KANON中村扭矩型扭力扳手驗收的探討

1　引言 　　在工業(yè)生產中，尤其是汽車工業(yè)，應用*廣泛的KANON中村扭力扳手是扭矩控制型扳手，其次是扭矩—轉角控制型扳手。隨著對汽車發(fā)動機質量要求的日益提高，對扭力扳手的精度也提出了越來越高的要求。 　　在汽車工業(yè)中，對扭矩控制型扳手的精度要求一般是±5%(額定值)，高精度的是±3%(額定值)。對扭矩—轉角控制型扳手的精度要求一般為：貼合扭矩精度±(5～10)%(額定值)、角度精度±1°。 　　上述兩種扭力扳手，基本上可以滿足我國工業(yè)近期的要求。雖然扭矩控制型扳手已使用多年，但由于對此類扳手的精度這一概念的理解不一，扭矩精度的檢測方法不規(guī)范，因此在該扳手的驗收上，用戶廠與(設計)制造廠經(jīng)常存在分歧、發(fā)生爭執(zhí)，為此一拖幾年的情況也時有發(fā)生。因此，重溫一下螺紋聯(lián)接的有關基本理論、結合實際問題作比較深入的分析，對此類扭力扳手的驗收達成一些共識是十分必要的。 2　KANON中村扭力扳手擰緊過程分析 　　首先我們應該了解擰緊過程(見圖1)。開始擰入時，有一個低扭矩擰進期(o′～a)；然后進入擰緊過程，其中a～b此區(qū)段為彈性區(qū)、b～c為過渡區(qū)、c點為峰值扭矩，從c點開始的區(qū)段為塑性區(qū)。而對于螺紋聯(lián)接件而言，作用其上的扭矩M與螺絲聯(lián)接件的應變ε也有類似如圖1的曲線（M－ε）。 圖1　擰緊過程 　　螺紋聯(lián)接件的使用場合不同，選用時在(M-ε)圖上的工作點也不同，在反復擰緊、松開的使用場合(例如夾具上采用的螺紋夾壓件)應該選擇a～b區(qū)段的工作點為宜；而在長久性聯(lián)接或半長久性聯(lián)接(裝配后除非損壞或維修才拆裝的螺紋聯(lián)接件。如汽車發(fā)動機缸體、缸蓋密合螺栓；連桿上的聯(lián)接螺栓等)場合則應選擇c點以后的塑性區(qū)的某點。對這兩種不同使用場合的扭力扳手，驗收時的情況也不相同。 　　實際上，用KANON中村扭力扳手擰緊螺紋聯(lián)接件，其*終目的是產生緊固力F，而施加在螺紋聯(lián)接件上的扭矩M，僅有約10%部份(M1)是用來產生緊固力F的，其余部份均消耗在克服摩擦上，包括克服螺紋聯(lián)接件螺紋表面的摩擦力矩M2與克服螺紋聯(lián)接件座面(指聯(lián)接件端P與被聯(lián)接件表面)兩摩擦力矩M3。M1、M2、M3的比例如圖2所示。由此可見螺紋聯(lián)接件的機械效率很低，正是這種低的機械效率，可以有效地防止聯(lián)接件本身的松脫而使其有足夠的**系數(shù)。 圖2　扭矩的分配 　　從上可知，螺紋聯(lián)接件被擰緊時，作用其上的有效扭矩M1(與此相應的由M1產生的緊固力F1)不僅與扭力扳手施加在螺紋聯(lián)接上的扭矩M有關，而且與一些摩擦力矩M2、M3有關。施加于螺紋聯(lián)接件上的扭矩M與螺紋聯(lián)接件產生的緊固力F1之間的關系可以表達如公式(1)： F1＝M／K．D　　　　?。?span lang="EN-US">1） 式中　K——扭矩系數(shù) 　　　D——螺紋聯(lián)接件直徑 　　　　（2） 式中　t——螺距 　　　α——螺紋半角 　　　μs——螺紋表面摩擦系數(shù) 　　　d2——螺紋半徑 　　　dw——螺紋聯(lián)接件座面平均直徑 　　　μw——螺紋底面摩擦系數(shù) 　　μs與μw這兩個摩擦系數(shù)與許多因素相關而且變化比較大。μs主要與螺紋的加工質量(包括表面粗糙度，螺紋副尺寸精度等)、運輸儲存質量(磕、碰，灰塵等)及表面潤滑有關；μw主要與結合面的質量(粗糙度、平直度)、墊圈的類型(剛性、塑性)與質量及表面潤滑等因素有關。在同樣的扭力扳手輸出扭矩M時，其產生的緊固力受μs、μw的影響相差甚大，圖3所示即為μsw＝0～0．25時的F1的曲線。按目前的現(xiàn)場狀況，μsw通常在0.1～0.2之間波動，高質量的螺栓副μsw可控制在0.14～0.18之間。因此，當用扭矩法控制的緊固系統(tǒng)，即使其扳手的輸出扭矩M的精度為±0%(即無誤差，當然這只是一種假設)，因受μsw的變化而使緊固力的精度竟可達到±30%。因此，對一些有較高緊固質量要求的螺紋聯(lián)接件，不應選擇“扭矩控制法”，而應選擇其它更為可靠的控制法。也就是說，片面追求高緊固系統(tǒng)輸出扭矩值M的控制精度是不合理的，也是徒勞的。據(jù)目前在汽車工業(yè)中使用的扭矩控制型扭力扳手的情況，其精度一般為±5%，*高為±3%，追求更高的精度是沒有意義的。

 

圖3　緊固力F1與扭矩M的關系

 

鑒于扭矩控制型扳手的不足，對要求比較高的螺紋聯(lián)接件，比較廣泛地采用扭矩—轉角控制型扳手。這種扳手是先施以一個貼合扭矩M0(此時扭矩控制)，然后再旋轉一個預先設定的角度φ，以獲得*終的緊固力。 　　扭矩—轉角控制法比較扭矩控制法，可以獲得較高的精度。圖4為兩種控制方法的比較。圖4(a)所示為扭矩控制法，Ⅰ、Ⅱ兩條特性曲線，是同規(guī)格的螺紋聯(lián)接件，由于材料、制造及使用等多種因素所致的。因此，在同一外加扭矩M1作用下分別產生緊固力F′與F″，其誤差為ΔF＝F′－F″。因4(b)所示為扭矩—轉角控制法，Ⅰ、Ⅱ兩條特性曲線，先用貼合扭矩M0擰緊，緊固力的誤差為ΔF0。然后均轉過φ角，與曲線Ⅰ、Ⅱ交于c、d，此時相應產生的緊固力之差為ΔFφ，從圖4(b)中可以看出，ΔFφ＝ΔF0。而相對應于扭矩M1時產生的緊固力之差為ΔF1，顯然ΔF1＞ΔF。因此，扭矩—轉角控制法的精度較扭矩控制法要高，近年來，隨著國外汽車發(fā)動機機種被引進，扭矩—轉角控制法的應用也越來越高。 圖4　兩種控制方法比較 (a)扭矩控制　　(b)扭矩一轉角控制 3　關于KANON中村扭矩控制型扳手的驗收 　　目前，在我國一些發(fā)動機生產廠中，對螺紋聯(lián)接件緊固質量的檢驗通常采取這樣的辦法：用一把手動扭力扳手(根據(jù)精度要求不同，用機械指針式、千分表式或數(shù)字顯示式)對已完成擰緊過程的螺紋聯(lián)接件繼續(xù)擰緊或松開，讀出在螺紋聯(lián)接件轉動瞬間(無論是繼續(xù)擰緊還是松開)的扭矩值，將此值作為緊固扭矩值，用以驗收生產過程中使用的扭力扳手的精度。然而這種驗收方法是不合理的。如前所述，在擰緊過程中，扭矩值的上升如圖1所示，在(a～b)區(qū)段為彈性區(qū)，(b～c)區(qū)段為過渡區(qū)、c點以后為塑性區(qū)，若擰緊終止點在(a～c)區(qū)段內，驗收時繼續(xù)擰緊，扭矩顯示值呈上升趨勢、松開時呈下降趨勢；若擰緊終止點在c點之后(需要指出的是，絕大多數(shù)汽車發(fā)動機上關鍵部位的螺紋聯(lián)接件的終止點就是選在該區(qū)段)，那么驗收時繼續(xù)擰緊，扭矩示值呈下降趨勢、松開時也呈下降趨勢。另外，由于螺紋聯(lián)接件的材質(包括材料、熱處理狀況等)、制造(表面粗糙度、尺寸精度)、使用狀況(表面清潔度、潤滑情況、墊圈與聯(lián)接表面質量)等因素，而導致即使同批螺紋聯(lián)接件，其扭矩特性曲線也難以等同(表現(xiàn)為曲線的斜率不等)。如圖1所示的特性曲線中，a、b、c點的位置也存在離散。除上述因素外，還有一個不可忽視的因素，即在完成擰緊過程時，其*終擰緊扭矩值是在動態(tài)情況下達到的數(shù)值，是在螺紋表面之間、螺紋聯(lián)接件座面之間動摩擦的情況下獲得的。而目前采用的驗收方法，無論是用繼續(xù)擰緊還是松開，上述兩種摩擦均是靜摩擦，對條件相同的兩對摩擦副，其動、靜摩擦系數(shù)是不等的。 　　綜上所述，影響上述驗收方法準確性的因素是螺紋聯(lián)接件本身的狀況、聯(lián)接狀況的差異與動靜摩擦系數(shù)值的不同，而且這些因素均帶有很大的隨機性。因此，用此種方法來驗收緊固用的扭力扳手是不合理的。 　　圖5所示是沈陽某汽車發(fā)動機廠缸體主軸承蓋擰緊螺母圖。缸體與主軸承蓋的材料均為ZL104(GB1173-14)，螺母與雙頭螺栓的材料均為45(GB699-65)，硬度HRc25～32。螺母擰緊后，要求*終扭矩值為(12～16)kg*m。該廠使用一臺十軸自動扭力扳手擰緊，用滑環(huán)式扭矩傳感器作為控制元件，每根軸由交流三相電機驅動，經(jīng)過扭力扳手傳動扭矩傳感器、扳手頭到螺母，扭矩傳感器的標定精度為±3%。螺母擰緊后的扭矩檢查是用一把數(shù)字式手動扭力扳手擰緊進行的。

 

圖5　缸體主軸承蓋擰緊螺母 　　表1列出10個缸體扭矩檢查的實測值，其中件1～5、6～10是分別由兩位檢查員檢測的。 表1　缸體主軸承蓋密合實測扭矩表　　　　(kg．m)

 

表1中可以看出，在扭矩傳感器預置值為13kg．m時，用擰緊法來校驗扭矩，扭矩值的偏離是(14～19kg．m)是很大的，比預置值要大1～6kg．m。原因如下：校驗時，擰緊時是克服靜摩擦，要比扭力扳手擰緊時達到的*終扭矩要大。據(jù)分析，在13kg．m的外加扭矩下，在該螺紋副的特性曲線上(如圖1所示)為(a-b-c)之前，因此再擰緊時，扭矩呈上升趨勢。在用13kg．m擰緊后，校驗時擰緊，在螺母轉動瞬間扭矩的上升是非?？斓?，其讀數(shù)值因人(檢查員)而異，主要取決于該人反應的靈敏度，件號(1～5)、(6～10)由二人分別檢測，從表1的實測值中發(fā)現(xiàn)，**位檢查員的實測值中，大于16kg．m的有10個，占20%，而大于17kg．m的僅1個，占2%。而**位檢查員的實測值中，大于16kg．m的有32個，占64%，而大于17kg．m的有18個，占36%。這些實測值均是隨機的，因此可以推測**位檢查員的讀數(shù)值是偏大的。從上面這個例子可以看出，使用“擰緊”法來校驗扭力扳手的扭矩精度既不合理又不**。那么應該如何來校驗“扭矩控制型”扭力扳手的扭矩精度呢?根據(jù)我們的經(jīng)驗是可以用“靜態(tài)校驗”與“動態(tài)校驗”兩種方式進行。 　　“靜態(tài)校驗”是對扭力扳手所使用的扭矩傳感器進行靜態(tài)校驗，作出在一額定直流電壓(一般在5V～9V)作用下的扭矩—輸出電壓(應變)性能曲線，傳感器裝上扭力扳手后，控制系統(tǒng)即按此性能曲線的數(shù)值調整。圖6所示為靜態(tài)校驗示意圖，(a)是用加載支架掛砝碼的方法來校驗扭矩(扳手)傳感器的精度，這種校驗方式是與扭矩傳感器的標定相一致的。(b)是用一固定式扭矩傳感器及相應的儀器組成扭矩校正儀，與待校驗的扭矩傳感器串聯(lián)起來，在一端加載荷，用比較二者讀輸出扭矩值的方法來進行校驗，此法與(a)比較，可省去標準砝碼及相應的加載組件，而且可連續(xù)、無級讀數(shù)。如果扭力扳手已經(jīng)安裝于設備上(如組合扳手上)，則也可按(b)所示作相應的加載靜態(tài)校驗。靜態(tài)校驗只可驗證扭矩(扳手)傳感器的“靜態(tài)特性”，而扭力扳手實際工作時，扭矩傳感器由于轉動會產生相應的誤差，而且扭力扳手控制系統(tǒng)扭矩信號傳遞的時差，執(zhí)行元件的切斷時間與傳動系統(tǒng)的機械慣性等因素都會造成*終扭矩輸出值與予置扭矩值的誤差，即動態(tài)誤差。對實際使用的扭力扳手而言，其輸出扭矩精度即取決于靜態(tài)、動態(tài)誤差之和，因此對扭矩扳手進行動態(tài)校驗是十分必要的與合理的。

 

圖6　靜態(tài)校驗

 

圖7所示即為動態(tài)校驗的示意圖，這種校驗*理想的是在實際使用場合進行，(在設計扭矩扳手時就應考慮預留進行動態(tài)校驗的空間與連接的接口)，其中使用的回轉式扭矩校正儀可根據(jù)要求校驗的精度與目的不同而有不同的配置。如果只需讀取扭矩峰值，則可用ST回轉式峰值扭矩傳感器；若需將扭矩數(shù)據(jù)處理，可加接EP5000數(shù)字式扭矩顯示儀、EPP16/EPP16M打印機，或者直接加接DFS簡易數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)(所示型號均為信邦有限公司代理的日本TOHNICHI產品)。校驗時，按要求對待驗扭力扳手預置一扭矩值，反復的擰緊，從設備控制系統(tǒng)與扭矩校正儀上讀取相應的值，對數(shù)據(jù)進行相應的處理后，即可獲得待驗扭矩扳手的精度。 圖7　動態(tài)校驗 　　*后再簡單談一下測試數(shù)據(jù)的處理。一般用戶廠在驗收時，對一組測試數(shù)據(jù)均沿用下列式子計算精度： 這種計算方法是欠妥的，并不能**、準確地反映該扭力扳手的精度。我們認為，與之相比應該取標準誤差(均方根差)來表示較為合適。現(xiàn)將幾個主要的計算公式敘述于后以供參考： 算術平均值： 均方根差： 　　相對精度范圍： 　　將相對精度范圍作為被校驗扭矩扳手輸出扭矩的精度。 4　結束語 　　綜上所述，在為用戶廠設計、制造KANON中村扭矩型扭力扳手或扳手設備、機床時，在精心設計、制造的同時，必須事先與用戶廠就驗收方法及相應的精度進行磋商、達成共識，才能順利地驗收。