拧紧技术简介

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拧紧技术简介
Fasteners Branch Company of F AWER A u t o P a r t s C o. L t d.
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概述1
绝大多数的螺纹联接是用螺纹紧固件把两个或更多的被联接件夹紧在一起，以便抵抗各种外载荷，而被联接件不分离、不滑移、或者接合面不泄漏。

为此，在施加外载荷之前，需拧紧螺纹紧固件。

称拧紧螺纹紧固件为预紧，称该力为轴向预紧力。

预紧过紧(螺纹牙断、栓拧断、被联接件被破坏）和过松（松动疲劳、被联接件脱开），都会导致螺纹连接的失败。

也就是说，螺纹连接的可靠性与实际装配过程中预紧力的离散度密切相关。

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为什么要关注紧固技术
◆一个紧固件在整车生命周期内必须提供足够的夹紧力◆紧固件的设计和装配会直接影响到整车的质量和耐久性◆40-50%释放的整车零件是紧固件
◆60-70%的装配操作是紧固件
◆30-50%的整车问题和紧固相关
◆20-30%的维修问题是由紧固件松脱引起的
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拧紧工艺的重要性
设计
整车的正
常运行制造装配
+
+ =
紧固的三个阶段
-设计是前提
-制造是关键
-装配是最终的保障
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预紧力离散度影响因素
使用的拧紧工具及它们的精度联接副的
摩擦系数
装配
工艺预紧
力离
散
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拧紧精度分级
各种装配方法，由于所采用的拧紧工具精度不同，分为不同的级别，如日本丰田公司将扭矩法装配分为五级：
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拧紧精度分级
德国奔驰、DEUTZ公司将扭矩法装配分为三级：如DEUTZ工厂标准
H0385-1：
表1 高强度螺栓的紧固等级
拧紧参数α
定义为在离散范围内最大与最小装配预紧力之比。

装配预紧力和拧紧扭矩
A
之间的关系由磨擦系数给定。

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车用螺栓摩擦系数规定
联接副的摩擦系数包括螺纹紧固件自身的摩擦系数和被联接件的状态相关，螺纹紧固件自身摩擦系数值依表面处理方式及所用材料而定，不同体系要求不同，同一体系依产品装配位置也有不同要求。

摩擦系数所处范围不重要，关键是要稳定。

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摩擦系数规定
大众标准VW 01129规定：
总摩擦系数μ 允许公差为0.09≤μ≤0.15，由螺栓螺纹和螺栓头以下或螺母支撑面的摩擦系数决定。

允许公差适用于总摩擦系数μtot也适用于螺栓头或螺母支撑面的个体摩擦系数μk，以及螺栓螺纹的摩擦系数μg。

当最大允许测量不定程度为△μ = 0.01时，将会出现0.08≤μ≤0.16的摩擦系数范围，该范围将作为验收要求，单独协商确定，但测量样本系列平均值必须符合μtot = 0.12才可以接受。

而大众车轮螺栓WHT 001 812 A依据表面处理要求μtot = 0.12-0.18，高于VW 01129规定值。

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摩擦系数规定
日系产品则依据表面处理类型不同，其摩擦系数相应不同：
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摩擦系数规定
德尔肯涂层面涂材料不同，所达到的摩擦系数也不同
DELTA-PROTEKT
Friction values (ISO 16047)
0.00
0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20S
e a
l G
Z
V
H
30
1G
Z /
V H
30
1.
1G
Z
V
H
30
2
F o
r d
V
H
3
15
/K L 1
05
Max Min
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拧紧力矩/预紧力最佳值确定
以M10-6.8级螺栓为例，拧
紧力矩最佳范围如图所示，不同
摩擦系数对应不同拧紧力矩值但
最佳预紧力不变，为屈服紧固轴
力的80%左右。

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装配工艺的确定
采用直接控制预紧力的方式控制联接质量是最有效的，但目前还不太可能在流水线上通过直接控制预紧力来装配螺栓联接，只能通过控制和预紧力相关的其它参数(如扭矩, 螺栓头或螺母转角,螺栓伸长量)来间接控制预紧力。

目前主要有以下几种装配工艺方法:
扭矩控制法
扭矩-转角控制法
扭矩-斜率控制法（屈服点控制法）
其它的控制方法
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螺纹紧固件预紧原理
1、螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗
螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。

通常情况下，装配扭矩的约90%都由于螺纹副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有约10%转化为螺栓轴向夹紧力。

理论上，螺栓拧紧过程中拧紧扭矩T 、螺栓轴向力F 与摩擦系数及螺纹形状之间有如下关系：
⎪⎭⎪⎬
⎫⎪⎩⎪⎨⎧++'≈⎪⎪⎭
⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+'-+'=μμμμμβαβαβαw w p s
p w w s s p d d d d d tg F tg tg F T cos 21cos 1cos 2
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螺纹紧固件预紧原理
式的右侧第1、2、3项可分别理解为螺纹副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸长（产生轴向预紧力）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。

式中：
d p 为螺栓有效直径,粗牙螺纹，d p ≈0.906d,细牙螺纹，d p ≈0.928d ；
d w 为端面摩擦圆等效直径，d w =2i
2u
3i 3u d
d d
d 32--≈1.3d ；
d u 、d i 分别为摩擦圆的外径及内径； d 为螺纹公称直径；
β为螺纹升角,粗牙螺纹β≈2︒50'，细牙螺纹β≈2︒10' α'为垂直截面内的螺纹牙形半角，约为29︒58'
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螺纹紧固件预紧原理
螺栓拧紧过程中的扭矩消耗(理论计算)
端面摩擦螺纹摩擦螺栓伸长粗牙螺纹49.1%39.5%11.4%
细牙螺纹49.9%41.1%9.0%
M10，普通粗牙螺纹，μs=μw=0.15
某螺栓拧紧过程中的扭矩消耗实测值
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螺纹紧固件预紧原理
2、摩擦系数与扭矩系数
摩擦系数μ是通常意义上的物理概念，是摩擦力和正压力的比值。

在螺纹联接中，摩擦可分为螺纹副摩擦和端面摩擦两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同，因而存在螺纹副摩擦系数μs和端面摩擦系数μw。

扭矩系数K是宏观上直接反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验系数，是由摩擦系数和螺纹形状共同决定的参数，是反映螺纹副摩擦性能的综合经验参数。

K = T/（d·F）
式中T为拧紧扭矩（Nm），d为螺纹公称直径（mm），F为螺栓轴向夹紧力（kN ）。

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螺纹紧固件预紧原理
螺栓摩擦系数和扭矩的关系
Reibungszahl=0,08Reibungszahl=0,14
夹紧力
螺纹摩擦扭矩
端面摩擦扭矩
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螺纹紧固件预紧原理
3、摩擦性能试验
摩擦性能试验是按规定的转速向特定螺纹联接副的螺栓头或螺母施加扭矩并记录该联接副的扭矩—轴向力曲线，从而求出给定轴向力下的扭矩范围或给定扭矩下的轴向力范围，计算出扭矩系数K和摩擦系数μ及其散差。

通常应用于螺纹紧固件的综合质量鉴定、表面处理、表面涂层质量评定以及确定具体工况下装配工艺参数等。

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螺纹紧固件预紧原理
摩擦系数试验机测试单元
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螺纹紧固件预紧原理
拧紧机自带一个测定总扭矩的扭矩传感器
在螺纹装配夹具内同时安装了 测定 螺纹扭矩 的传感器和 测定 夹紧力 的力值传感器
端面摩擦扭矩=总扭矩-螺纹扭矩
螺纹摩擦力
端面摩擦力
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螺纹紧固件预紧原理
摩擦性能试验机
国外研制此类设备主要公司：
德国Schatz,
德国Reck-Engineering,
美国RS-Technology,
法国Automatic;
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螺纹紧固件预紧原理
摩擦性能试验要求
⑴轴向力及拧紧扭矩的测量精度均优于1%及2%；
(2)以恒定拧紧转速将螺栓拧紧至屈服，并自动记录扭矩及轴向力曲线；
(3)每件试件要配一套未曾使用过的配用螺纹件及垫片；
(4)试验过程中，只有试验件旋转，配用螺纹件及垫片等应固定不动；拧紧套
筒不能接触垫片等其它可能导致扭矩消耗的物件；
(5)试验时应严格按试验要求控制润滑条件；
(6)试验件数的多少根据试验目的而不同，对于工艺试验及货源鉴定试验，为
便于统计分析，一般要求试验件数在25件左右。

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典型装配工艺介绍
屈服点
弹性区
塑性区
极限紧固轴力
屈服紧固轴力
断裂
应变紧固轴力
轴力-应变图
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典型装配工艺介绍-扭矩法
常规法，广泛被应用
适合一般零件的紧固
操作简单，成本低
可使用便宜的拧紧工具(如力
矩扳手或冲击扳手)
扭矩容易测量和控制
扭矩事后易复检
预紧力离散度大
受摩擦系数偏差影响大
螺栓材料利用率低
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典型装配工艺介绍-扭矩法
VW 01126-1规定了弹性区装配标准扭矩值及预紧力最大值和最小值。

内六角螺钉类产品（小支承面）和法兰面螺栓类产品（大支承面）所给数值有所差别，理论上该值不会造成螺栓屈服，但当装配条件处于以下恶劣条件时可能达到螺栓的屈服极限。

1. 扭紧力矩超过了标准值 15 %；
2. 螺栓强度为相应强度等级的下限值Rmmin；
3. 摩擦系数 fG=fK=0.1
4. 舍入表的数值偏离实际计算出的数值+ 10 %。

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典型装配工艺介绍-扭矩转角法
汽车工业标准工艺之一
适合重要关键零件的紧固
操作较复杂，成本高
对拧紧工具要求较高
需对扭矩和转角测量
能准确控制预紧力
螺栓材料完全被利用
仅与螺纹间摩擦及螺栓材
料的屈服强度有关
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典型装配工艺介绍-扭矩转角法
转角法就是在拧紧时将螺栓于螺母相对转动一个角度，称之为紧固转角，把一个确定的紧固转角作为指标来对初始预紧力进行控制的一种方法。

该拧紧方法可在弹性区和塑性区使用。

在被连接件和螺栓的刚性较高的场合，对弹性区的紧固是不利的；对塑性区的紧固时，初始预紧力的离散度主要取决于螺栓的屈服点，而转角误差对其影响不大，故该紧固方法具有可最大限度地利用螺栓强度的优点（即可获得较高的预紧力）。

应该注意的是该拧紧方法在塑性区拧紧时会使螺栓的杆部以及螺纹发生塑性变形，因此，对螺栓塑性差的以及螺栓反复使用的场合应考虑其适用性。

另外，对预紧力过大，会造成被连接件受损的情况时，则必须对螺栓的屈服点及抗拉强度的上限值进行规定。

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典型装配工艺介绍-扭矩转角法
大众VW 011 26-2超弹性拧方法工艺规范
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典型装配工艺介绍-扭矩斜率法
扭矩斜率法是以θ
f -T
f
曲线中的扭矩斜率（d
Tf
/d
θf
）值的变化作为指标进
行初始预紧力的控制方法。

越来越重要的拧紧工艺，适合重要关键零件的紧固。

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典型装配工艺介绍-扭矩斜率法
屈服点拧紧法最大的优点是不受扭矩控制法的摩擦系数和转角控制法的转角起始点的影响，将摩擦系数不同的螺栓都拧紧到其屈服点，最大限度的发挥了螺纹件强度的潜力，从而克服了扭矩控制法和转角控制法的致命缺点，提高了装配精度；能准确控制预紧力，螺栓材料完全被利用，仅与螺纹间摩擦及螺栓材料的屈服强度有关。

与塑性区的转角法相比，螺栓的塑性及反复使用等方面出现的问题较少，但紧固工具比较复杂。

扭矩斜率法的目标值为扭矩斜率，并在最大扭矩斜率的1/2-1/3范围内选择。

缺点：该方法对干扰因素比较敏感，同时对螺栓的性能及结构设计要求极高，控制难度较大。

需要昂贵的评测器材对扭矩和转角测量，因此拧紧工具的价格十分昂贵。

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扭矩转角法与扭矩斜率法区别
扭矩转角法拧紧质量与联接组件的摩擦系数有关，如被联接件的材质、光洁度、表面处理方式、螺栓螺母组件的摩擦系数、螺栓的屈服强度等均有关；
而扭矩斜率法拧紧质量仅与螺纹间摩擦及螺栓材料的屈服强度有关。

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装配工艺/工具对螺栓设计的影响
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其它装配工艺介绍
分步拧紧工艺
分2-3步将螺栓拧紧至目标扭矩，适用于螺栓组的拧紧。

多次拧紧工艺
将螺栓拧紧后松开，再次拧紧，适用于无理想装配条件的重要螺栓装配。

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拧紧扭矩的检查方法
实时检测：
机检：拧紧机具有扭矩测试、储存、显示或打印功能，能在拧紧的同时进行扭矩检测。

串接扭矩传感器：在拧紧头与螺栓头（螺母）之间串接扭矩传感器，用以检测拧紧扭矩。

事后检测：
拧松法：用扭矩扳手慢慢地将被检螺栓（螺母）松开，读取螺栓（螺母）开始转动时的扭矩作为检查所得扭矩。

复位法：先在被检螺栓（螺母）或套筒与被联接件之间划上一道线痕，确认相对位置，再用扭矩扳手将螺栓松开后重新拧紧至原来位置，读取此时的拧紧扭矩作为检查所得扭矩。

拧紧法：用扭矩扳手慢慢向被检螺栓（螺母）施加拧紧扭矩，读取螺栓（螺母）开始转动时的扭矩作为检查所得扭矩。

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紧固件－扭力/夹紧力测试
DIN EN ISO 16047国际标准规定了：在螺纹紧固件和相关零件执行扭矩/夹紧力试验的条件。

1、这个试验基本适用于：碳钢和合金钢制造的机械特性在ISO 898-1 或
ISO898-2 中规定的ISO米制螺纹，其螺纹规格为M1.6 到M39 的螺栓、螺钉和螺帽。

也可以应用于其它带有符合ISO 68-1的三角形ISO螺纹的外螺纹和内螺纹组合件。

2、这个试验不适用于：定位螺钉和其它不受拉伸应力的类似螺纹紧固件，也不
适合自攻螺纹，和有自锁功能特性的螺纹紧固件。

3、除非有其他的协议，试验将在室温下进行，在标准条件下进行试验温度控制
在10°C 到 35°C
4、实验目的。

a:在标准状况下紧固件拧紧特性的试验。

b:在规定状况下紧固件拧紧特性的试验。

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5、试验机器:显示精度值要求±2%，角度测量精度应在±2°或测量值的±2%（两个中较大的一个）。

对于仲裁的目的，扭紧时应使用能控制的动力工具并控制旋转速度保持恒定，测量结果能以电子方式记录。

重要的是试验机器的重复性要好。

6、试验夹具:测试夹具应能承受夹紧力复合力和支承表面摩擦扭矩，并没有测量后永久变形和位移。

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紧固件－扭力/夹紧力测试
7、试验零件是和被试验零件相配合的零件
8、试验零件的制备:试验前应去除油脂，机油和其它污物。

试验零件应通过超
声波方式脱脂并按照符合健康和安全实际要求的合适方法解决。

如有争议，脱脂程序应在双方商定下保持一致。

9、试验支承垫片或试验垫圈:应使用高硬度（通过淬火，类型HH)或低硬度（
类型HL）垫片或垫圈之一。

垫圈类型HH:硬度：50-60HRC，粗糙度为Ra0.5±0.3 ，间隙孔按ISO273中等，不倒角也没有沉孔。

最小厚度按ISO7093-1 ，相同零件厚度变动及平面度按ISO4759-3。

表面状况：a.平面没有涂层，并且去脂b；电镀锌A1J，按ISO4042并且去脂；垫圈类型HL:硬度：200HV-300HV，粗糙度:厚度≤3mm，表面粗糙度Ra1.6max，对于厚度3<h≤6，表面粗糙度Ra3.2max，其余按垫圈类型HH。

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紧固件－扭力/夹紧力测试
10、试验螺栓，螺钉和螺柱的螺母：对于性能为10.9级及以下的试验螺栓，螺
钉和螺柱，试验螺母应按照ISO4032或ISO8673，性能等级10级。

对于性能为12.9级的试验螺栓，螺钉和螺柱，试验螺母应按照ISO4033或
ISO8674，性能等级12级；
表面状况：
a）平面没有涂层并且去脂。

b）电镀锌A1J按照ISO4042要求并且去脂对于短螺钉或为螺柱试验的螺母的末端，用带有螺纹孔的块代替螺母，起作用的螺纹长度应至少为0.8d。

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紧固件－扭力/夹紧力测试
11、试验螺母的螺栓，螺钉：对于试验螺母，试验螺钉和螺柱应按照ISO4014，
ISO4017 ，ISO4762 ，ISO8675，ISO15071或ISO15072并且性能等级应与被试验螺母的性能等级相符，无论如何也不能低于8.8 级，螺纹应是滚制的。

表面状况：
a）平面没有涂层并且去脂。

b）电镀锌A1J按照ISO4042要求并且去脂
根据试验螺母的类型，当螺母位于试验支承面或试验垫圈的反面时，试验螺栓或试验螺钉伸出的长度在2—7 个螺距之间。

当螺帽拧紧时夹紧长度内的螺纹长度至少有最少2 个完整螺距。

试验螺栓顶部是平整的，并倒角，螺纹没有毛刺并且没有其它污染物影响扭紧扭矩。

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紧固件－扭力/夹紧力测试
12、为了仲裁的目的，试样镀层后24 小时后才能测试，使试样的温度达到室
内温度。

13、除非特别规定，试验零件（试验螺栓，试验螺钉，试验螺母，试验垫圈和
试验支承垫片）应只使用一次。

计划和重复使用试验支承垫片做试验时，试验支承垫片的历史应标识清楚。

M1.6--M16: 10r/min-40r/min
>M16--M39: 5r/min--15r/min
转动速度应一致，夹紧力为保证载荷的75%
14、在规定状况下试验：对于本试验，试验机器和试验夹紧的使用如6.1和6.2
中规定，然而，试验螺栓，试验螺母和试验支承垫片及拧紧速度和装配应按合同规定。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
VW 01131对ISO16047标准进行了补充：DIN EN ISO 16047规定了对机械紧固件进行扭矩试验的标准化条件，其结果往往不适用于在生产中使用，对紧固连接相关条件的满足应该尽可能地接近实际的要求。

对扭矩实验机的要求：必须能够实现最低200min-1的高速拧入（工作中上有时超过300min-1）和间歇的多级拧紧（预拧紧-停止-最终拧紧）；它必须能够执行和评估超过四个重复的紧固过程。

原则上必须确保螺纹伸出部分至少3×P(1×d更好)。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
零件的制备：每项试验必须使用新的试件（螺栓、螺母、头下支承垫片），长期储存涂有油脂润滑的参照零件在紧固前必须彻底清洗，清洗程序只能在测试开始时进行一次，不适用于批量生产零件的测试。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
测试螺栓：
如果可能的话，测试用的足够长的凸缘螺栓级别应为10.9级.
为了给与公差带位置为6H的螺母的螺纹配对提供足够的间隙，电镀螺栓螺纹必须按照VW11624（公差等级6f）制造，镀锌层螺栓螺纹按照VW11627（公差等级6e）制造。

撞击痕迹有不利影响，必须进行评估或排除在外。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
参照螺母（用于螺栓测试）：
最好是正方形焊接螺母，高型，按照VW60449；螺纹按照VW11624-公差等级6G；表面处理为c340（非合金的锌层，未经后处理的薄层钝化按照VW13750和技术说明TL217）老标准为C310
测试螺母：如果对螺母进行紧固（螺母作为测试零件，螺栓作为参照零件），使用备注中提到的法兰螺栓和垫片。

参照螺栓（用于螺母测试）：六角头螺栓按照DIN EN ISO 4017/DIN EN ISO 8676或者可比的，表面处理c340（按照VW13750和TL217）。

性能等级8.8或10.9，螺纹按照VW11624(公差等级6f)
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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
喷漆表面上的螺纹联接：车身板（DIN EN 10111-DD12，非合金热轧带钢，最大硬度130HV），板厚度：2mm，通孔按照DIN EN 20273，中等系列，一层阴极电镀按照（QP F087）：黑色，预处理：磷酸锌处理（例如Bonder153/ Granodine1994），总层厚=（20±3）μm
替代方案：
可能的替代件是类似于DIN 436的垫圈，与标准的偏差是，最大硬度为130HV。

但要求弹性一致，有防旋转保护的功能。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
在铸造材料表面和内部的螺纹联接:按照DIN EN 1706穿孔铝带由EN AC-AISi制成（例如硅铝合金-20），板厚大于等于5mm（为防止挠曲），通孔按照DIN EN 20273，中等系列，无毛刺。

加工条件中的强度和硬度（100±20）HB，铣过的表面和后续的完工切削，Rz=（15±5）μm。

（铝带表面重新铣过后可以使用几次）
老标准有Mg和GGG50
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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
测试步骤:
1、如果可能，必须采用批量生产或有问题的螺纹联接的紧固程序。

如果不知道
参数，则下面的基本原理适用：
2、在螺钉头和对面的支承面之间保证最小的转角≥360°
3、使用固定主轴驱动的螺纹联接的预拧紧必须以200min-1的速度拧紧（拧紧
扭矩为最终扭矩的20%-40%）老标准是20%-30%
4、主轴的短时缷载（MA=0Nm）至少停顿0.2s
5、试验机最终以20min-1上紧到相应的最终扭矩。

6、用相同的参数进行重复上紧操作。

在此之前，在短暂的休止期（至少1s）
后必须在尽可能低的转速（60min-1 max）下松开以避免额外发热。

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紧固件－扭力/夹紧力测试—补充
评价:
对于计算μk和μtotal，必须在第一次松开后从两个支承面（相对的支承面和头下的支承面）的压印确定平均摩擦直径Dkm。

老标准无
以下要测量参数的图形表示:
x/y图μk,μg,μtotal对应F V
x/y图 M K,M G,M A对应F V
柱图第一个螺纹联接的μk，μg，μtotal的最小值、平均值和最大值
可选的表示法
柱图重复的螺纹联接的μk，μg，μtotal的最小值、平均值和最大值
x/y图μk,μg,μ合计对应旋转角
x/y图 M K,M G,M A,F V对应旋转角
老标准无
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