拧紧策略及其对螺栓预紧力影响研究

刘 宁，安鲁陵，王庆有，赵 聪

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016；2.航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

机械连接作为飞机结构中重要的连接方式，其主要分为铆钉连接和螺栓连接。虽然铆接在飞机连接中使用普遍，但因其不可拆卸，在一些重要的承载结构处则需要螺栓连接。螺栓拧紧作为螺栓连接的重要环节，其本质在于对预紧力的控制[1-2]。研究表明，在一定预紧力范围内，螺栓的预紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，而预紧力过大则可能会导致连接失效[3]。本研究所指的拧紧策略具体涉及拧紧方法和工艺参数。其对预紧力有重要影响[4]。在扭矩法拧紧过程中，预紧力通过拧紧扭矩转化得到，受摩擦系数影响显著，而拧紧工艺参数会影响摩擦系数，使得预紧力与拧紧力矩的关系更加复杂[5]。因此，研究螺栓拧紧策略及其对预紧力的影响，对精准控制预紧力、充分发挥螺栓连接的能力，保证连接质量具有重要意义。针对螺栓拧紧策略的关键问题，从拧紧方法、拧紧方法对预紧力的影响、拧紧工艺参数对预紧力的影响三个方面进行了分析和研究。

1 螺栓拧紧方法

螺栓拧紧方法可大致分为弹性区拧紧法、塑型区拧紧法和其他拧紧方法，其中弹性区拧紧主要是扭矩法；塑性区拧紧法包括扭矩-转角法（也可适用于弹性区）、扭矩斜率法（屈服点控制法）[6-10]。

1.1 扭矩法

扭矩法是一种最为常用，装配时只能应用在弹性区，利用扭矩与预紧力的线性关系进行拧紧的方法。目前，扭矩法是通过控制螺栓扭矩来间接控制被连接件的预紧力值，通常采用电动扳手、弹簧式力矩扳手、气动液压扭矩扳手进行拧紧，拧紧时的外力矩等于螺栓扭矩值，当其达到规定扭矩时停止拧紧。在使用扭矩扳手进行拧紧时，拧紧扭矩T与预紧力F有一定的对应关系[11-13]，即：

式中：K为扭矩系数（受润滑条件、螺栓连接结构、零件表面加工精度、拧紧速度、环境温度等因素影响），D为螺栓的公称直径。

MOTOSH[14]提出螺栓的拧紧扭矩主要可分为三部分，上述公式可转化为：

式中：TP为作用于螺纹牙的扭矩，Tt为螺纹间的摩擦扭矩，Tb为支撑端面的摩擦扭矩。

ISO 16047[15]在德国标准基础上对上述公式进行了具体表达，并提出了摩擦系数的简化公式，即用来评估螺栓螺母拧紧时总体的摩擦行为。将式（1）转化为预紧力F的表达式：

p、d2、du为螺栓的几何参数，可视为定值，由此可见，决定扭矩与预紧力之间对应关系的因素是摩擦系数μm。

摩擦系数取值约为0.2时，扭矩与预紧力的关系一般遵循5-4-1原则，即所施加的扭矩50%需要克服螺栓头（螺母）旋转所产生的摩擦力，40%需要克服螺纹副的摩擦力，剩余10%则用于产生预紧力，如图1所示[12]。

图1 扭矩的转化

扭矩法操作简单，但影响螺栓摩擦系数的因素很多，在定扭矩的条件下，预紧力会受扭矩系数的影响，即受摩擦系数的影响，若摩擦系数不同，所获得的预紧力也有差异。因此，应对该拧紧方法进行全面而深入的研究，充分了解扭矩系数的变化规律，否则难以实现对预紧力的精准控制。

1.2 扭矩-转角法

扭矩-转角法是在拧紧时，将螺栓拧到贴合扭矩后，再转动螺纹紧固件达到相应的角度，达到精确控制预紧力的目的，该方法可适用于弹性区域和塑形区域，拧紧过程如图2所示。虽然扭矩-转角法得到的预紧力也会受到摩擦系数影响，但其处在弹性变形区域时，若弹性模量恒定，预紧力可以通过拧紧转角来控制，从而降低摩擦系数对预紧力的影响。在螺栓发生塑性变形后，螺栓预紧力虽不与伸长量成正相关，但只要将螺栓的形变维持在屈服点上下的区域内，预紧力就会保持相对稳定。因此，该方法可以降低预紧力的分散度，提高对预紧力的控制精度[16-19]。

图2 扭矩-转角法拧紧示意图

1.3 扭矩斜率法

扭矩斜率法（屈服点控制法）是在拧紧过程中，由拧紧设备进行监控，一旦监测到螺栓强度达到屈服，即达到目标扭矩遂停止拧紧，从而获得相应预紧力的一种拧紧方法，示意图如图3（a）所示。拧紧设备的原理是螺栓在伸长过程中，预紧力相对于螺栓旋转角度的上升斜率有所不同，如图3（b）所示a段与b段斜率不同，即α1≠α2，而螺栓屈服时，扭矩斜率的变化十分迅速，屈服点的监控是通过对转角与力的变化进行计算与识别，从而达到控制预紧力的目的[12，16]。

图3 扭矩斜率法

扭矩斜率法的优点是不受螺栓摩擦系数和起始扭矩的影响，从而克服了上述两种方法的缺点，拧紧精度有所提高。采用屈服点控制法时预紧力的大小主要取决于螺栓本身的屈服强度，对于螺栓自身的屈服强度与抗拉强度有较高要求，即对螺栓的材料和热处理要求较高，一般应用于要求特别高的装配部位。

综上可知，因扭矩法操作简单且利用拧紧扳手就能实现，拧紧时多被采用，但在给定扭矩的条件下进行拧紧时，影响螺栓摩擦系数的因素很多，进而影响扭矩系数，导致预紧力有较大误差[20，21]，许多学者都提到了以上不足并建议多采用屈服点控制法和扭矩-转角法进行拧紧，但目前大多文献都只是对方法的原理进行说明，对于确定扭矩-转角法何时施加转角还有待于研究，另外对于屈服点捕捉的方法也需要进一步研究。汤春球等[22]通过模拟工装进行拧紧试验，根据试验曲线确定贴合扭矩以及紧固转角，并提出用线性回归方程取得扭矩/角度曲线的梯度和线性斜率系数的方法，经验证该方法对于拧紧屈服点的确定较为精确。李小强等[4]在一定初始扭矩条件下通过绘制转角-预紧力关系曲线，来确定扭矩-转角法的贴合扭矩。

2 拧紧方法对预紧力的影响

螺栓预紧力对螺纹连接结构的性能至关重要，拧紧的根本在于将预紧力控制在合理范围内，普通螺栓所需预紧力的上限由紧固件和被连接件的强度决定，该值须确保螺栓及被连接件在预紧和工作过程中不会发生剪断、疲劳断裂、被连接件压缩等破坏；其下限取则决于连接结构的功能，要保证连接件在工作过程中始终贴合[9]。

于成杰[18]认为螺栓预紧力取值越高越有利，其主要依据是螺栓的抗疲劳性能以及抗松动性能会因预紧力的提升得到改善。赵欣等[23-25]利用有限元软件通过对螺栓受载进行应力分析，研究了螺栓预紧力对螺纹连接结构强度、疲劳和松动的影响，结果表明预紧力会影响螺纹连接的可靠性，而螺栓预紧力的大小直接受拧紧方法的影响。

林湖等[3，18，26]通过对扭矩法及扭矩-转角法进行理论分析对比发现，扭矩-转角法对拧紧控制精度更高，文献[2]对某机型柴油机缸盖螺栓采用不同拧紧方法进行实验，结果表明，在一定的形变范围内，若螺栓与被连接体的刚度保持相对稳定，那么扭矩-转角法引起的预紧力较扭矩法也相对稳定。

刘晓石[27]分别采用扭矩法和扭矩-转角法对发动机连杆螺栓进行拧紧试验，结果表明扭矩-转角法对预紧力控制精度更高。Wu等[28]在扭矩-转角法的基础上，提出了一种基于模糊逻辑控制的扭矩控制方法，利用该方法对贴合扭矩进行控制，进一步提高了扭矩-转角法的精度。文献[20]通过实验对比分析得出，使用扭矩-转角法进行拧紧得到的预紧力比扭矩法更接近理论目标值，而扭矩-转角法对预紧力控制精度高的原因是施加的扭矩将结合面贴紧，克服了初始表面凹凸不平的因素，进一步施加转角避免摩擦力影响轴向伸长量。

PERSSON等[29]通过对不同拧紧方法进行实验，结果表明拧紧时，螺栓伸长量分散程度最小的是采用屈服点控制法，扭矩-转角法次之，扭矩法最大。

综上所述，拧紧方法主要影响预紧力的控制精度，因其他拧紧方法使用条件繁杂，成本较高，大多数学者对常用的扭矩法和扭矩-转角法进行了研究，研究表明扭矩-转角法相比扭矩法对预紧力控制精度较高，且不受扭矩系数的影响，未来拧紧应多采用扭矩-转角法，并对其进行更深入的研究。

3 拧紧工艺参数对预紧力的影响

采用扭矩法进行螺栓拧紧时，预紧力是通过扭矩扳手拧紧螺栓头部或螺母产生的，由图1可知拧紧扭矩主要是在克服摩擦过程中消耗的，摩擦包括端面摩擦以及螺纹副摩擦，这两部分的摩擦系数不准确将会影响螺栓连接性能的准确性，若螺纹间摩擦系数提高，摩擦力矩会随之增大，阻碍螺栓（螺母）旋转，反之螺栓连接容易发生松动。拧紧阶段的摩擦系数是研究拧紧扭矩-预紧力关系的关键[30，31]，除材料种类影响摩擦系数之外，工艺参数是直接影响因素，其中拧紧工艺参数包括：润滑条件、拧紧次数、拧紧速度等[32-34]。因此，研究拧紧工艺参数对预紧力的影响，对螺栓拧紧机理以及拧紧策略的研究有一定积极的作用。

岳烜德[35]通过研究用指数函数建立了摩擦系数与预紧力的关系，在这基础上采用扭矩法研究了四种拧紧工艺参数对摩擦系数的影响，明晰了拧紧工艺参数对复合材料连接T-F关系的影响，最终根据T-F曲线的包络区域，确定了拧紧工艺参数的调整区间，为选择拧紧工艺参数提供依据。

CROCCOLO[36-38]团队在螺栓拧紧过程中采用扭矩法从拧紧工艺参数入手，在摩擦系数对预紧力的影响方面做了大量研究，在相同的拧紧扭矩条件下，如果摩擦系数低，会产生高预紧力；相反，较高的摩擦系数提供的夹紧力可能不足。周俊波[39]结合微动摩擦学理论和表面工程技术，通过实验研究了在剪切载荷作用下拧紧工艺参数对螺栓连接结构松动行为的影响，分析发现表面摩擦系数过大会影响预紧力的一致性，过小螺栓则容易发生松动。

吴向阳等[40]提到使用润滑脂时，普通锂基润滑脂在金属凹凸表面间形成油膜，可有效降低螺栓连接结构的扭矩系数；在相同预紧力的条件下，预紧力的分散性会有所降低，螺栓连接的可靠性有所提高。王晓斌等[41]利用螺栓多功能紧固分析系统分别采用扭矩法探究了不同拧紧转速对螺栓连接效果的影响，研究表明，在无润滑条件下，随着拧紧速度增加，螺栓摩擦系数会有所降低，从而引起扭矩系数降低，拧紧扭矩转化预紧力也随之增大，文献[4]在此基础上进一步研究发现拧紧速度越大，拧紧扭矩系数K值越稳定，预紧力的离散程度越小。

李小强等[42]基于搭建的TC4单螺栓拧紧试验系统开展了试验研究，研究表明采用扭矩法进行拧紧，拧紧摩擦面和螺纹接触面摩擦系数的不稳定都会影响K值，拧紧摩擦面表面粗糙度降低或者表面润滑较好时，拧紧装配时当量摩擦系数会减小或趋于稳定，可有效降低拧紧力矩系数的波动，提高螺栓预紧力的一致性。

结合以往研究，国内外研究学者都是通过实验研究-有限元分析结合的方法从拧紧工艺参数入手，研究了拧紧工艺参数对摩擦系数的影响机制，从而研究拧紧扭矩与预紧力的转化关系，因为螺栓拧紧是一个复杂的非线性问题，目前仿真采用的大多是简化模型，对于实体细节模型因四面体网格划分的质量较差，多采用一体化六面体网格划分，但由于计算效果和收敛结果等原因，螺栓拧紧仿真过程还有待完善，而且拧紧过程仿真研究就螺栓种类而言多为凸头螺栓，对沉头螺栓的研究较少，其头部相对于凸头螺栓头部的差异性需进一步研究；就连接材料而言，研究多为复合材料-复合材料，复合材料-金属之间，金属-金属也需进一步研究。

4 结语与展望

螺栓连接因其连接可靠性强、拆装方便的优点被广泛采用。螺栓拧紧策略的研究对于提升螺栓连接的可靠性以及装配质量非常重要，不同拧紧方法对预紧力的控制不尽相同，需根据实际工况选择合适的拧紧方法。使用扭矩法进行拧紧时，预紧力不能直接测得，需利用扭矩与预紧力关系公式进行计算，其中摩擦系数是影响扭矩与预紧力之间关系的决定性因素，可以通过控制拧紧工艺参数提高连接的可靠性。

在螺栓拧紧方法方面，大多数研究只停留在基础理论层面，对于具体拧紧步骤、适用范围研究的较少；对扭矩-转角法的研究也只是与扭矩法进行精度对比，虽证实扭矩-转角法对预紧力控制精度更高，但对扭矩-转角法的具体实施方法还较模糊，转角的确定方法很笼统，目前较为常用的方法一种是通过扭矩/角度曲线梯度来捕捉屈服点的方法来确定，另一种则是根据实验确定，这对实验装置要求较高，需要实时监测转角与预紧力，操作成本也较高，现如今采用该方法都是针对特定螺栓确定特定的拧紧规范，今后可以向简化实验装置的方向进行研究。

在拧紧工艺参数研究方面，国内外学者都进行了大量相关研究，建立了拧紧扭矩与预紧力的关系方程，深入研究发现扭矩系数的直接影响因素是摩擦系数，而摩擦系数则受拧紧工艺参数影响，进而影响预紧力。目前看来，扭矩系数和摩擦系数直接相关，前者更有利于简化概念，是工程技术人员研究的重点，研究摩擦系数对T-F关系的影响可能是研究人员所关注的。

在工业技术向着信息化及智能化高速发展的过程中，紧固件也应向智能化发展。本研究以不同拧紧方法为基础，分析了近年来螺栓拧紧的相关研究，为螺栓拧紧策略提供参考，未来在螺栓紧固件与拧紧技术智能化的同时，智能化健康监测，螺栓松动后自我拧紧，基于数字孪生的装配技术也需要进一步探索。