螺栓夹紧力超声波测量的工程应用

　　1概述

　　通过螺栓或螺栓加螺母将2个或2个以上零件紧固连接在一起，是一种常见的功能需求。将螺栓夹紧力控制在规定范围内，是为实现功能需求的控制要求。对夹紧力的测量，轴力或夹紧力测量台架能够实际测量出螺栓的夹紧力，但对于批量生产，以往都是借助于扭矩控制来间接实现夹紧力控制。近几年，便携式的超声波夹紧力测量设备的出现，使不破坏连接的实时夹紧力测量成为可能，并迅速被应用于生产的工程控制中。

　　本文从螺栓夹紧力的传统工程控制出发，介绍超声波夹紧力测量的基本原理及其工程应用方向[1, 6]。

　　2螺栓夹紧力的传统工程控制

　　螺栓夹紧力的传统工程控制是基于对扭矩的控制来实现对夹紧力的间接控制，扭矩控制涉及到2种扭矩概念：动态扭矩和静态扭矩，下面首先介绍这2种扭矩。

　　2.1动态扭矩

　　动态扭矩指的是标称到动力枪上扭矩设定值。实际生产上有两类动力枪，一为电动枪，一为气动枪，前者控制精度在10%下，后者在30%左右。

　　2.2静态扭矩

　　静态扭矩指的是：生产线上用动力枪按设定的动态扭矩打紧螺栓后，在5min内，用扭力扳手朝紧固方向再次拧动螺栓并控制拧动角度小于5°，记录读数的最大值，即为其静态扭矩。在图1中M2为静态扭矩值，其中M1为螺栓为克服静态扭矩所产生的峰值扭矩，M1大于M2缘由为静摩擦系数大于动摩擦系数所引起的。基于实际应用，M1反映的是该螺栓连接的防松性能，M2反映的是该连接的残余夹紧力。

　　2.3静态扭矩控制夹紧力的工程策略

　　从动态扭矩和静态扭矩的概念描述，我们知道动态扭矩是生产制造的实际控制因子，而静态扭矩是对连接结果的事后检查，静态扭矩间接关联于夹紧力。因而可通过统计比对动态扭矩与静态扭矩间关系的稳定性，来形成从动态扭矩到静态扭矩到间接控制夹紧力的工程策略。在实际应用中，基于生产经验，大多以如图2所示的过程能力Cpk值来评判生产制造过程的稳定性，其稳定判据可基于30组动态扭矩 (用传感器测量动力枪的实际操作扭矩值) 及静态扭矩的测量数据，如满足：

　　(1)Cpk≥1.33;

　　(2) 静态扭矩的波动偏差小于静态扭矩均值的±35%;

　　(3)静态扭矩均值于动态扭矩均值的差异在15%以内，即认为生产制造过程是稳定的。

　　2.4夹紧力传统工程控制的不足点

　　通过抽样测量和评定静态扭矩与动态扭矩的关系来间接控制夹紧力，存在许多的不足点。首先，我们仍然不知道实际连接件的真实夹紧力，也不能知道夹紧力究竟被控制在哪个范围区间。被连接件与紧固件之间的摩擦系数是处于某一波动范围，在设计上一般对连接摩擦系数从0.1~0.16都是认可的。这样一来，如螺栓工作在弹性区，如图3所示，常规的扭矩波动可能会带来±34%的预紧力波动，如工作在塑性区也将带来±6%的预紧力波动。实际工作中，大多紧固连接都是基于以往项目经验来设定其紧固扭矩值，而不是通过轴力或夹紧力试验来测量其在指定扭矩下的实际夹紧力应用值。材料变更及新材料的应用，拧紧策略的变更，连接应用场合的不同，都将影响静态扭矩到夹紧力的实际关系。