屈服点法拧紧和过屈服,哪个更好?

1、拧紧方法的对比

屈服点法拧紧一般通过斜率控制,控制原理与螺栓材料的屈服特性有关。采用屈服点法对螺栓拧紧进行控制时,最初阶段拧紧扭矩转角曲线的斜率不断增大。

螺栓进入弹性区后,拧紧扭矩转角曲线的斜率基本为定值。螺栓进入塑性区后,拧紧扭矩与转角不再成线性比例关系,曲线斜率逐渐减小。当斜率减小到最大斜率的1/2-1/3时,判定螺栓达到屈服点,斜率变化见图1。

在螺栓达到屈服点后,通过监测斜率的变化来控制拧紧工具并停止拧紧操作。采用屈服点法对螺栓拧紧进行控制的过程中,拧紧扭矩、转角与拧紧扭矩转角斜率的关系如图2所示。总结下来就一句话,屈服点法通过持续检测斜率的变化率,来探测拧紧屈服点。

过屈服拧紧一般是角度法,通过拧紧一定门槛扭矩+角度达到工艺扭矩,例如50Nm+180°最后的工艺点一般会落在屈服点以后,如图3所示,但一般过屈服点角度不会太大,毕竟螺栓过屈服后,夹紧力基本不变或微微增加,而此时螺栓的利用率也已经达到最高。

2、屈服点法和过屈服点如何选择

首先,两者对螺栓的利用率都达到了100%,但两者夹紧力的精度还是屈服点法更高,该方法夹紧力受摩擦系数影响更小,此外该方法在保证螺栓高利用率的同时,基本不会出现断裂失效,此时的螺栓在屈服点,到断裂点仍有足够的安全余量。

而过屈服点的角度法,批量拧紧中,过屈服点的角度也不相同,这就有可能出现螺栓过拧的问题,尤其在短螺栓中,其从屈服点至断裂点角度本来就很小,此时,螺栓拧至工艺点后,容易出现螺栓紧缩甚至断裂失效的问题。

此外,对于一些重要的需要螺栓屈服或屈服后拧紧,同时维修时需要拆卸的位置,屈服点法拧紧的塑性变形仅0.2%,螺栓基本可以重复使用。

而对于过屈服点法拧紧,其过屈服的角度如果较大,例如达到100°,螺栓基本是不能再重复使用的。

既然,屈服点优势明显,对螺栓的利用也是恰到好处,那该方法有没有广泛使用呢?调研发现,目前该方法使用位置很少,以汽车为例,目前仅发动机个别重要在使用。该拧紧方法控制成本很高,且拧紧不合格率居高不下,无法满足如汽车生产等快节拍要求。具体缺点如下:

如下图,箭头所指曲线,如果拧紧过程中曲线的斜率一直处于下降,机器如何判断拧紧点的斜率变为原直线斜率的1/2呢?如果采用定斜率,当对手件的刚性发生变化时,屈服点的位置则会判断错误。

如果拧紧过程中对手件有间隙,那么系统则会判定A为屈服点。而实际上A到真正的屈服点相差甚远,夹紧力远远不足。

通过以上分析,屈服点的控制逻辑很好。当对紧固件和对手件的稳定性要求很高,同时对拧紧的系统的要求也很高。

所以,对于大批量生产的汽车的节拍是个很大的挑战,同时拧紧系统的价格也是高于角度法的,因此无法大量使用该方法。

角度法在在螺栓利用的恰到好处方面是有欠缺,但拧紧实际是拉应力和扭应力的组合应力。只要螺栓不是过短,其从屈服点至断裂点的角度还是很大的。

螺栓从屈服点至断裂点有近1000°,螺栓的安全余量足够,只要合理的设计拧紧角度,是可以避免过屈服拧紧的不足。

目前,该拧紧方法,是广泛应用在汽车的总装车间的。

3、总结

(1)屈服点法的拧紧可以充分的利用螺栓实现夹紧,同时螺栓不会过载,且夹紧力精度高,但由于对螺栓、对手件、拧紧设备和系统要求较高,目前仅在个别位置上使用。

(2)过屈服的角度法拧紧在螺栓的利用上不如屈服点法恰到好处,但因其使用方便,适合大批量生产,且通过合理的角度设计可避免其劣势,目前广泛应用在汽车拧紧领域。
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