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螺纹紧固件的拧紧试验

螺纹紧固件的拧紧试验
通过对螺纹紧固件的紧固力分析，介绍了四种螺纹紧固件的装配方法和拧紧
试验原理。同时对四种装配方法进行深入的讨论，利用试验结果论证不同装配方
法产生的预紧效果与装配精度。比外还列举了螺纹紧固件的失效分析案例，进一
步阐述螺纹紧固件拧紧试验的重要性。

螺纹紧固件是机械产品中最常见的连接件，螺栓和螺母则是螺纹紧固件中用
途最广的零件。螺纹紧固件的结构大都不很复杂，制造和装配看起来似乎也无惊
人之处。但无数的质量事故不断提醒人们不可小觑貌似简单的螺纹紧固件。制造
和装配是螺纹紧固件影响其质量的两大关键，从某种意义上讲装配质量对螺纹紧
固件的影响甚至大于其制造质量的影响。随着对机械零件小型化和对连接要求的
提高，装配质量越来越引起人们的关注。如何使螺纹紧固件的实际紧固力精确或
较精确地接近理论紧固件（即紧固件效果）是人们最为关心和研究最多的课题。

1、螺纹紧固件的紧固力

螺纹紧固件的紧固力P0一般是通过控制扭矩M来实现的，这是基于P0与M
之间存在以下关系：

显然，用力矩M来控制P0是很不精确的。因为在这两者的关系中包含着一
个变化很大且难精确确定的摩擦系数f。它受螺纹表面及座面粗糙度、润滑剂、
拧紧速度、拧紧工具、反复拧紧时的温度变化等诸多不定因素的影响，这就使真
正的紧固件力很分散，波动极限约为±40%。分析各种螺纹紧固件损坏原因，发
现设计正确，工艺及材料合格的产品，大都是由于螺纹松动所致。松动是由于各
种外力作用下实际紧固件的紧固力显得不足（尽管扭力扳手已保证了理论紧固
力）或螺纹紧固件与被连接件之间产生相对滑动而引起的。也就是说，由于用单
纯扭距法进行机械零件的连接的实际力与理论紧固力的不一致性，影响了螺纹紧
固件的紧固效果。因此，这种凭扭矩进行装配的方法用于一般机械零件的连接尚
可，若用在随高交变应力的机械连接上则很可能出问题。显然，精确控制紧固力
是提高螺纹紧固件紧固效果的最好方法。而拧紧试验是制订确的拧紧工艺（即拧
紧工艺优化）和实现精确控制紧固力的重要手段和前提。

若设c1、c2分别为螺纹紧固件和被连接件的刚度，λ01为螺纹紧固件紧
固时的伸长量，λ02为被连接紧固件的压缩量，P0为螺纹紧固件在屈服附近的
紧固件，则有

P0=c1λ01=c2λ02

螺母（或螺纹紧固件）的轴向位移量应为λ01＋λ02，则螺母（或螺纹紧
固件）的旋转角

式中s—螺纹的螺距

因为λ01、λ02、s均是变化不大的比较确定的值，因此θ亦为确定值。
由于c1、c2的变化也不大，故控制了螺母（或螺纹紧固件）的旋转角就可保证
实际紧固力与理论紧固力的一致性。由于在屈服区域附近的P0变化相对小，故
屈服区域扭矩＋转角法比单纯扭矩法的分散度小。

通过以上分析显然可以看出，如果直接用变形量λ01来控制P0是最可靠
的办法。这在理论上是很多容易说得通的，但由于需要特殊的测量装置，实际操
作起来非常麻烦，何况有些螺钉根本无法测量伸长量。故尽管这种装配方法精度
很高，但实际使用的地方并不多。

基本以上紧固力的分析，螺纹紧固件的装配有几种不同的方法。

2、常见的螺纹紧固件装配方法

目前常见的螺纹紧固件装配方法有以下四种：

（1）单纯扭矩法

（2）弹性区域的扭矩＋转角法

（3）屈服（塑性）区域的扭矩＋转角法

（4）伸长量测量法

以上四种螺纹紧固件装配方法的紧固效果见表1。

2．1、单纯的扭矩法

利用拧紧试验的结果（特别是紧固件—转角曲线、扭矩—转角曲线和伸长量
—紧固力曲线）就可以很方便地制订拧紧工艺。单纯扭矩法比较简单，首先由设
计人员确定螺纹紧固件所需的紧固力P0，然后根据该紧固力P0在紧固力—转角
曲线上找出相应的转角αTOT，最后根据T在扭矩—转角曲线上找出与αTO对应
的扭矩M，此扭矩M即为装配扭矩（图1）。

2．2、扭矩＋转角法
扭矩＋转角法装配工艺的确定则要比单纯矩法复杂些：首先根据设计所需的
紧固力在拧紧试验做出的拉力—转角曲线上找出对应的转角αTOT；在扭矩—转
角曲线上找出与预扭矩相应α1；实际装配的有效转角αEFF=αTOT－α1。装配
时，先将螺纹紧固件按预扭矩α1拧紧，然后转动αEFF角度。

弹性区域扭矩＋转角法与屈服区域扭矩＋转角法的区别是前者的紧固力设
计在螺纹紧固件拉伸曲线的弹性区，而后者则将紧固力设计在屈服区。但两种方
法的装配效果和对螺纹紧固件及装配设备的要求是不同的。表2是两种装配方法
的优缺点比较。

表3是某螺栓两种方法的紧固力及统计分析结果。从表3可看出在屈服区螺
栓的紧固力非常σ仅为均值的3.0%。而弹性区域的紧固力则较分散，其3σ
/Mean=15.3%。因此屈服区域扭矩＋转角法的装配精度要比弹性区域扭矩