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解讀超聲螺栓預緊力測量技術(shù)

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汽車(chē)行業(yè)或工程機械行業(yè)為滿(mǎn)足大規模、流水線(xiàn)的生產(chǎn)方式,通常交由各個(gè)分供方生產(chǎn)出子零件,再通過(guò)焊接、 鉚接、粘接及螺栓連接等方法將各個(gè)子零部件組裝的方法 生產(chǎn),其中由于螺栓連接設計簡(jiǎn)單、零部件標準化、裝配簡(jiǎn) 單效率高、可拆卸重裝的特點(diǎn),得到最廣泛的應用。螺栓連 接一般是通過(guò)預先設定扭矩進(jìn)行擰緊控制,由于受到法蘭 和螺紋副的摩擦,約 90%的扭矩用于克服摩擦力,在螺栓 屈服點(diǎn)前螺栓能產(chǎn)生很好的張力夾緊工件,但擰緊螺栓的 力并非設定的越大越好,如果擰緊時(shí)超過(guò)螺栓的屈服點(diǎn), 可能產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂。因此在對關(guān)鍵零部件的裝配 擰緊時(shí)通過(guò)分析夾緊力制定可靠的擰緊工藝才能確保連 接的可靠性。

一、螺栓連接緊固的原理

在兩個(gè)部件連接處鉆孔,通過(guò)螺栓連接起來(lái),螺栓在 擰緊過(guò)程中其實(shí)是通過(guò)擰緊力對螺栓進(jìn)行軸向的拉伸,到達扭矩點(diǎn)后,利用螺栓自有的張力把兩個(gè)零部件緊固起來(lái)。在相同的條件下,增加螺桿部位的長(cháng)度,可以使螺栓更好的伸長(cháng),以獲得更大的夾緊力。

需要注意在螺栓彈性變形的范圍內,扭矩與夾緊力理論上呈線(xiàn)性關(guān)系。螺栓的擰緊不能超過(guò)使用極限,如到達屈服點(diǎn)后,將喪失回彈的能力,產(chǎn)生塑性變形,甚至斷裂。隨著(zhù)螺栓等級的增高,其抗拉強度也會(huì )增高,因此,應根據屈服的實(shí)際情況確定螺栓等級以及擰緊時(shí)所需要的扭矩,在發(fā)動(dòng)機內的關(guān)鍵螺栓,一般選用 12.9 級的螺栓,以獲得 更高的抗拉強度。

使用如手動(dòng)扭矩扳子、電動(dòng)擰緊槍等能夠直接測量的出扭矩,但實(shí)際更需要關(guān)心的是夾緊力,夾緊力并不像施加的扭矩那么簡(jiǎn)單,同一顆螺栓擰緊過(guò)程中,產(chǎn)生塑性變形前,擰緊螺栓使其旋轉的越多,得到的扭矩越大。但是扭矩增加,夾緊力并不一定會(huì )隨線(xiàn)性增長(cháng),因為 90%的扭矩被螺栓與法蘭摩擦以及螺紋副中的摩擦力給消耗掉,摩擦因素有較大的離散性。舉兩個(gè)例子,比如一顆螺栓的螺桿上有焊渣或螺紋損壞,擰緊到目標扭矩也許螺栓并沒(méi)有擰到位;又如果在擰緊螺栓前,在螺紋處涂油,相同扭矩下減少摩擦可以獲得更高的夾緊力。因此,更高的夾緊力要求,除了前述的扭矩法擰緊,可以采用扭矩控制和角度監控,或轉角法擰緊等高級擰緊工藝。

二、超聲波夾緊力測量方法

通過(guò)超聲波測量分析儀可以大大減化夾緊力測量分析的流程,測量設備由脈沖發(fā)生器、溫度傳感器、測量分析軟件及超聲波拾取傳感器和線(xiàn)纜等組成,軸向載荷與螺栓擰緊時(shí)的伸長(cháng)量成正比關(guān)系,利于超聲波在螺栓介質(zhì)中沿軸力方向傳播時(shí)間差,就可以依據軸向變形及其對應的關(guān)系來(lái)測算夾緊力了,可大大提高測量精度,其主要步驟為:

①確定螺栓預緊力與伸長(cháng)量的關(guān)系:為減少變差,試驗的螺栓應與測量夾緊力時(shí)的螺栓來(lái)源于同一批次。將螺栓裝配在標定工裝上,設置好螺栓等級、螺栓規格、總長(cháng)度、夾持長(cháng)度等信息后、施加扭矩過(guò)程中通過(guò)測量?jì)x獲取預緊力與伸長(cháng)量的關(guān)系,生成標定文件。

②螺栓的初始長(cháng)度標定:在測量夾緊力前,對準備分析的螺栓進(jìn)行初始長(cháng)度標定,將聲波拾取傳感器貼在螺栓頂部,使用測量?jì)x進(jìn)行初始長(cháng)度波紋的拾取。

③夾緊力測量與分析:按照設定的工藝裝配零件后擰緊螺栓,清潔樣品表面,將聲波拾取傳感器連接到螺栓貼片上,測量?jì)x發(fā)射超聲波信號,依據反射波紋和時(shí)間,結合螺栓的初始長(cháng)度,測算出螺栓在擰緊后的伸長(cháng)量,并依據標定文件的關(guān)系最終確定夾緊力的大小。

④夾緊力分析的質(zhì)量控制:使用超聲波分析時(shí),環(huán)境溫度因保持在恒定狀態(tài),螺栓的頂部和底部必須使用磨削加工等方式獲得足夠的平行的光滑平面,以利于超聲波的反射,獲得更精準的結果。在研究時(shí)應使用更多的樣本進(jìn)行測量,并對測量結果實(shí)時(shí)分析,出現異常值時(shí)要采取多重驗證消除測量誤差,依據統計學(xué)原理,樣本量至少需要大于 30,數據將服從或近似服從正態(tài)分布。

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