扭矩峰值，其二是拧紧结果的实际状态（包括扭矩值合格、扭矩高于上限值和扭矩低于下限值）；另一方面则是把拧紧结果的实际状态（主要是扭矩值合格或不合格），通过主控单元转换后送入机床的控制系统，以便机床的控制系统对于下一次拧紧工作作出判断和选择。

三．扭矩—转角控制法拧紧机的构成及其原理

由于扭矩－转角控制法的拧紧机控制较为复杂，价格相对要高一些，故通常均应用在对拧紧的要求较高的场合，如：发动机装配中的缸盖、皮带轮、曲轴主轴承瓦盖和连杆瓦盖，发动机零部件加工中的曲轴主轴承瓦盖和连杆瓦盖等螺栓的拧紧。

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在实际应用中，扭矩－转角控制法的拧紧机现在基本上是采用电动类型的，气动类型的极少应用，其二者对于扭矩和转角检测的原理及其方法也基本相同。同扭矩控制法一样，它们的区别只是使用的能源与相应的拧紧执行的部件，因而从控制的方法上区别也同样较大。下面我们还是以电动拧紧机为例予以介绍。

1．扭矩－转角控制法拧紧机的构成

电动扭矩－转角控制法拧紧机的构成原理框图如图13所示，由图可见，它是由10个环节构成，它们分别是：电源变换，电动机驱动器，伺服电动机，转角传感器，减速器，扭矩传感器，输出轴，主控单元，轴控单元及显示。其能源为交流电源。

转扭减电机 伺服交流电源 输角 矩 工速驱动器 电机 电源 变换 出传传 件 器 轴 感感 运行指令 器 器 主控轴控显示 单元 单元 拧紧结果 图 13 2．扭矩－转角控制法拧紧机的工作原理 其工作原理如下：

当机床的控制系统发出拧紧的运行指令后，直接进入主控单元，使其分别产生复位和启动控制信号，该信号直接进入轴控单元，一方面使其复位，另一方面给电机驱动器发出运转指令，使其运行，并把输入的交流电源按不同的要求进行转换后输出，送入伺服电动机，使其旋转。伺服电动机的旋转扭矩由输出轴输出，即对工件进行拧紧操作，拧紧过程中的扭矩，则由串接于伺服电动机与输出轴中间的扭矩传感器捡出，并送入轴控单元中。而拧紧过程中的转角，则由转角传感器捡出，并送入电机驱动器中，经转换后又送入轴控单元中。

由于扭矩－转角控制法的拧紧方式是：先把螺栓拧到一个设定的扭矩值后，再从此点开始，拧一个设定的转角的控制方法。所以，该种方式的拧紧过程是：在拧紧的过程中，随着拧紧的进行，扭矩值不断的增大，当其达到设定的转换扭矩值时，在轴控单元内部，即刻对转角计数

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器清“0”，并随即开始对转角进行计数，当其计数值达到设定的转角值时，轴控单元立即发出控制信号给电机驱动器，并在驱动器的控制下，伺服电动机立即停止旋转，完成本次的拧紧工作。

为了防止意外，如出现工件的螺孔小、堵塞或螺纹深度不够等问题时，在拧紧的扭矩达到设定的扭矩值时，如若还要再拧到设定的转角，就极有可能会把螺栓拧断，而造成不应有的损失。因而，对于扭矩－转角控制法的拧紧方式，均设置一个最大扭矩的值，用于对出现这种意外的保护。即控制伺服电动机停止旋转有二个条件，其一是上面谈到的――达到设定的转角；其二就是达到或超过设定的最大扭矩值，即虽然未达到设定的转角值，但达到了设定的最大扭矩值时，也同样要求伺服电动机停止运转。而这个控制信号也是发自于轴控单元，即轴控单元控制伺服电动机停止运转的条件有二个，一个是达到设定转角，一个是达到设定的最大扭矩，在这二个条件当中，只要满足一个即可。

拧紧完成后，轴控单元对于拧紧的结果要发出二方面的信号，其中一方面是发出显示信号，而显示信号又分为三部分，其一是拧紧的实际扭矩峰值，其二是拧紧的实际转角值，其三是拧紧结果的实际状态（包括合格、扭矩高于上限值和扭矩低于下限值，转角高于上限值和转角低于下限值）；另一方面则是把拧紧结果的实际状态（主要是拧紧值合格或不合格），通过主控单元转换后送入机床的控制系统，以便机床的控制系统对于下一次拧紧工作作出判断和选择。

第三节 直流电动拧紧机

我们在上一节，从总体上简要的介绍了自动拧紧机的基本结构及其工作原理，其目的只是使读者对拧紧机有个初步的概念和印象。为了使读者对拧紧机有进一步的了解，我们在本节主要是以M6装配线上应用的直流电动拧紧机作以简要的介绍。

一．直流电动拧紧机系统结构简介

1．直流拧紧机系统构成

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在M6装配线上应用的直流电动拧紧机系美国库柏公司的产品，其基本结构如图14所示。由图可见，它的控制及检测系统中主要有：逻辑控制系统、电压变换、主控制器、伺服电机驱动器、触摸屏和拧紧头6个部分构成，而拧紧头又由直流无刷电机、减速器、扭矩传感器与输出轴等部分构成。

电源 电机驱动信号 电压变换 逻 直流 辑 无刷 控主 电机 伺服电机 扭制控 减速器 矩 系 制 拧︱ 控制器 器 统 转角检测信号 转紧角轴 扭矩检测信号 显示 参数传 输入 输出感 输出轴 器 触摸屏 图 14 板头 2．各部分的主要功能 各部分的主要功能如下； ⑴ 逻辑控制系统

逻辑控制采用的是日本欧姆龙的PLC（可编程序控制器），它的主要功能是发出各项指令，控制拧紧机及其相关部件的全部动作顺序。

⑵ 电压变换

电压变换环节主要是把交流高电压变换成直流低电压（24V）,以供给主控制器及触摸屏使用。

⑶ 主控制器

主控制器是的一套工控机系统，它的主要功能是：根据输入的工艺参数和所接受到的扭矩、转角信号，监视和控制电机驱动器按所设

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定的拧紧参数工作，拧紧完成后，显示出拧紧结果的有关状态（如：扭矩的高低，角度的大小等），并把有关拧紧参数输出，及对有关信号的处理。

⑷ 伺服电机控制器

伺服电机控制器是库柏公司的标准产品，它的主要功能是接受主控制器的控制信号，驱动直流无刷电机以设定的转速运转或停止

⑸ 触摸屏

主要担负编程器与显示器的双重作用，把由编程器输入的各种参数传送的相关的扭矩控制器，并把要查阅的相关参数从相关的扭矩控制器调出，再显示出来。

⑹拧紧头

拧紧头是该公司的标准产品，该部分主要包括直流无刷电机、减速器、扭矩/转角传感器与输出轴，它是实施螺栓拧紧的执行部件。

二．拧紧头中的主要部件简介

1. 直流无刷电动机

直流无刷电动机是属于直流伺服电动机中的一种，它的主要功能是在电机驱动器的驱动下旋转或停止，通过机械减速器提高扭矩，带动输出轴和板头对螺栓进行设定的拧紧。

普通的直流电机换相是机械式的，包括有换相器（俗称整流子）和炭刷，它是利用换相器和炭刷来变换转子线圈通电的极性和顺序，来改变转子磁极的极性并与固定的定子磁极相互作用产生转矩而旋转的；而直流无刷电机采用电子换相，其转子用永久磁铁制成的固定磁极，定子为电磁铁，其极性用电子开关的开闭，变换电磁铁上线圈通电极性和顺序，改变定子磁极的变化，进而产生转矩而旋转的。 2． 扭矩/转角传感器

这个扭矩/转角传感器，实际上是把扭矩与转角的检测功能制作在一起，所以它既可以用于拧紧扭矩的检测，也可以用于旋转角度的检测。

⑴ 扭矩检测的功能：它是检测拧紧过程中的变化扭矩，它的结构是在一个经过特殊工艺加工的扭力轴上，按要求粘贴上四片电阻应变片，并接成桥路。在扭力轴不承受扭力时，桥路的输出电压为零；而当

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对扭力轴施加扭力时，桥路有电压输出，其输出电压的大小随施加扭力的大小而改变。

⑵ 转角检测功能：在传感器的内部，装有电磁感应式的转角检测装置，当电机旋转时，根据在传感器上感应电压的变化，就可得到电机的转角和转速。因而，对于电机的转角和转速的检测均用此信号，并在电机控制器中进行处理。

⑶ 减速器

降低拧紧头的输出转速，并增加其扭矩。 ⑷ 输出轴

传递经减速器变换后的电机输出扭矩。 ⑸ 板头

把作用于输出轴上的扭矩传递给螺栓。

第四节 拧紧效果的检测及拧紧中问题的分析

一．对拧紧效果的检测方法

拧紧机在安装完成后，必须经过质检部门的专业人员对其进行检定合格后，方可投入使用。且在正常运行中也均有规定的检定周期，加上当前各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳定性也都比较高，因而螺栓拧紧完成后，拧紧机上显示的扭矩值基本上是可以信任的。但再好的设备或仪器也不可能不出问题，而且无论是谁也不能肯定设备和仪器不出问题，或什么时候出问题，所以，对拧紧效果的检测，即对拧紧扭矩值的确认是非常必要的（一般均规定有抽检的频次，即多少件中检一件）。而对其拧紧效果的检测，一般可采用下述两种方法：

1. 事后法

就是在拧紧过程完成后进行检测的方法。事后法的检测有三种： ⑴ 松开法：将拧紧的螺栓用扭矩扳手松开，读出松开时的瞬时值。 采用这种方法检测，由于螺纹升角的关系，松开的扭矩比拧紧的扭矩要小，一般要差30%左右。这种检测方法显然误差较大，除特殊情况外很少采用。

⑵ 紧固法：即对已经拧紧的螺栓用扭矩扳手，沿螺栓的拧紧方向再

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施加一个逐渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动，读出此时的瞬时值。

采用这种方法检测，其扭矩偏差为实际扭矩的－5—＋25％。其偏差产生的原因是：在旋动螺栓的瞬间所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中的摩擦阻力，因二者的摩擦系数不同（前者为静摩擦，后者为动摩擦）；加上操作人员掌握程度、用力大小、感觉的偏差等，均会造成不同程度的偏差。该方法适用于拧紧后不超过30分钟的螺栓扭矩的检测。

⑶ 标记法：即对已经拧紧螺栓的拧紧位置做一个标记，将螺栓拧松之后，读出再拧紧到原来位置时的扭矩值。

采用这种方法检测，该扭矩偏差为实际扭矩的－12—＋5％。可见，这种方法较前两种方法的精度都高，但有许多螺栓规定不允许重复拧紧，了这种方法的使用。

2, 过程法

就是在拧紧过程中进行检测的方法，这种方法需要有专门用于检测的扭矩传感器。过程法的检测也有三种：

⑴ 直接法：即在需要检测时，把用于检测的扭矩传感器直接串接于拧紧头与被拧紧的螺栓之间，拧紧时可以直接读出读数。

这种方法的扭矩传感器如若是临时随意安装的，将不可能稳固，会造成三者不在一条直线上，而造成一定的测量误差。如若有专用的连接部件，精度还是可以保证的。

⑵ 固定传感器法：这种方法与直接法的区别是，用于检测的扭矩传感器不是临时安装的，而是固定在拧紧头的输出轴上。

这种方法虽然避免了直接法的检测误差，但每个拧紧头的输出轴上均要安装一个专门用于检测的扭矩传感器，平时又不用，故造成了较大的浪费。

⑶ 传感器替换法：这种方法仅应用于拧紧头的输出轴上原来就装有扭矩传感器的设备上。可在原拧紧头安装扭矩传感器的部位上，装一根装卸尺寸与扭矩传感器完全相同的可以快速拆卸的活动轴，当要测试时，将快速拆卸活动轴卸下（即原扭矩传感器随之卸下），换上检测用的扭矩传感器。

这种方法由于只用一只扭矩传感器，故较固定传感器法成本低。且这只传感器仅在需要检测时才装在拧紧头上，平时还可用于其它同类拧

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紧头的检测，也方便了自身的精度检定。

上述的事后法实际上是一种静态检测方法，它比较简便，易于实施，因而得到生产和质检部门的普遍应用。但由于所述各方面的因素所造成的误差难以避免，望在检验中能予以考虑。

上述的过程法是动态检测方法，由于是在拧紧过程中检测的，故其误差较小。但由于需要另外安装扭矩传感器，故增加了费用和工作量，因而在对拧紧效果检测上很少应用，大多用于对拧紧工具（即拧紧机）的检定。

二．对拧紧工作中出现的一些问题的分析

由于拧紧机是工作于自动拧紧的状态，各方面的因素均混杂在一起，而在运行中出现的一些问题，有时不太好确认到底是不是拧紧机的问题。下面就把笔者在日常中所遇到的一些问题汇集在一起，大体上分分类，并逐条予以分析（以下的分析是以拧紧机工作正常、显示准确，检验所用的扳手准确为前提）。

1．人工检测的扭矩值与机器显示值不符

这个问题出现的机率最多，可分为两方面来讨论： ⑴ 人工检测的扭矩值大于机器显示值

由于当前通常检验扭矩的方法，基本上均采用事后法中的紧固法，前面已经提到，由于各方面的因素，其误差可能在－5—＋25％之间，即人工检测的扭矩值可能大于机器显示值的＋25％，尤其是在采用指针式扳手时，除了扳手本身的固有误差外，可能还会混有零点定位误差、操作人员的视觉误差等，这些都会增大误差值。

⑵ 人工检测的扭矩值小于机器显示值

采用紧固法检验，其误差有－5％的可能性，这虽然也是一个方面，但在对于高弹性系数，且拧紧后即行检测的扭矩值，负值误差的机率极少。根据笔者的实际经验，出现人工检测的扭矩值小于机器显示值的情况，分别如下：

① 拧紧后时间较长（超过半个小时），尤其是上午拧的下午检验。实践证明，这种情况的检验有可能会低10％左右。

② 工件本身有问题。如笔者在对缸盖瓦盖拧紧机在验收时出现的：

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2＃头拧紧后即人工检测，其值较拧紧机显示值低较多，经过多次试验及检查，是瓦盖有问题。

2．拧紧扭矩值偏大（转角未达到设定值）

这个问题基本上都出现在工件、垫片和螺栓上。

⑴ 对于工件：主要是工件的螺纹不好或螺孔内有异物，使螺纹接触面摩擦阻力增大所至。

⑵ 对于垫片：尤其是带有弹簧垫片或带定位点的平垫片对其的影响较大，扭紧靠座后，弹簧垫片（或带定位点的平垫片）可能会随螺栓旋转所产生的摩擦阻力增大所至。（装配3＃线的缸盖拧紧机常出现此情况）。

⑶ 对于螺栓：主要是螺纹不好，缸体1621拧紧机，在零部件国产化中，刚开始用的国产螺栓时曾出现过，而螺纹改进后就再未发生过。还有一点就是螺栓未按规定处理（蘸油）或把本来涂的油清洗掉了也会出现此现象。

⑷ 其它原因：进行了两次拧紧。

3．拧紧扭矩值偏小（转角已达到设定值） 拧紧扭矩值偏小的问题多半是出在螺栓上，其主要原因是螺栓的质量不好（屈服点较低）。当然，从理论上来讲，工件的螺孔攻大，螺栓螺纹直径偏小也会出现这种情况，但在实际生产中，这种情况出现的机率极小。

4．其它应当商讨的问题：

⑴ 我们认为的“拧紧扭矩值偏小”，是不是真正的偏小？

讨论这个问题必须针对具体实例，我们以缸体1621线（缸体主轴承瓦盖）自动拧紧机为例：

当时的工艺规定：拧至41NM再转90°，其终止扭矩的上限不超过130NM ,下限不低于90NM。而在有一段时间内，工艺部门把扭矩的下限值修定为：不低于100NM和105NM,在此期间内，时而出现扭矩值偏小情况（即达不到100NM和105NM）。

我们在这里再特别强调一下前面已经介绍的如下几个问题：

① 拧紧，实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力（即轴向拉应力）。而不论是两被连接体间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，

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也就很难予以直接控制，因而，人们采取了上述几种方法予以间接控制。

② 扭矩控制法：由于只能对于扭紧的扭矩进行控制，而这个扭矩与螺栓轴向预紧力的关系受摩擦阻力影响较大，即同样大小的扭矩其螺栓的轴向预紧力可能相差很大。

③ 扭矩－转角控制法：摩擦阻力的不同，仅影响测量转角的起点，并将其影响延续到最后。而在计算转角之后，摩擦阻力对螺栓轴向预紧力的影响已不复存在。

综上可知，螺栓连接需要的是被连接体间的压紧力，扭紧的扭矩虽然与压紧力成正比，但其比例系数（即2式中的扭矩系数K）随摩擦系数的不同，离散度较大。即扭矩的大小并不能确切地反映出压紧力的大小，同一状况的连接体，由于摩擦系数的影响，以至扭矩相差很大，而压紧力却相差不大；而不同状况的连接体，由于摩擦系数的影响，可能扭矩大的还没有扭矩小的压紧力大。如若螺栓和被连接体螺纹的螺距精度可以保证，那么，拧紧的转角的精度就可以保证压紧力的精度了。因而，作为扭矩－转角控制法，只要确保起始扭矩（TS）和控制转角(AC)精度就可以了。至于扭矩也并不是一点也不考虑，主要是把它作为一个监视值来作为参考（用以发现扭矩偏大或偏小中的问题），因而扭矩上下限的范围不宜太小。否则，本来没有问题的拧紧也被当做有问题的看待了。

从上述情况来看，在扭矩－转角控制法中，过于看重或提高下限扭矩的实际意义是不大的。实际上这台缸体主轴承瓦盖拧紧机，刚从美国引进时的工艺规定：拧至41NM再转90°，其终止扭矩上限不超过130NM ,下限不低于78NM。对于这个扭矩范围，我想可能就是在美国原厂时，根据前序有关加工、螺栓等综合情况对拧紧扭矩的影响而制定的。

再如，连杆瓦盖拧紧机，查原始工艺参数的记载：拧至54NM再转90°，其终止扭矩上限不超过160NM ,扭矩下限不低于40NM。这个工艺参数乍看起来很矛盾，它是拧至54NM再转90°，其终止扭矩下限怎么能低于40NM呢？其答案是：正因为它不可能低于40NM，即在这里其拧紧的扭矩在工艺上是不考虑的，只要满足其拧至54NM再转90°就可以了。它其终止扭矩的上限不超过160NM是一种保护措施。

综上，目前我们所认为的“扭矩值偏小”的问题，希望大家广泛讨论，深入探讨，踊跃提出宝贵意见。

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⑵ 对于不同型号的同种工件，在同一台拧紧机上拧紧，拧紧机上显示的扭矩相同，而人工检测却相差较大。

这个问题也是笔者亲身所遇，突出表现在发动机上罩盖的拧紧机上，其上罩盖分为二种，其中一种为铝合金（铸造的）；另一种为钢板的。当天是混流生产，在先装配50台铝合金上罩盖的过程中，其中4＃、5#拧紧头显示扭矩12NM，而人工检测为14－16NM，其它7个拧紧头的扭矩均与人工检测值相符（该拧紧机共9个拧紧头）。用扭矩校准仪校准，9个拧紧头的扭矩均相符，即拧紧机没有问题。而当这50台发动机装完成后，上罩盖恢复使用原来钢板的，4＃、5#拧紧头显示扭矩12NM，又与人工检测值相符了。

为什么只是4＃、5#拧紧头所拧的螺栓，其扭矩在人工检测时偏大呢？较为引人注目的一点是：4＃、5#拧紧头所拧的螺栓及在铝合金罩盖上的摩擦痕迹如图15（a），其它螺栓及在铝合金罩盖上的摩擦痕迹均如图15（b）。 平垫片 螺栓头 平垫片 螺栓头 螺栓杆 螺栓杆 罩摩 罩摩盖擦盖擦 上痕 上痕的迹 的迹（a） （b） 图 15

对比图15（a）与（b）可见，4＃、5＃头拧紧的摩擦痕迹是面（而其它头是点），在拧紧进行中为动摩擦，其摩擦阻力与其它头相比差值不大。而人工检测时为静摩擦，其摩擦阻力比其它头大的较多，扭矩之差就显现出来了。然而用铁罩盖时4#、5＃头为什么扭矩不大呢？其原因是铁罩盖表面有一层漆，光滑的漆表面使其静摩擦阻力也相差不大了。

从上述分析来看，在拧铝合金罩盖时，4＃、5＃头在人工检测时，扭矩虽然偏大，但由于拧紧机正常，故不应当按人工检测工件的结果来修正拧紧机的。

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