Принцип затягування болтів і шість методів контролю затягування

У фактичних умовах складання силу затиску між з’єднаними компонентами та осьове попереднє натягування болтів неможливо безпосередньо виміряти або точно контролювати. Таким чином, промисловість зазвичай приймає непрямі методи керування на основі крутного моменту для досягнення стандартизованого керування попереднім натягом. У цій статті систематично пояснюється основні методи контролю затягування болтів, засновані на механічному зв’язку між крутним моментом і силою затиску під час затягування.

1. Принцип крутного моменту болта та затискної сили

Коли до болта прикладається момент затягування, хвостовик пружно розтягується, створюючи осьову силу затиску для кріплення з’єднання. Основна формула крутного моменту визначається як: Крутний момент (M)=Сила (F) × плече моменту (L). Теоретично, більший кут повороту створює більший крутний момент; однак більшість прикладеного крутного моменту споживається тертям під час фактичної роботи.

Слідує загальне затягування болтівПравило розподілу крутного моменту 50-40-10: 50% крутного моменту долає тертя під головкою болта, 40% долає тертя різьбової пари, і лише 10% ефективно перетворюється на корисну осьову силу затиску.

Наприклад, коли болт затягується до 10 Н·м на вимогу процесу, лише приблизно 1 Н·м сприяє ефективному осьовому затиску, тоді як більша частина крутного моменту втрачається через тертя.

Цей коефіцієнт розподілу крутного моменту не є фіксованим. Пошкодження різьби, задирки, бруд і поверхневі забруднення значно збільшують втрати на тертя. У разі пошкодження різьби розподіл змінюється на 50% тертя головки, 45% тертя різьби та лише 5% ефективної сили затиску.

У таких випадках, незважаючи на те, що контрольований момент затягування відповідає стандарту, фактична сила затиску є дуже недостатньою, що призводить допомилкове затягування. При застосуванні до високошвидкісних рухомих частин, таких як маховики та колінчасті вали, помилкове затягування легко спричиняє ослаблення або від'єднання болтів і призводить до поломки обладнання.

Окрім дефектів різьби, м’які еластичні прокладки також спричиняють зниження крутного моменту та втрату попереднього натягу, відоме як ослаблення крутного моменту в м’якому з’єднанні. Звичайні м’які компоненти, такі як прокладки головки блоку циліндрів і прокладки масляного піддону, деформуються і розслабляються під час постійного стиснення, що призводить до поступового зменшення попереднього натягу. Процеси вторинного повторного затягування широко застосовуються для мінімізації ослаблення сили затиску для вузлів м’яких з’єднань.

Вищий крутний момент не завжди означає краще кріплення. Надмірне затягування розтягує болт за межі пружності та викликає пластичну деформацію. Як тільки напруга перевищує межу текучості, болт зазнає постійного руйнування та повністю втрачає здатність кріплення.

2. Шість основних методів контролю затягування болтів

2.1 Метод контролю крутного моменту

Метод контролю крутного моменту є найпростішою та найпоширенішою стратегією затягування. Його основним принципом є пропорційне співвідношення між моментом затягування та осьовим попереднім натягом, що виражається формулою:T=K·F, де T=момент затягування, F=осьове попереднє натяг і K=коефіцієнт крутного моменту.

Після завершення конструкції болта цільове осьове попереднє натяг F фіксується, і стандартний момент затягування T можна відкалібрувати. Однак кваліфіковані значення крутного моменту не завжди гарантують кваліфіковану якість складання, головним чином через коливання коефіцієнта крутного моменту K.

Коефіцієнт крутного моменту K дуже чутливий до загального коефіцієнта тертя, на який впливають точність болта, пошкодження різьби, забруднення та стан поверхні. Температура також відіграє вирішальну роль. Експерименти Sumitomo Japan доводять, що коефіцієнт крутного моменту K зменшується на 0,31% з кожним підвищенням температури навколишнього середовища на 1 градус.

Відповідно до звітів про випробування VDI (Асоціація німецьких інженерів), навіть при нульовій похибці крутного моменту осьова похибка попереднього натягу при чистому контролі крутного моменту може досягати ±27,2%, що вказує на обмежену точність.

Характеристики застосування: Затягування виконується в межахболт еластична область. Цільовий крутний момент зазвичай встановлюється між 50% і 85% моменту плинності. Приблизно 90% прикладеного крутного моменту долає тертя, в результаті чого точність попереднього натягу становить ±25%.

Переваги: Просте управління, низька вартість і можливість перевірки за допомогою стандартних динамометричних ключів, придатних для масового загального складання.

Недоліки: Низька точність затягування, недостатнє використання матеріалу та висока чутливість до температури, стану різьби та забруднення поверхні, що призводить до низької стабільності.

2.2 Метод керування крутним моментом і кутом (метод TA / суперпружне керування)

Метод контролю крутного моменту – це вдосконалена стратегія високої точності затягування, заснована на базовому контролі крутного моменту. Процес складається з двох етапів: по-перше, затягніть болт із заданим попереднім крутним моментом (зазвичай 40–60% від стандартного крутного моменту, визначеного під час валідації процесу), щоб усунути зазори з’єднань і забезпечити повний контакт поверхні; потім поверніть болт на певний кут, щоб досягти точного осьового видовження.

Поворот із фіксованим кутом точно контролює подовження болта та стиснення з’єднання, усуваючи нерівномірний контакт поверхні та непостійність тертя. На другому етапі затягування попереднє натяг точно визначається кутом обертання, що значно зменшує вплив тертя та досягає набагато вищої точності, ніж чистий контроль крутного моменту.

Для цього методу потрібні електричні інструменти для затягування, оснащені двигунами, зубчастими передачами та високоточними датчиками для точного встановлення попереднього крутного моменту та кутів повороту для точних виробничих ліній.

Характеристики застосування: Двоступеневе затягування (ініціалізація крутного моменту + обертання на кут) в межах еластичного діапазону. Початкові параметри крутного моменту та кута потребують експериментального калібрування. Точність попереднього натягу досягає ±15%.

Переваги: Вища точність затягування та стабільне осьове затискне зусилля, підходить для середнього та високоточного складання компонентів.

Недоліки: Комплексна система керування, що вимагає подвійного моніторингу крутного моменту та кута; важка перевірка якості за допомогою звичайних інструментів контролю.

2.3 Метод контролю межі текучості (метод TG)

Метод контролю межі текучості - це високоточна технологія затягування, заснована на пластичних властивостях матеріалу. Він постійно відстежує нахил кривої крутний момент-кут, щоб визначити поріг текучості болта, і припиняє затягування відразу після досягнення межі текучості.

На початковій стадії затягування момент-кут нахилу швидко зростає, а потім стабілізується в межах пружного діапазону. Коли болт наближається до пластичної текучості, нахил поступово зменшується. Затягування припиняється автоматично, коли нахил падає до 50% від максимального значення, що вказує на межу текучості.

Порівняно з затягуванням у пружній зоні, затягування в області текучості мінімізує помилки попереднього натягу, спричинені відхиленням кута, максимізує використання матеріалу та усуває перешкоди тертя.

Характеристики застосування: моніторинг крутного моменту та градієнта в реальному часі; точність попереднього натягу в межах ±8%; болти досягають критичного стану плинності і не можуть бути повторно використані після затягування.

Переваги: Надзвичайно висока точність, чудова стабільність попереднього натягу та повне використання механічної міцності болта.

Недоліки: Потрібне високоточне обладнання з високими витратами; сильно залежить від постійної межі текучості болта та якості сировини.

2.4 Метод контролю кута сидіння (метод SPA)

Метод кута підсідання (SPA) — це передова високоточна техніка затягування, оптимізована на основі традиційного методу TA. На відміну від початкової точки з фіксованим крутним моментом, яка використовується в управлінні TA, SPA обчислює точне положення посадки через перетин лінійного нахилу кривої крутного моменту та горизонтальної осі, усуваючи початкове відхилення крутного моменту.

Випробування підтверджують, що криві крутний момент-кут суттєво змінюються залежно від різних коефіцієнтів тертя, тоді як контрольна точка посадки залишається майже незмінною. Обертання від уніфікованої точки сідла ефективно усуває помилки попереднього натягу, спричинені різницею тертя та початковим відхиленням крутного моменту, забезпечуючи вищу точність, ніж метод TA.

Основні переваги: Компенсує помилки крутного моменту на ранній стадії та збурення тертя, значно покращуючи узгодженість і точність затягування для високонадійних застосувань, таких як аерокосмічне та точне складання обладнання.

2.5 Метод контролю подовження болта (метод КЯ)

Безпосередньо визначає метод контролю подовження болтаболт попереднього натягу шляхом вимірювання подовження хвостовика. Ультразвукове виявлення є основним підходом, який використовує лінійну залежність між частотою ультразвукового відлуння та довжиною розтягування болта для точної кількісної оцінки подовження та стану текучості.

Цей метод дозволяє уникнути непрямого впливу крутного моменту та тертя, лише з незначними помилками, спричиненими індивідуальними відмінностями в межі плинності болтів. Слід зазначити, що частотні криві ультразвуку відрізняються під час затягування та ослаблення; частота зростання під попереднім навантаженням нижча, ніж частота звільнення під час ослаблення, що вимагає диференційованого калібрування.

2.6 Метод керування градієнтом крутного моменту

Метод керування градієнтом крутного моменту відстежує зміни нахилу кривої крутний момент-кут у режимі реального часу для точного контролю початкового попереднього натягу, орієнтуючись на осьову силу текучості болта. Застосовується у вузлах високого стандарту, що вимагають мінімального розкиду попереднього натягу та максимального використання міцності матеріалу.

Його логіка керування подібна до керування кутом пластичної зони, але забезпечує більш точне регулювання межі текучості, зменшуючи погіршення продуктивності, спричинене повторюваною пластичною деформацією. Він забезпечує чудову стабільність порівняно з традиційними пластиковими методами затягування.

Недоліки: Потрібне складне та дороге обладнання для затягування з вимогами високоточного калібрування процесу та налагодження.