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残余扭矩的监控范围,如何确定?

背景

拧紧点拧紧质量的保证,一方面是通过在拧紧过程中各阶段设置扭矩、角度监控窗口,确保实际拧紧的数值可靠和有效,当拧紧曲线的扭矩、角度超出监控窗口时,就会出现报警,监控窗口的设置可以有效识别拧紧过程中的各种异常问题,确保拧紧质量。

另一方面就是残余扭矩的检测,残余扭矩的检测主要是为了识别螺纹连接的扭矩衰减。此外,拧紧设备的异常也可以通过残余扭矩的检测来发现问题。残余扭矩的测试方法有再拧紧扭矩法、检测扭矩法、剩余扭矩法、拧松法和超声波测量法

目前广泛应用在方法是再拧紧扭矩法、检测扭矩法,再拧紧扭矩法适用于大部分拧紧点,无需破坏连接副、操作便利,测试后无需返工。检测扭矩法适用于连接副不能转动的特殊位置,如预涂了固化型的防松胶。

1、拧紧等级划分

不同等级的连接副残余扭矩范围是不同的,紧固件拧紧等级的分类可按照下图进行判别,它是基于拧紧点出现失效时的后果严重程度进行的分类。

结来说,KAT A是拧紧点出现失效时,可能会造成人员的伤亡。例如汽车转向横拉杆螺栓,出现松脱后,会造成汽车无法正常转向,有造成人员伤亡的风险,因此被定义为KAT A。

KAT B是拧紧点出现失效时,可能会出现功能失效,例如雨刮器,固定螺栓失效后,会造成汽车雨刮器立刻无法正常工作,因此被定义为KAT B。

KAT C是拧紧点出现失效时,可能会引起客户的抱怨。例如内饰件的固定螺丝,松脱后不会有安全和功能的失效,但会造成客户抱怨,因此被定义为KAT C。

下表中列出了常见工位的螺纹分级。

2、再拧紧扭矩法的监控范围

再拧紧扭矩Mna又可以分为Mna1和Mna2。通常情况下,紧固件在装配后5-30min内测量的再拧紧扭矩为Mna1,通常也称为静态残余扭矩。而紧固件在装配后,经过动载(如路试试验)或热应力(如高低温交变试验)后,测试的再拧紧扭矩为Mna2,通常也称为动态残余扭矩。

再拧紧扭矩的操作方法是在完成拧紧的螺栓上进一步拧紧较小的角度,拧紧的角度一般为15°,操作手法如下图所示。

2.1 项目阶段(Mna1的监控范围):

(1)扭矩法拧紧:

设拧紧扭矩为MA。

(2)扭矩转角法:

扭矩转角法的终紧扭矩数值不是一个固定数据,如果是在实验室,可以参考上表进行监控。在车间装配时,通常采用参考扭矩法,下表适用于扭矩转角法过屈服拧紧,给出了M4-M20范围内,项目阶段残余扭矩的监控范围,具体数据见表格最后一列。

通常情况下:

MT,min ≤ Mna1 ≤ MT,max

当Mna1高于MT,max,建议对连接副的拧紧曲线进行评价。

表1 扭矩转角法的扭矩参考范围

2.2 项目阶段(Mna2的监控范围):

Mna2为经过动载(如路试试验)或热应力(如高低温交变试验)后,测试的再拧紧扭矩,其项目阶段的监控范围为:

(1)扭矩法拧紧

设拧紧扭矩为MA。

(2)扭矩转角法

0.7*MT,min ≤ Mna2 ≤ MT,max

MT,min和MT,max的数值参考表1。

2.3 批量阶段:

批量阶段的再拧紧扭矩Mna1和Mna2,是通过统计方法确定的。在项目阶段收集不低于50组测试合格的再拧紧扭矩数值,计算出这些的数据的均值μ和标准差s,根据正态统计分析,确定(μ-3s,μ+3s)的范围为批量阶段再拧紧扭矩监控范围,当涉及紧固件和被连接件发生变更时,再需要重新收集数据和计算监控范围。当(μ-3s,μ+3s)超出项目阶段监控范围时,取两个监控范围交集。

那么可能有老铁会问,监控范围为什么要通过统计方法确定,不能一直采用项目阶段的范围呢?

例如,设一个拧紧点的工艺为KAT A 100Nm,按照项目阶段的监控为80-120Nm,但实际该拧紧点扭矩衰减很低,拧紧后的Mna1基本就在100Nm左右,根据统计方法确定的监控范围假设为95-105Nm。当某次的Mna1数值为80Nm,如果按照项目阶段80-120Nm的监控范围则判定为合格,但一个扭矩基本无衰减的位置突然衰减比例达到20%,拧紧过程是否可能存在异常。

每个连接点再拧紧扭矩测试结果影响因素众多,因此按照统计方法确定的范围更有利于分析拧紧过程是否可能存在异常。即使是左右对称的拧紧位置或相同拧紧位置,不同拧紧点,监控范围都是不同的,监控范围均是基于各自连接副的特性确定的。从这里也可以看出,统计方法在质量控制中起着重要的作用。

3、检测扭矩法

检测扭矩法是在拧紧的方向继续拧紧,直至拧紧达到检测扭矩(Mp),如果螺栓头部不出现转动,则判定为合格,反之则不合格。

检测扭矩法适用于采用预涂固化型防松胶螺栓连接的检测,可以避免破坏已经固化的防松胶水。

扭矩法拧紧时,拧紧的扭矩为MA。

扭矩转角法拧紧时,扭矩上下限的范围参考表1中的MT,min和MT,max。

检测扭矩数值设置如下:

检测扭矩法为一个具体数据,在项目阶段和批量阶段,数值是相同的。

螺丝君经验与总结

(1)拧紧过程中,设置扭矩和角度监控窗口是保证拧紧质量的重要方法。而拧紧完成后,设置合理的残余扭矩监控范围也能有效防止拧紧扭矩衰减大,保证拧紧质量。

(2)目前最常用的残余扭矩测试方法有再拧紧扭矩法和检测扭矩法,项目阶段和批量阶段再拧紧扭矩法的监控范围参考本文第3节。检测扭矩法的数值参考本文第4节。

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