1、AC tightening technique1-1BASIC TIGHTENING BASIC TIGHTENING T E C H N I Q U ET E C H N I Q U E基 本 拧 紧 技 术基 本 拧 紧 技 术AC Tightening Technique阿特拉斯阿特拉斯科普柯拧紧技术科普柯拧紧技术AC tightening technique1-2基本拧紧技术基本拧紧技术介绍装配过程中的基本问题，为正确和使用选择工具提供指导介绍装配过程中的基本问题，为正确和使用选择工具提供指导对客户来讲，成功的关键是所使用的工具设备能够匹配其特定需要对客户来讲，成功的关键是所使用的工具
2、设备能够匹配其特定需要 AC tightening technique1-3Different ways of assembling装配的不同装配的不同方法方法 Welding(焊接)Gluing(粘接)Riveting(铆接)Tightening with screws and bolts(螺栓拧紧连接)AC tightening technique1-4Why use bolted joints?为什么使用螺栓连为什么使用螺栓连接接 Easy and quick assembly(简单方便)Can be disassembled and reassembled(可以拆卸和重新装配)Stan
3、dardised well-defined element(标准化)Cost-efficient(节省成本)The bolt should be weakest link(设计成最薄弱环节)Its so easy thata child can do itAC tightening technique1-5The thread creates the clamp load that holds the joint together螺纹建立夹紧载何使得螺纹建立夹紧载何使得工件被夹紧工件被夹紧)Clamping forceTensionTurning the nut or screw stretc
4、hes the screw(旋转螺母或者螺栓拉深螺栓)Stretching the screw clamps the parts together(拉伸螺栓保证工件夹紧)The clamp load in the joint is the target of all tightening(夹紧载何就是我们的拧紧的目标)AC tightening technique1-6Clamping force vs tensile load and shear load夹紧力和夹紧力和螺栓张力和剪切力螺栓张力和剪切力Shear loadShear loadTensile loadTensile loadC
5、lamping forceAC tightening technique1-7This must be avoided!这个必须要避免这个必须要避免Shear loadShear loadTensionTensionAC tightening technique1-8AC tightening technique1-9Bolt tension=20 kNAC tightening technique1-10Bolt tension=?tonAC tightening technique1-11Bolt tension=?ton=10 kNAC tightening technique1-12I
6、s the bolt tension now approximately.现在螺栓的拉伸力大约是多少现在螺栓的拉伸力大约是多少?10 kN?20 kN?Or 30 kN?AC tightening technique1-13The Correct answer is:正确的答案是正确的答案是:20 kN the bolt pretension will NOT change(much)螺栓上承受的拉伸力螺栓上承受的拉伸力是不会变化的是不会变化的AC tightening technique1-14The Special Fastener特殊模式特殊模式AC tightening techniq
7、ue1-15The Use of the Special Fastener拧紧这个模式拧紧这个模式AC tightening technique1-16The Joint Loaded by an Applied Force连接负载被一应用的力产生连接负载被一应用的力产生AC tightening technique1-17The Joint Loaded by an Applied ForceZero clamp at the interface.界面中没有夹界面中没有夹紧紧AC tightening technique1-18The Joint Loaded by an Applied F
8、orceAC tightening technique1-19Question What is the major difference between a bolted joint on one hand and a welded,glued or riveted joint on the other hand?螺栓连接和焊螺栓连接和焊接铆接粘接有什么最大的区别接铆接粘接有什么最大的区别 And what is the consequence of this difference?这个不同点有什么重要的这个不同点有什么重要的AC tightening technique1-20Questio
9、n What is the major difference between a bolted joint on one hand and a welded,glued or riveted joint on the other hand?THE BOLTED JOINT IS PRELOADED!螺栓连接螺栓连接有预加负载有预加负载 And what is the consequence of this diffference?AC tightening technique1-21Question What is the major difference between a bolted j
10、oint on one hand and a welded,glued or riveted joint on the other hand?THE BOLTED JOINT IS PRELOADED!And what is the consequence of this diffference?ONLY A SMALL PORTION OF THE EXTERNAL LOAD IS TRANSFERRED TO THE BOLT(until the preload is exceeded)!只有很小的一部分外部负载被转移到螺栓上只有很小的一部分外部负载被转移到螺栓上(直到超过预加负载直到超过
11、预加负载)AC tightening technique1-22Question What is the major difference between a bolted joint on one hand and a welded,glued or riveted joint on the other hand?THE BOLTED JOINT IS PRELOADED!And what is the consequence of this diffference?ONLY A SMALL PORTION OF THE EXTERNAL LOAD IS TRANSFERRED TO THE
12、 BOLT!INTERESTING BUT WHAT IS THE VALUE OF THAT?意义意义-但是这个价值是什么但是这个价值是什么AC tightening technique1-23 Variations in external loads are only to a small extent transferred to the bolt=The fatigue resistance of the bolt becomes very high 外部负载的变化只有很小的一部分会转移到螺栓上=这样螺栓就不容易由于负载的交变而产生疲劳损坏 It provides a friction
13、al grip=It will not come apart if the parts cannot move in relation to each other 提供了一个有摩擦力的夹紧=这将不会出现部件分离如果部件不能有相互的位移AC tightening technique1-24螺栓连接的受力螺栓连接的受力剪切剪切拉伸拉伸AC tightening technique1-25一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩夹紧力一定要高于外部载荷夹紧力一定要高于外部载荷安全余量载荷的影响因素安全余量载荷的影响因素:振动振动 摩擦力的变化摩擦力的变化 连接件尺寸变
14、化连接件尺寸变化 拧紧精度拧紧精度AC tightening technique1-26施加的力不要超过使用极限施加的力不要超过使用极限螺栓拉伸量N夹紧力 施加的力过大会使施加的力过大会使螺栓过度伸长螺栓过度伸长 安全余量取决于安全余量取决于:拧紧精度拧紧精度 材料等级材料等级AC tightening technique27螺栓连接应用的历史背景螺栓连接应用的历史背景AC tightening technique28历史背景历史背景十九世纪工业革命开始，为得到更大的生产力要求工业产品必须达到：系统化质量可控性可复制性AC tightening technique29连接图连接图德国人Rots
15、cher 在1927年提出了连接图，这种方法直到今天仍在使用，帮助我们理解连接的力学特性和进行计算。AC tightening technique30VDI 2230，德国工程师协会德国工程师协会 2230标准标准基于从1960年代就开始的研究，德国工程师协会(VDI，German Society of Engineers)发布了VDI2230：高负荷连接的系统计算方法 Systematic Calculation of High Duty Joints.AC tightening technique31VDI 2230VDI 2230使用范围使用范围VDI 2230的应用非常广泛，包括带60
16、度法兰的高强度螺拴，螺丝大小从M4到M39。它给出的是单螺拴连接的分析指导。由多个螺拴组成的连接，负荷首先要被分配，使每个螺拴上的负荷确定下来。AC tightening technique1-32连接件图连接件图螺拴与连接件的关系螺拴与连接件的关系拉伸弹簧压紧弹簧AC tightening technique1-33连接件图连接件图力伸长量压缩量螺栓拉伸连接件压缩压力拉力螺拴和连接的变形螺拴和连接的变形AC tightening technique1-34连 接 图 解螺栓连接的变形关系螺栓连接的变形关系 夹紧力 变形预紧力螺栓伸长1 连接件 压缩2 AC tightening techni
17、que1-35Joint Diagrams连 接 图 解轴向工作载荷的影响轴向工作载荷的影响 力12 变形螺栓受力增加部分夹紧力减少部分1 工作载荷AC tightening technique1-36通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧 旋转螺母或螺丝使螺丝受力旋转螺母或螺丝使螺丝受力伸长伸长 螺丝伸长产生的夹紧力把连螺丝伸长产生的夹紧力把连接件夹紧接件夹紧 我们需要的是连接件中的夹我们需要的是连接件中的夹紧力紧力AC tightening technique1-37Torque measurement扭矩测量扭矩测量The applied torque is mea
18、sured应用力矩应用力矩Clamping forceNeeded需要的夹紧力需要的夹紧力Clamping force is the aim at but it is hard to measure.Torque is easy to measure and apply.夹紧力是目标但是比较难测量但是扭矩比较容易测量AC tightening technique1-38Torque T=FxrrFTa rFTbTa=FrTb=FrResult:Ta=2 TbF=applied force(in Newton)r=lever length(in meters)AC tightening tech
19、nique1-39为了拧紧螺栓为了拧紧螺栓,必须施加力以便拧紧螺母必须施加力以便拧紧螺母/螺丝螺丝AC tightening technique1-40Clamping force depends on torque and other factors 夹紧夹紧力的因素是扭矩和其余的因素力的因素是扭矩和其余的因素 Fm=T/(0.16P+(g*0.58*d2)+(Dkm/2)*k)Definitions:Fm=clamping force夹紧力 P =pitch of thread螺距 g =friction value in thread;螺纹摩擦系数 d2 =diameter bolt螺纹
20、中径 Dkm=size of surface bolt(nut)-head螺栓头小表面尺寸 Dkm=(dw+dh)/2 k=friction value surface bolt-head螺栓头下的摩擦系数AC tightening technique1-4150%10%40%Friction betweenthread bolt andthread nut螺纹和螺帽螺纹和螺帽的摩擦力的摩擦力Clamping force夹紧力夹紧力 Friction under bolt-head螺栓头下的摩擦力螺栓头下的摩擦力50%40%Relation between applied torque and
21、 clamping force扭矩和摩擦力的关系扭矩和摩擦力的关系AC tightening technique1-42Changing friction:bolt-head螺栓头下的摩擦力变化螺栓头下的摩擦力变化Teflon washer塑料惦片塑料惦片AC tightening technique1-4340%20%40%40%40%Teflon washer塑料垫片塑料垫片Friction betweenthread bolt andthread nut螺纹和螺螺纹和螺帽的摩擦力帽的摩擦力Clamping force夹紧力夹紧力 Friction under bolt-head螺栓头下的
22、摩擦力螺栓头下的摩擦力Relation between applied torque and clamping force扭矩和摩擦力的关系扭矩和摩擦力的关系AC tightening technique1-44Less friction:40%20%40%AC tightening technique1-45Changing friction:bolt-head螺栓头下的摩擦力变化螺栓头下的摩擦力变化Locking washer防松垫片防松垫片AC tightening technique1-4660%0%40%60%40%Locking washer防松垫片防松垫片Friction bet
23、weenthread bolt andthread nutClamping force Friction under bolt-headRelation between applied torque and clamping force扭矩和摩擦力的关系扭矩和摩擦力的关系AC tightening technique1-47More friction60%0%40%AC tightening technique1-48Changing friction:thread bolt-nut螺纹的摩擦力变化螺纹的摩擦力变化Oil on the threads加油加油AC tightening tech
24、nique1-4950%20%30%50%30%Oil on threadsFriction betweenthread bolt andthread nutClamping force Friction under bolt-headRelation between applied torque and clamping forceAC tightening technique1-50Less friction:50%20%30%AC tightening technique1-51Changing friction:thread bolt-nutCorroded bolt锈锈AC tigh
25、tening technique1-5250%0%50%50%50%Rusted boltFriction betweenthread bolt andthread nutClamping force Friction under bolt-headRelation between applied torque and clamping forceAC tightening technique1-53More friction50%0%50%AC tightening technique1-54Other ways of changing the friction?Liquid loctite
26、液体乐泰螺纹胶 Locknut防松螺帽 Paint in the threads螺纹中含有油漆 Damaged threads损坏的螺纹 Welding pearls焊渣 Bolt finishing(Cr6,Dacromet,etc.)AC tightening technique1-55LoctiteAC tightening technique1-56LocknutAC tightening technique1-57Paint on the threadsAC tightening technique1-58Damaged threadsAC tightening technique1
27、-5950-40-10 规则规则90%90%的扭矩用于克的扭矩用于克服摩擦力服摩擦力AC tightening technique1-60夹紧力与摩擦力的关系夹紧力与摩擦力的关系AC tightening technique1-61螺栓标识系统螺栓标识系统生产商标识生产商标识第一个数第一个数=1/100 的最大抗拉的最大抗拉强度强度(N/mm2)1008=800 N/mm2 第二个数第二个数=屈服强度与最大抗拉屈服强度与最大抗拉强度之间的关系强度之间的关系 0.8=80%两数相乘得出屈服应力两数相乘得出屈服应力 800*0.8=640 N/mm2 公制螺纹公制螺纹.AC tightening
28、technique1-62施加的力不要超过使用极限施加的力不要超过使用极限螺栓拉伸量N夹紧力 施加的力过大会使施加的力过大会使螺栓过度伸长螺栓过度伸长 安全余量取决于安全余量取决于:拧紧精度拧紧精度 材料等级材料等级AC tightening technique1-63AC tightening technique64软连接和硬连接AC tightening technique65Torque=oK夹紧角夹紧角:AC tightening technique66硬连接的定义硬连接的定义(ISO 5393)3030 max.max.夹紧角AC tightening technique67硬连接举
29、例硬连接举例Clamping forceSteep slopeAngleLow angle displacementAC tightening technique68720720 min.min.软连接软连接的定义软连接的定义(ISO 5393)AC tightening technique69软连接举例软连接举例Clamping forceSoft slopeAngleHigh angle displacementAC tightening technique1-70连接的特性也决定着所需工具的类型连接的特性也决定着所需工具的类型(ISO 5393)旋转角度旋转角度目标扭矩目标扭矩A.硬连接
30、：到达贴合点后，旋转硬连接：到达贴合点后，旋转30以内达到目标扭矩的连接。以内达到目标扭矩的连接。B.软连接：到达贴合点后，旋转软连接：到达贴合点后，旋转2 圈（圈（720）以上达到目标扭矩的连）以上达到目标扭矩的连接。接。扭矩的过扭程度受连接件硬度以及扭矩的过扭程度受连接件硬度以及工具转速影响。工具转速影响。软连接、硬连接软连接、硬连接30720AC tightening technique71TAngle()Snug levelTAngle()Snug level硬连接硬连接 720 deg(ISO 5393)X NmX Nm 720AC tightening technique72扭矩过
31、冲扭矩过冲10 Nm9 Nm工具虽然设定都工具虽然设定都是是9Nm，但是，但是针对不同性质的针对不同性质的连接会产生不同连接会产生不同的结果的结果AC tightening technique1-73软、硬连接软、硬连接目标目标均值偏差均值偏差扭矩扭矩角度角度过扭过扭贴合点贴合点硬连接硬连接软连接软连接AC tightening technique1-74如何在一个连接件上测量扭矩如何在一个连接件上测量扭矩动态扭矩动态扭矩:在拧紧螺栓的同时用在线式扭矩传感器测量。在拧紧螺栓的同时用在线式扭矩传感器测量。静态扭矩静态扭矩:安装后用扭矩扳手测量。安装后用扭矩扳手测量。AC tightening t
32、echnique1-75静态扭矩静态扭矩动力工具动力工具输出扭矩输出扭矩 92949192949292X=92,43s=1,13扭力扳手扭力扳手静态扭矩静态扭矩 103 106 103 100 100 103 100X=102,14s=2,27T(Nm)时间时间20406080100110120(A)工具输出工具输出(动态扭矩动态扭矩)(B)扭力扳手扭力扳手 (静态扭矩静态扭矩)原因:静态摩擦力AC tightening technique76硬连接上由于较高的静态摩擦力，静态扭矩硬连接上由于较高的静态摩擦力，静态扭矩可比动态扭矩要高。右下图中倒可比动态扭矩要高。右下图中倒V的拐点即是扭力的拐
33、点即是扭力扳手测得的硬连接上的静态扭矩扳手测得的硬连接上的静态扭矩AC tightening technique1-77装配手测(动态)(静态)102.6 112 102.6 110 101.4 111 101.2 110 102.4 113 100.9 109 102.1 110 102.4 111 101.0 113 101.8 112 101.84 111.1 0.67 1.4 2.01 4.1 均值均值 标准偏差标准偏差(Sigma)3 Sigma硬连接硬连接AC tightening technique78软连接静态扭矩较动态扭矩要偏小，软连接静态扭矩较动态扭矩要偏小，原因是衰减。原
34、因是衰减。VDI2230里系统的方法设置里系统的方法设置螺拴即有计算扭矩衰减这一步骤螺拴即有计算扭矩衰减这一步骤AC tightening technique79If we look at what happens to the surface in contact with the threads and under the head,we will notice that locally the load can be extremely high,far exceeding yield and these areas will collapse(embedment).Embedment
35、reduces the clamping force because the elongation of the bolt is reduced.Very high load Very high loadAverage load(80%of yield)扭矩衰减扭矩衰减 copyright BLM s.a.s-24 giugno 2004QUITQUITAC tightening technique80扭矩衰减的原因呢扭矩衰减的原因呢 连接的嵌入连接的嵌入AC tightening technique81AC tightening technique82Calculation Step R4-
36、Establishing Preload Losses计算步骤计算步骤R4R4确定预加负荷损失确定预加负荷损失losses.由于局部嵌入和不同的热膨胀特性，螺拴预加负荷可能会损失Aluminium JointSteel BoltAC tightening technique1-83弹性衰减会影响夹紧力弹性衰减会影响夹紧力材料弹性衰减会使夹紧力衰减材料弹性衰减会使夹紧力衰减!TimeAC tightening technique1-84均值均值 标准偏差标准偏差(Sigma)3 Sigma装配手测(动态)(静态)100.2 88 100.5 84 100.7 92 100.3 86 100.4
37、90 100.8 88 100.5 86 100.2 85 100.2 84 100.4 84 100.42 86.7 0.21 2.8 0.63 8.3 软连接软连接AC tightening technique1-85衰减衰减时间时间牛米牛米AC tightening technique1-86扭矩和角度扭矩和角度 OKOK扭矩扭矩角度角度扭矩扭矩=OK角度角度=OKAC tightening technique1-87结论：结论：Clamp forceFriction in threadsFriction under nut or head螺栓装配质量对产品的最终质量有着直接影响螺栓装配
38、质量对产品的最终质量有着直接影响为了得到质量合格的拧紧连接为了得到质量合格的拧紧连接 拧紧扭矩必须精确拧紧扭矩必须精确 连接件质量必须得到监控连接件质量必须得到监控AC tightening technique88拧紧方法的分类按工具控制方式拧紧方法的分类按工具控制方式 基于扭矩或角度:弹性范围内:扭矩控制 角度控制 连接控制 超出弹性范围 角度控制 梯度(扭矩变化率)控制，即屈服点控制 其他方式 超声波 机械测试伸长量AC tightening technique89夹紧力夹紧力角度角度扭矩扭矩角度角度螺拴连接模型螺拴连接模型AC tightening technique90夹紧力夹紧力扭矩
39、扭矩角度角度角度角度螺拴连接模型塑性变形阶段螺拴连接模型塑性变形阶段AC tightening technique91扭矩控制扭矩控制AC tightening technique92扭矩控制方式利用的是人们熟知的扭矩与张紧力之间的关系公式。扭矩控制扭矩控制方式利用的是人们熟知的扭矩与张紧力之间的关系公式。扭矩控制方式在出现最大摩擦系数和最小力率方式在出现最大摩擦系数和最小力率(Force Rate)时提供最小的夹紧力，反时提供最小的夹紧力，反之亦然。之亦然。扭矩控制扭矩控制AC tightening technique93优势优势:l容易实现不同精度等级的控制容易实现不同精度等级的控制+/-
40、25%+/-25%的脉的脉冲型工具到冲型工具到+/-1%+/-1%的拧紧轴的拧紧轴l巨量的产品和过程设计的标准数据巨量的产品和过程设计的标准数据-历史悠历史悠久久l过程和设备的有效性校验过程非常容易过程和设备的有效性校验过程非常容易l 工程师非常熟悉，广为人知工程师非常熟悉，广为人知扭矩控制扭矩控制AC tightening technique94Tightening Methods劣势劣势:l 夹紧力的精度很差夹紧力的精度很差,可能到可能到+/-60%,+/-60%,受摩擦系数影响大受摩擦系数影响大l 没有根本办法防止螺拴断裂没有根本办法防止螺拴断裂l以上两个原因导致螺拴能力利以上两个原因导
41、致螺拴能力利用率低用率低 60%60%扭矩控制扭矩控制AC tightening technique95弹性区域角度控制弹性区域角度控制拧紧规范拧紧规范=门槛力矩门槛力矩+拧紧角度拧紧角度AC tightening technique96弹性区域内的角度控制避免了避免了的摩擦系数大范围变动摩擦系数大范围变动对夹紧力的影响。它通过控制转角来拧紧，利用了力率变动较小力率变动较小的优势。零件开始被零件开始被压在一起压在一起角度角度扭矩扭矩弹性区域角度控制弹性区域角度控制讨论：力率 Force Rate 是什么？影响它的主要因素有哪些？AC tightening technique97优势优势l 相对
42、容易实现l 过程和产品的有效性相对容易检查l 现场维修的成本和精度可以接受l 螺拴利用率得到大大提高弹性区域角度控制弹性区域角度控制AC tightening technique98劣势劣势l 标准的拧紧规范通常不能直接使用了必须做一些连接分析/实验室分析工作l 无法使用扭力扳手复紧来校验l 工具同时需要扭矩和角度测量能力弹性区域角度控制弹性区域角度控制AC tightening technique99夹紧力夹紧力扭矩扭矩角度角度角度角度门槛力矩门槛力矩拧紧角度拧紧角度夹紧力变化夹紧力变化塑性区域角度控制塑性区域角度控制AC tightening technique100优势优势l 摩擦力影响
43、降到最低l 最大程度上利用螺拴能力劣势劣势l生产条件下检验工具性能很困难l设置和校验产品参数的费用较高l螺拴一般无法重复使用螺拴一般无法重复使用塑性区域角度控制塑性区域角度控制AC tightening technique101扭矩扭矩dT/dA 最大值最大值dT/dA 最大值最大值 的某个百分的某个百分比比dT/dA角度角度角度角度梯度梯度(扭矩变化率扭矩变化率)控制、屈服点控制控制、屈服点控制AC tightening technique102优势优势l 螺拴进入塑性阶段一个小角度螺拴进入塑性阶段一个小角度,最大程序利用螺拴最大程序利用螺拴l 螺拴可以重复利用几次螺拴可以重复利用几次l 夹
44、紧力精度很高夹紧力精度很高,拧紧效果不受弹性系数即力率拧紧效果不受弹性系数即力率Force Rate KForce Rate K的影响的影响.当当需要用许多螺拴坚固的情况下需要用许多螺拴坚固的情况下,如气缸盖如气缸盖,在设计上有时需要对不同位置使在设计上有时需要对不同位置使用不同螺拴用不同螺拴,弹性系数不同弹性系数不同.但这只影响屈服点的角度但这只影响屈服点的角度,夹紧力最大值总是夹紧力最大值总是在屈服点附近在屈服点附近.梯度梯度(扭矩变化率扭矩变化率)控制、屈服点控制控制、屈服点控制AC tightening technique103劣势劣势l 需需要连接分析和实验室工作要连接分析和实验室工
45、作l 过程的检验困难过程的检验困难l 拧紧拧紧/修复螺拴可能是个问题修复螺拴可能是个问题l 设备昂贵设备昂贵梯度梯度(扭矩变化率扭矩变化率)控制、屈服点控制控制、屈服点控制AC tightening technique104超声波提供了最精确的夹紧力测量方式，超声波提供了最精确的夹紧力测量方式，把它作为拧紧控制方式效果也最好。但使把它作为拧紧控制方式效果也最好。但使用这种方式需要满足许多特殊条件：用这种方式需要满足许多特殊条件：声耦声耦合合，螺拴长度直径比螺拴长度直径比，螺拴头尾的特殊处螺拴头尾的特殊处理理等。由于这些条件很难在生产条件下满等。由于这些条件很难在生产条件下满足，所以目前只限于实验室分析使用。足，所以目前只限于实验室分析使用。其他控制方式超声波测量其他控制方式超声波测量AC tightening technique1-105We are committed to your superior productivity throughinteraction and innovation.通过互动与创新，我们承诺通过互动与创新，我们承诺您实现卓越生产力。您实现卓越生产力。AC tightening technique1-1061-106
