朱正德¹　林湖²
（1.上海大眾汽車有限公司；2.上海海運學院）

　　摘　要：扭矩-轉角擰緊方法在現代螺紋副裝配作業中占有重要地位，客觀已是關鍵螺栓緊固所采用的一種主要的方法。但如何在這種工藝條件下對螺紋副的聯接質量進行評定，則是一個需要解決的實際問題，本文就此進行了一些探討。
　　關鍵詞：螺栓聯接；扭矩轉角法；裝配質量；評定方法
　　1、扭矩-轉角擰緊工藝的技術特點所引起的評定問題
　　螺紋副聯接是汽車、內燃機、壓縮機等眾多機械行業裝配作業所廣泛采用的一種方法，為確保裝配的質量，必須對螺紋副的擰緊狀態予以控制?，F今用于控制螺紋擰緊的方法主要有扭矩法，扭矩-轉角法，屈服點法，螺栓伸長法等4種。其中，螺栓伸長法雖然Z為準確、可靠，然而，由于難以在實際的裝配機械上實現，故至今尚未用于生產。相比之下，扭矩法因簡單易行，長期來一直是螺紋副裝配中Z常用的方法。但隨著對裝配質量要求的不斷提高，扭矩法的不足也越來越多地暴露出來。因此，近十年來，重要場合下螺紋聯接所采用的擰緊工藝基本由扭矩-轉角法所取代，大大提高了產品的裝配質量。以轎車發動機為例，在現代汽車廠的發動機裝配線上，關鍵螺栓聯接，如主軸承蓋、缸蓋、機油濾清器支架、曲軸軸頭等的擰緊工藝都為扭矩-轉角法，一些分裝線上的重要螺栓聯接，象連桿，采用的也是這種方法。
　　裝配擰緊的實質是通過螺栓的軸向預緊力將兩個工件（如缸蓋與缸體）可靠地聯接在一起，因此，對軸向預緊力的準確控制是保證裝配質量的基礎。通過控制擰緊扭矩間接地實施預緊力控制的扭矩法由于受到摩擦系數等多種不確定因素的影響，導致對軸向預緊力控制精度低。此外，出于安全考慮，Z大軸向力在設計時一般設在其屈服強度的70%以下，實際值往往只有30~50%。軸向預緊力小而分散，必然造成材料利用率低、結構笨拙和可靠性差。而扭矩-轉角法的實質是控制螺栓的伸長量，在螺栓貼合以后的整個擰緊范圍，伸長量始終與轉角成正比。在彈性范圍內，軸向預緊力與伸長量成正比，控制伸長量就是控制軸向力，螺栓開始塑性變形后，雖然兩者已不再成正比關系，但桿件受拉伸時的力學性能表明，只有保持在一定范圍以內，軸向預緊力就能穩定在屈服載荷附近。事實上，扭矩-轉角法主要通過將螺栓拉長在超彈性極限，達到屈服點，以實現既充分利用材料強度，又完成了高精度擰緊控制的目的。

　　眾所周知，扭矩是一種易測量又易顯示的工作參數，而對軸向預緊力的測量則很困難。在評定裝配質量，即產品的螺栓聯接質量時，若采用扭矩法進行擰緊，則裝配工藝的要求表達為MA=MA0±10％，其中MA0為額定扭矩值。據此，很容易確定上、下限控制，但若采用扭矩-轉角法，工藝要求的表達形式就完全不同，成為：MA=Ms±10%+a10％。其中Ms稱為起始扭矩，a是達到起始扭矩后螺栓轉過的角度，取值一般為60°、90度、120°等，至于±10°只是轉角公差的一種表達形式，也有定為±10%的，或以單邊公差表示，如180°+20°。而對扭矩-轉角擰緊工藝條件，該如何評定螺栓聯接質量呢？這是企業必須解決的一個實際問題。

　　2、評定裝配質量的技術依據

　　現實情況是盡管扭矩-轉角法的擰緊原理與常用的扭矩法有著本質的區別，可在評定產品的裝配質量時，還是只能利用扭矩這一參數，采用對Z終扭矩進行檢查的形式，與執行扭矩法擰緊工藝時一樣。但必須指出，采用扭矩-轉角法擰緊時，Z終扭矩的大小與螺栓聯接的摩擦狀況、材料強度等因素有關，其Z終扭矩的分布比較分散，然而，扭矩的分散正是為了減小軸向預緊力的分散。螺栓聯接組件的扭矩系數越大，其Z終扭矩就越大；當扭矩系數較小時，其Z終扭矩就小。正常情況下，螺栓聯接的扭矩系數總是在一定范圍內分布，獲得的Z終扭矩就在一定范圍內分布，因此，通過設定合理的Z終扭矩范圍，能對采用扭矩-轉角法擰緊工藝時的裝配質量做出評定。

　　由此產生了間接和直接兩種評定模式，雖然它們都是以上述Z終扭矩值作為依據，但獲得的途徑不同。間接法是以擰緊槍在完成螺栓緊固作業那一瞬間所顯示的值作為Z終扭矩的，一般稱為裝配扭矩。而直接法則是一種事后檢查方法，乃是由專業檢查人員手持指針式或電子數顯式扭力扳手，直接對產品上某一螺栓聯接部位進行扭矩測試，均采用“緊固法”，這樣得到的Z終扭矩值常稱為檢查扭矩。

　　從圖1中可以看出，在采用扭矩-轉角法裝配擰緊工藝時，摩擦系數、預緊力與Z終扭矩之間的關系。

　　如果螺栓強度Z大，摩擦系數Z小，則產生Z大預緊力FMmax；

　　如果螺栓強度Z小，摩擦系數Z大，則產生Z小預緊力FMmin；

　　如果螺栓強度Z小，摩擦系數Z小，將產生Z終扭矩MAmin；

　　如果螺栓強度Z大，摩擦系數Z大，將產生Z大Z終扭矩MAmax。

　　鑒于用作螺栓緊固的各類器具，無論較簡單的手持式扭力扳手還是自動化程度很高的多頭電動裝配機，都需經過嚴格、規范的校準，這為保證螺栓聯接的質量打下了基礎。加之檢查Z終扭矩的方式，客觀上會一定程度地改變螺栓聯接的原始狀態，因此，企業在采用直接法評定產品的裝配質量時，大多采取抽檢的辦法。以某汽車發動機廠為例，這項工作在Audit檢查階段進行，每一班抽一臺產品發動機在臺架（即廠里的測功房）進行5個小時運行實驗，在取下后所做的解析、測試內容中，螺栓聯接質量的評定是其中一項，為此質量部門制定了一張“扭矩表”作為依據，由專業人員手持指針式或電子數顯式扳手檢查60多處的Z終扭矩。其他類產品的情況相似，只是不需要在測試扭矩前做什么臺架實驗，象汽車廠中對整車和一些獨立總成的抽檢就是例子。

　　至于采用間接法來檢查螺栓聯接的Z終扭矩，嚴格地講屬于動態監測過程，與以上談到的直接法的性質完全不同。此時，關鍵是確定Z終（裝配）扭矩的上、下限MAmax和MAmin，然后作為設定值輸入電動擰緊槍的控制器，在實施緊固作業過程中，將根據實測的裝配扭矩值大小，對螺栓聯接的狀態作出評價，顯然，這種監測是100%的進行。至于對較簡單的擰緊類器具，做法上雖有區別，但究其性質是一樣的。
　　問題是如何確定Z終扭矩的范圍，在采用扭矩法擰緊工藝時，如前所述，這個問題有明顯答案。但對實施扭矩-轉角法的螺栓聯接，又如何確定它們Z終扭矩的控制范圍，以作為評定依據呢？

　　3、幾種在用評定方法簡述

　　評價扭矩-轉角擰緊工藝條件下的裝配質量，企業界在用的方法大致有這樣幾種：

　　經驗法，即直接參照執行國外的一些做法。鑒于不少國內汽車廠（包括發動機廠和零部件廠）的產品和制造工藝都不同程度地引進國外技術，后者的一些檢查方法也就被國內企業所仿效。

　　下限控制法是有代表性的一種“直接”評定方法，實施該方法時，只設置控制范圍的下限，即Z終扭矩的Z小值MCmin，通過評定確保螺栓聯接的Z終扭矩不小于MCmin。至于MCmin的量值，則有經驗而定，一種較常用的方式是“系數值”，將扭矩-轉角法的起始扭矩乘以一個固定的系數C，作為MCmin，即MCmin=C.Ms，上式中的起始扭矩，系數一般取為1.1。

　　如發動機中的機油濾清器支架，在采用扭矩-轉角法固定于某型號發動機上時，裝配工藝為：16Nm±10％+90°±15°，采用下限控制法時，MCmin就被定為18Nm。

　　還有一種情況是對每個特定的螺栓聯接設定一個明確的下限控制值，即規定此種情況下的MCmin。如在某車型的整車裝配中，將副車架安裝在車身上的裝配工藝為70Nm±10％+90°±10°，下限控制值規定為80Nm。當然，這也是一個經驗值。

　　不可否認，“下限控制”這種經驗法有一定的局限性，只適合工藝過程相當穩定，設備狀態很好的情況下。

　　參考標準法。這種做法適用于間接法評定，即根據一些大的企業集團或組織推出的標準，作為確定Z終（裝配）扭矩MA控制范圍的依據。表1摘自德國大眾汽車集團的一個標準，它給出了部分常用標準螺栓使用扭矩-轉角法進行裝配時，起始扭矩的推薦值，以及軸向預緊力Fn和Z終扭矩MA的散布范圍，后者無疑可以作為MA上、下控制限的參考依據。

表1 超彈性螺栓裝配起始扭矩MA和轉角及Z大Z小預緊力FMmin，FMmax

　　毫無疑問，參考標準法如同前面的經驗法一樣，也有其局限性，首先，表1的轉角法是的，即a=90°，而實際執行扭矩-轉角法時，a可以取包括120°、180°在內的各種值。另外，實施擰緊時的不同做法，如采取擰緊后松開再擰緊，分步擰緊等方式，都直接影響Z終（裝配）扭矩值的分布范圍。

　　統計法。這種評定方法的原理是，在確定螺栓緊固設備（器具）穩定可靠的前提下，通過測量、讀取大量合格螺栓聯接的Z終扭矩，再經統計分析求出其均值和標準偏差，由此確立上、下控制限。統計法既適用于Z終扭矩的直接評定，也適用于Z終扭矩的間接評定，區別僅在于獲得測試樣本的方式、過程不同，前者必須通過事后的人工檢測得到產品的檢查扭矩，而后者就比較簡單，特別對那些電動擰緊裝配機，裝配扭矩MA的讀取、輸出都很方便。

　　對檢查扭矩MC，根據n次測試結果，可求得檢查扭矩的均值MA及標準差s，由此得到合格螺栓聯接檢查扭矩的控制上限MCU=MCm+3s，以及控制下限MCl=Mcm-3s。

　　同樣，對裝配扭矩MA，根據從螺栓擰緊機（器具）上獲得的n個Z終扭矩MA的讀數，可求得裝配扭矩MA的均值MAm及標準差s。由此，就能得到合格螺栓裝配扭矩的控制上限MAU=MAm+3s，以及控制下限MCmin，MCmax=MAm-3sMAL=MAm-3s。

　　以下是一個實例。為了對采用扭矩-轉角擰緊工藝的某型號柴油機缸蓋螺栓聯接制定合理的Z終扭矩在線監測范圍（MAmin，MAmax）和產品檢查控制范圍（MCmin，MCmax），在柴油機總裝現場對該產品進行了裝配扭矩和檢查扭矩的測試，結果如表2所示。

表2 螺栓的裝配扭矩及產品檢查扭矩測試結果

　　根據表2中Z后二行求出的均值和標準差，就可按前面所述方法十分方便地求出直接法和間接法評定時的兩種控制范圍。

　　事實上，不少企業在評定和控制產品的裝配質量時，同時采用“直接法”和“間接法”，尤其對于技術先進的電動擰緊裝配機，設置一個裝配扭矩MA的監測范圍不是太困難。然而再采用抽檢的方式，直接評定產品的檢查扭矩，至于此時到底用經驗法還是用統計法，則由企業自己確定。

　　作者　林湖　上汽大眾汽車有限公司

　　參考文獻：

　　[1]林湖.碩士學位論文.上海海運學院.2002年12月

　　[2]張家全.扭矩-轉角裝配方法及測量誤差分析.第十次全國汽車裝試年會論文集.2002，11

　　[3]張瓊敏.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝研究.第十次全國汽車裝試年會論文集.2002，11