螺紋裝配擰緊的本質(zhì)是通過(guò)螺栓的預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)小的預緊力是有害的。
預緊力過(guò)大會(huì )導致螺栓斷裂、連接件斷裂、扭曲或斷裂等嚴重后果；預緊力不足會(huì )導致連接件錯位、歪斜、螺母松動(dòng)，甚至緊固件被切斷。預緊力的變化會(huì )導致零件內部應力不一致，影響螺紋副連接的性能，降低螺紋副的疲勞壽命。據報道，90%的螺紋副故障是由于初始預緊不當造成的。因此，有必要嚴格控制預緊力的大小和一致性。預緊力控制方法主要包括扭矩控制、扭矩/轉角控制、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)，是目前應用最廣泛的控制方法。但在采用扭矩控制方法時(shí)，預緊力與擰緊扭矩之間存在摩擦等影響因素，因此預緊力離散度高，約為30%。
對預緊力精度無(wú)顯著(zhù)影響。
扭矩/轉角控制方法可以將預緊力控制在15%的誤差范圍內，有效降低預緊力的離散度，但控制方法結構復雜。只有當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)控制方法的預緊力離散度很小，螺栓可以擰到屈服極限，但控制系統復雜，擰緊工具昂貴，對螺栓的材料、結構和熱處理要求很高。
大尺寸螺栓可成功使用超聲波測量，但當螺栓尺寸較小時(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)干涉測量方法也用于檢測預緊力，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)裝配系統中，要求裝配系統盡可能簡(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剛度變化之間的關(guān)系，對不同的螺紋副施加不同的扭矩，以確保預緊力的一致性，實(shí)現小螺紋副的精確組裝，驗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)，當螺母接觸連接器或墊圈時(shí)，產(chǎn)生預緊力并開(kāi)始擰緊。
扭矩-時(shí)間控制方法通過(guò)檢測扭矩-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)控制預緊力。當扭矩傳感器輸送到計算機的扭矩值發(fā)生顯著(zhù)變化時(shí)，螺母接觸支撐面開(kāi)始擰緊，并開(kāi)始計時(shí)。將扭矩隨時(shí)間變化的斜率KT與當量剛度CT變化的斜率進(jìn)行比較。當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轉速輸入計算機，將記錄的KT值和CT值替換為(6)，即獲得螺紋副實(shí)時(shí)扭矩對應的預緊力值。當傳感器檢測到的扭矩值滿(mǎn)足預緊力要求時(shí)，電機停止旋轉并擰緊。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，根據不同螺紋副附件之間的摩擦特性，可以對每個(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、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，得到彈簧墊圈負載變形和剛度變形的變化，并根據螺栓系統的剛度公式將其轉化為系統剛度，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模擬墊圈和支撐結構進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析。133GPa，泊松比為0.3，內圓周上有負載位置。如圖1a所示，負載位置與支撐位置之間的距離與內外圓周的距離比為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節點(diǎn)實(shí)體單元；支撐單元數為5887；細化墊圈單元網(wǎng)格，總單元數為7778。
(b)彈簧墊圈模型。
對墊圈施加線(xiàn)性位移，直至墊圈壓平，即最大壓縮s=0.3mm。記錄每個(gè)子步下墊圈內圓周的反應力，得到墊圈載荷變形關(guān)系圖。結果與內圓周的載荷完全一致。當載荷達到墊圈能承受的最大力時(shí)，變形呈直線(xiàn)上升趨勢。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。
在理論計算中，假設彈簧墊圈的截面在變形前后保持矩形不變，相當于增加了墊圈的剛度。因此，計算的最大載荷值為618N，略大于模擬分析結果的59N，相對誤差為453%。彈簧墊圈的剛度根據剛度的計算公式得出，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)當量剛度Ct。
目前，螺栓材料屈服強度低于70%的設計一般采用預緊力，以提高螺栓材料的利用率。對于帶特殊彈簧墊圈的螺紋連接，還應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。本例預選預緊。
力F0=53N。根據經(jīng)驗，墊圈能承受的最大負荷為F=59N，預緊力值約為墊圈能承受的最大負荷的90%，可避免控制過(guò)程中的誤差導致墊圈彎曲，損壞墊圈零件。
螺紋副擰緊過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真。
由于摩擦因數是緊固速度的函數，兩者之間有一定的關(guān)系。圖4所示[10]是擰緊常規尺寸螺紋副時(shí)電機轉速與摩擦因數之間的關(guān)系。在轉速達到6r/min后，摩擦因數基本保持不變。對于小螺紋副，曲線(xiàn)變化趨勢相同。在電機上。
當速度較低時(shí)，摩擦因數變化較大，螺紋附件處于靜態(tài)摩擦范圍內，速度波動(dòng)較小，摩擦因數影響較大；當速度提高到一定速度時(shí)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)摩擦區域，滑動(dòng)摩擦與物體運動(dòng)速度、接觸面積無(wú)關(guān)，摩擦因數變化穩定，趨于穩定。由于該方法是根據螺母擰緊后的扭矩-時(shí)間曲線(xiàn)來(lái)估計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緊力，為了防止摩擦因素波動(dòng)引起的誤差，應選擇較大的速度，以確保螺紋副進(jìn)入動(dòng)態(tài)摩擦區域。與不定速緊固方法相比，預緊力精度顯著(zhù)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，選擇轉速為20r/min，即電機旋轉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為=025，螺母下端面與墊圈之間的摩擦力學(xué)因數為=012。螺栓與螺母之間的扭矩固定，螺栓與螺母之間的旋轉扭矩曲線(xiàn)從處理圖中顯示的時(shí)間圖中的旋轉速度變化。
當預緊力的準確性要求較高時(shí)，可以設置較小的波動(dòng)范圍。當計算機識別此范圍時(shí)，可以進(jìn)行后續計算，并控制電機的旋轉和停止。從模擬結果可以看出，預緊力可以通過(guò)施加不同的扭矩范圍內，通過(guò)施加不同的扭矩來(lái)提高預緊力的一致性。與傳統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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