螺紋裝配擰緊的本質(zhì)是通過(guò)螺栓的預(yù)緊力可靠地連接兩個(gè)工件，提高連接的剛度和緊密性，防止松動(dòng)和防滑，但過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力是有害的。
預(yù)緊力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂、連接件斷裂、扭曲或斷裂等嚴(yán)重后果；預(yù)緊力不足會(huì)導(dǎo)致連接件錯(cuò)位、歪斜、螺母松動(dòng)，甚至緊固件被切斷。預(yù)緊力的變化會(huì)導(dǎo)致零件內(nèi)部應(yīng)力不一致，影響螺紋副連接的性能，降低螺紋副的疲勞壽命。據(jù)報(bào)道，90%的螺紋副故障是由于初始預(yù)緊不當(dāng)造成的。因此，有必要嚴(yán)格控制預(yù)緊力的大小和一致性。預(yù)緊力控制方法主要包括扭矩控制、扭矩/轉(zhuǎn)角控制、屈服點(diǎn)控制、超聲波控制等新方法。
扭矩控制方法操作簡(jiǎn)單直觀(guān)，是目前應(yīng)用最廣泛的控制方法。但在采用扭矩控制方法時(shí)，預(yù)緊力與擰緊扭矩之間存在摩擦等影響因素，因此預(yù)緊力離散度高，約為30%。
對(duì)預(yù)緊力精度無(wú)顯著影響。
扭矩/轉(zhuǎn)角控制方法可以將預(yù)緊力控制在15%的誤差范圍內(nèi)，有效降低預(yù)緊力的離散度，但控制方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜。只有當(dāng)連接器處于塑性變形范圍時(shí)，才能獲得更好的精度。
屈服點(diǎn)控制方法的預(yù)緊力離散度很小，螺栓可以擰到屈服極限，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，擰緊工具昂貴，對(duì)螺栓的材料、結(jié)構(gòu)和熱處理要求很高。
大尺寸螺栓可成功使用超聲波測(cè)量，但當(dāng)螺栓尺寸較小時(shí)，環(huán)境影響因素甚至操作員造成的誤差可能超過(guò)儀器的分辨率。近年來(lái)，形狀記憶合金和電子斑點(diǎn)干涉測(cè)量方法也用于檢測(cè)預(yù)緊力，但由于價(jià)格和環(huán)境限制，在生產(chǎn)過(guò)程中難以使用。
在精密螺紋副部件的自動(dòng)裝配系統(tǒng)中，要求裝配系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單直觀(guān)，以最簡(jiǎn)單的方式完成精密裝配操作。本文提出了一種改進(jìn)的扭矩方法：通過(guò)扭矩與時(shí)間的斜率變化與系統(tǒng)剛度變化之間的關(guān)系，對(duì)不同的螺紋副施加不同的扭矩，以確保預(yù)緊力的一致性，實(shí)現(xiàn)小螺紋副的精確組裝，驗(yàn)證控制方法的可行性。
扭矩傳感器控制方法的原理。
擰緊螺母時(shí)，當(dāng)螺母接觸連接器或墊圈時(shí)，產(chǎn)生預(yù)緊力并開(kāi)始擰緊。
扭矩-時(shí)間控制方法通過(guò)檢測(cè)扭矩-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)控制預(yù)緊力。當(dāng)扭矩傳感器輸送到計(jì)算機(jī)的扭矩值發(fā)生顯著變化時(shí)，螺母接觸支撐面開(kāi)始擰緊，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。將扭矩隨時(shí)間變化的斜率KT與當(dāng)量剛度CT變化的斜率進(jìn)行比較。當(dāng)兩者的比值保持不變時(shí)，螺母完全擰緊，并記錄KT值和CT值。提前將螺紋副的幾何尺寸特征和電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入計(jì)算機(jī)，將記錄的KT值和CT值替換為(6)，即獲得螺紋副實(shí)時(shí)扭矩對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力值。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的扭矩值滿(mǎn)足預(yù)緊力要求時(shí)，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)并擰緊。該方法的優(yōu)點(diǎn)是KT是扭矩與時(shí)間的比值，它本身包含摩擦的影響。在扭矩/時(shí)間控制方法中，KT值的差異也表明不同螺紋副之間的摩擦力不同。因此，根據(jù)不同螺紋副附件之間的摩擦特性，可以對(duì)每個(gè)螺紋副附件施加不同的扭矩，以減少摩擦的影響，更好地提高預(yù)緊力的一致性。誤差主要取決于KT/傳感器的誤差和精度。
有限元模擬擰緊過(guò)程。
盤(pán)式彈簧具有剛度高、緩沖吸振能力強(qiáng)、變形小、載荷大等優(yōu)點(diǎn)，適用于軸向空間小的場(chǎng)合。因此，碟形彈簧通常用作精密螺紋副的彈簧墊圈。
模擬分析裝有截錐截面碟形彈簧墊圈的螺紋副組件，得到彈簧墊圈負(fù)載變形和剛度變形的變化，并根據(jù)螺栓系統(tǒng)的剛度公式將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)剛度，然后模擬螺紋副組件的擰緊過(guò)程，得到扭矩時(shí)間曲線(xiàn)圖，驗(yàn)證扭矩/時(shí)間控制方法的可行性。
彈簧墊圈靜態(tài)分析。
螺紋副尺寸為M1.4，普通粗牙螺紋，螺距P=0.3mm。圓盤(pán)彈簧墊圈具有剛度變化的特點(diǎn)，與自身尺寸相比，變形較大。因此，彈簧墊圈采用Cosmosworks模擬墊圈和支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析。133GPa，泊松比為0.3，內(nèi)圓周上有負(fù)載位置。如圖1a所示，負(fù)載位置與支撐位置之間的距離與內(nèi)外圓周的距離比為069。支撐材料為合金鋼，彈性模量為210GPa，泊松比。
0.28。網(wǎng)格劃分，單元類(lèi)型為SOLID45，8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；支撐單元數(shù)為5887；細(xì)化墊圈單元網(wǎng)格，總單元數(shù)為7778。
(b)彈簧墊圈模型。
對(duì)墊圈施加線(xiàn)性位移，直至墊圈壓平，即最大壓縮s=0.3mm。記錄每個(gè)子步下墊圈內(nèi)圓周的反應(yīng)力，得到墊圈載荷變形關(guān)系圖。結(jié)果與內(nèi)圓周的載荷完全一致。當(dāng)載荷達(dá)到墊圈能承受的最大力時(shí)，變形呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，施加位移可以更好地觀(guān)察整個(gè)過(guò)程中的載荷變化。
在理論計(jì)算中，假設(shè)彈簧墊圈的截面在變形前后保持矩形不變，相當(dāng)于增加了墊圈的剛度。因此，計(jì)算的最大載荷值為618N，略大于模擬分析結(jié)果的59N，相對(duì)誤差為453%。彈簧墊圈的剛度根據(jù)剛度的計(jì)算公式得出，即剛度是作用力與沿作用力方向產(chǎn)生的變形量的比值。圖3a顯示彈簧墊圈剛度變化曲線(xiàn)。
(a)C圈剛度Cw(b)當(dāng)量剛度Ct。
目前，螺栓材料屈服強(qiáng)度低于70%的設(shè)計(jì)一般采用預(yù)緊力，以提高螺栓材料的利用率。對(duì)于帶特殊彈簧墊圈的螺紋連接，還應(yīng)考慮彈簧墊圈的力學(xué)性能，以確保彈簧墊圈的彈簧性能不喪失。本例預(yù)選預(yù)緊。
力F0=53N。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，墊圈能承受的最大負(fù)荷為F=59N，預(yù)緊力值約為墊圈能承受的最大負(fù)荷的90%，可避免控制過(guò)程中的誤差導(dǎo)致墊圈彎曲，損壞墊圈零件。
螺紋副擰緊過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真。
由于摩擦因數(shù)是緊固速度的函數(shù)，兩者之間有一定的關(guān)系。圖4所示[10]是擰緊常規(guī)尺寸螺紋副時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系。在轉(zhuǎn)速達(dá)到6r/min后，摩擦因數(shù)基本保持不變。對(duì)于小螺紋副，曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相同。在電機(jī)上。
當(dāng)速度較低時(shí)，摩擦因數(shù)變化較大，螺紋附件處于靜態(tài)摩擦范圍內(nèi)，速度波動(dòng)較小，摩擦因數(shù)影響較大；當(dāng)速度提高到一定速度時(shí)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)摩擦區(qū)域，滑動(dòng)摩擦與物體運(yùn)動(dòng)速度、接觸面積無(wú)關(guān)，摩擦因數(shù)變化穩(wěn)定，趨于穩(wěn)定。由于該方法是根據(jù)螺母擰緊后的扭矩-時(shí)間曲線(xiàn)來(lái)估計(jì)螺紋副之間的摩擦狀態(tài)，因此施加不同的扭矩以獲得一致的預(yù)緊力，為了防止摩擦因素波動(dòng)引起的誤差，應(yīng)選擇較大的速度，以確保螺紋副進(jìn)入動(dòng)態(tài)摩擦區(qū)域。與不定速緊固方法相比，預(yù)緊力精度顯著提高[9]。因此，在使用Cosmos/motion進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的過(guò)程中，選擇轉(zhuǎn)速為20r/min，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1s，螺母向下移動(dòng)01mm。螺紋副中的摩擦力是不可避免的，可以模擬任何更常見(jiàn)的摩擦因素。螺紋副之間的摩擦因數(shù)為=025，螺母下端面與墊圈之間的摩擦力學(xué)因數(shù)為=012。螺栓與螺母之間的扭矩固定，螺栓與螺母之間的旋轉(zhuǎn)扭矩曲線(xiàn)從處理圖中顯示的時(shí)間圖中的旋轉(zhuǎn)速度變化。
當(dāng)預(yù)緊力的準(zhǔn)確性要求較高時(shí)，可以設(shè)置較小的波動(dòng)范圍。當(dāng)計(jì)算機(jī)識(shí)別此范圍時(shí)，可以進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，并控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和停止。從模擬結(jié)果可以看出，預(yù)緊力可以通過(guò)施加不同的扭矩范圍內(nèi)，通過(guò)施加不同的扭矩來(lái)提高預(yù)緊力的一致性。與傳統(tǒng)的扭矩傳感器的控制方法相比，扭矩/時(shí)間控制方法具有更好的控制效果。
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