汽車行業(yè)或工程機(jī)械行業(yè)為滿足大規(guī)模、流水線的生產(chǎn)方式，通常交由各個(gè)分供方生產(chǎn)出子零件，再通過焊接、 鉚接、粘接及螺栓連接等方法將各個(gè)子零部件組裝的方法 生產(chǎn)，其中由于螺栓連接設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、零部件標(biāo)準(zhǔn)化、裝配簡(jiǎn) 單效率高、可拆卸重裝的特點(diǎn)，得到最廣泛的應(yīng)用。螺栓連 接一般是通過預(yù)先設(shè)定扭矩進(jìn)行擰緊控制，由于受到法蘭 和螺紋副的摩擦，約 90%的扭矩用于克服摩擦力，在螺栓 屈服點(diǎn)前螺栓能產(chǎn)生很好的張力夾緊工件，但擰緊螺栓的 力并非設(shè)定的越大越好，如果擰緊時(shí)超過螺栓的屈服點(diǎn)， 可能產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂。因此在對(duì)關(guān)鍵零部件的裝配 擰緊時(shí)通過分析夾緊力制定可靠的擰緊工藝才能確保連 接的可靠性。

一、螺栓連接緊固的原理

在兩個(gè)部件連接處鉆孔，通過螺栓連接起來(lái)，螺栓在 擰緊過程中其實(shí)是通過擰緊力對(duì)螺栓進(jìn)行軸向的拉伸，到達(dá)扭矩點(diǎn)后，利用螺栓自有的張力把兩個(gè)零部件緊固起來(lái)。在相同的條件下，增加螺桿部位的長(zhǎng)度，可以使螺栓更好的伸長(zhǎng)，以獲得更大的夾緊力。

需要注意在螺栓彈性變形的范圍內(nèi)，扭矩與夾緊力理論上呈線性關(guān)系。螺栓的擰緊不能超過使用極限，如到達(dá)屈服點(diǎn)后，將喪失回彈的能力，產(chǎn)生塑性變形，甚至斷裂。隨著螺栓等級(jí)的增高，其抗拉強(qiáng)度也會(huì)增高，因此，應(yīng)根據(jù)屈服的實(shí)際情況確定螺栓等級(jí)以及擰緊時(shí)所需要的扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵螺栓，一般選用 12.9 級(jí)的螺栓，以獲得 更高的抗拉強(qiáng)度。

使用如手動(dòng)扭矩扳子、電動(dòng)擰緊槍等能夠直接測(cè)量的出扭矩，但實(shí)際更需要關(guān)心的是夾緊力，夾緊力并不像施加的扭矩那么簡(jiǎn)單，同一顆螺栓擰緊過程中，產(chǎn)生塑性變形前，擰緊螺栓使其旋轉(zhuǎn)的越多，得到的扭矩越大。但是扭矩增加，夾緊力并不一定會(huì)隨線性增長(zhǎng)，因?yàn)?90%的扭矩被螺栓與法蘭摩擦以及螺紋副中的摩擦力給消耗掉，摩擦因素有較大的離散性。舉兩個(gè)例子，比如一顆螺栓的螺桿上有焊渣或螺紋損壞，擰緊到目標(biāo)扭矩也許螺栓并沒有擰到位；又如果在擰緊螺栓前，在螺紋處涂油，相同扭矩下減少摩擦可以獲得更高的夾緊力。因此，更高的夾緊力要求，除了前述的扭矩法擰緊，可以采用扭矩控制和角度監(jiān)控，或轉(zhuǎn)角法擰緊等高級(jí)擰緊工藝。

二、超聲波夾緊力測(cè)量方法

通過超聲波測(cè)量分析儀可以大大減化夾緊力測(cè)量分析的流程，測(cè)量設(shè)備由脈沖發(fā)生器、溫度傳感器、測(cè)量分析軟件及超聲波拾取傳感器和線纜等組成，軸向載荷與螺栓擰緊時(shí)的伸長(zhǎng)量成正比關(guān)系，利于超聲波在螺栓介質(zhì)中沿軸力方向傳播時(shí)間差，就可以依據(jù)軸向變形及其對(duì)應(yīng)的關(guān)系來(lái)測(cè)算夾緊力了，可大大提高測(cè)量精度，其主要步驟為：

①確定螺栓預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系：為減少變差，試驗(yàn)的螺栓應(yīng)與測(cè)量夾緊力時(shí)的螺栓來(lái)源于同一批次。將螺栓裝配在標(biāo)定工裝上，設(shè)置好螺栓等級(jí)、螺栓規(guī)格、總長(zhǎng)度、夾持長(zhǎng)度等信息后、施加扭矩過程中通過測(cè)量?jī)x獲取預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系，生成標(biāo)定文件。

②螺栓的初始長(zhǎng)度標(biāo)定：在測(cè)量夾緊力前，對(duì)準(zhǔn)備分析的螺栓進(jìn)行初始長(zhǎng)度標(biāo)定，將聲波拾取傳感器貼在螺栓頂部，使用測(cè)量?jī)x進(jìn)行初始長(zhǎng)度波紋的拾取。

③夾緊力測(cè)量與分析：按照設(shè)定的工藝裝配零件后擰緊螺栓，清潔樣品表面，將聲波拾取傳感器連接到螺栓貼片上，測(cè)量?jī)x發(fā)射超聲波信號(hào)，依據(jù)反射波紋和時(shí)間，結(jié)合螺栓的初始長(zhǎng)度，測(cè)算出螺栓在擰緊后的伸長(zhǎng)量，并依據(jù)標(biāo)定文件的關(guān)系最終確定夾緊力的大小。

④夾緊力分析的質(zhì)量控制：使用超聲波分析時(shí)，環(huán)境溫度因保持在恒定狀態(tài)，螺栓的頂部和底部必須使用磨削加工等方式獲得足夠的平行的光滑平面，以利于超聲波的反射，獲得更精準(zhǔn)的結(jié)果。在研究時(shí)應(yīng)使用更多的樣本進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)分析，出現(xiàn)異常值時(shí)要采取多重驗(yàn)證消除測(cè)量誤差，依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，樣本量至少需要大于 30，數(shù)據(jù)將服從或近似服從正態(tài)分布。