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摘要：螺纹连接是汽车制造中应用最广泛的连接方式。 螺纹连接的可靠性决定了汽车的功能乃至人员的人身安全。 如何保证螺纹连接的可靠性已成为汽车制造过程中必须考虑的重要问题。 螺纹连接有许多不同的失效缺陷（粘滑、卡死等），这些缺陷无法通过肉眼观察到，也无法通过普通拧紧工具识别。 但是，拧紧过程中拧紧曲线的特征可以用来识别螺纹连接的缺陷。 描述了几种主要缺陷的紧缩曲线特征。 其他制造企业可以参考它来检测隐藏的缺陷并快速分析根本原因。 并为拧紧曲线监控和自动识别报警的实现提供了理论依据。

由于螺纹连接具有拆装方便、种类繁多、连接效率高等优点，汽车上的大部分零部件都采用螺纹连接。 螺纹连接过程中的缺陷形式多种多样，很多缺陷无法通过人工目测检测出来。 有缺陷的螺纹连接可能会在用户使用过程中脱落，造成异响、功能丧失，甚至危及人身安全。 因此，在汽车制造过程中，需要对螺纹接头的连接质量进行监控，及时发现问题，控制问题车辆进厂。

目前，国内主机厂主要通过拧紧工具来识别拧紧扭矩是否达到目标扭矩，以判断扭矩是否合格。 但这种方法无法识别隐藏的缺陷，如卡住、粘滑、零件压缩和螺纹损坏。 这些缺陷在发生时也能达到目标扭矩，这是传统扭矩法无法检测到的。 因此，需要一种准确、简单、快速的螺纹连接缺陷识别方法。

通过对大量拧紧数据的分析和总结，螺栓拧紧过程中的拧紧曲线特征可以有效反映具体的缺陷。 本文将阐述几种常见缺陷的紧缩曲线的特点及相应的缺陷分析原则。 为后续拧紧曲线监控、缺陷快速报警、缺陷原因自动提示提供理论支持。 因此，研究拧紧曲线在螺纹连接质量中的应用是非常必要的。

1 收紧曲线概念

1.1 螺纹连接的概念

螺纹连接，如图1所示，是通过施加一定的扭矩，使被连接件之间形成夹紧力，从而实现连接件的紧密连接。 夹紧力与施加扭矩的关系可用下式[1]表示：

P = M / K × d

式中：P为夹紧力，N； M为扭矩，N·m； K为螺纹连接的扭矩系数； D为螺纹的公称直径，mm。

螺纹连接扭矩系数不是固定的，它与螺纹间的摩擦系数、温度、材料和速度有关，但对于同一螺纹连接副来说是常数，可以得到夹紧力和扭矩成正比。 夹紧力不易测量，而扭矩值相对容易获得。 因此，通常要监测拧紧力矩值，以确保螺纹连接的夹紧力符合要求。

1.2 紧缩曲线的概念

扭矩随着螺栓旋入角度的增大而变化的曲线称为拧紧曲线，如图2所示，为理论拧紧曲线。 在旋入初期，螺栓端面还没有接触到连接件，夹紧力还没有形成。 此时扭矩只是克服了螺纹副之间的摩擦力，扭矩很小，如图2中a之前的区间； 当螺栓端面开始接触连接件时，螺栓每旋转一圈就被拉长1个螺距（螺栓变形量与旋转角度成正比），螺栓的变形产生夹紧力。 当螺栓处于弹性变形范围内时，螺栓的拉伸量与弹力成正比。 即可以推导出，在螺栓弹性变形下，螺栓拧紧力矩与旋入角度成正比，如图2中a、b之间。 当螺栓进一步上紧时，螺栓达到塑性变形范围，螺栓的拉伸量与弹力不成正比，甚至弹力下降直至螺栓断裂，如图2中c点所示。

实际拧紧曲线与理论拧紧曲线相似，但存在一些差异，如图3所示。当拧入角度约为2450°时，扭矩突然下降为0，然后再次爬升。 这是由拧紧工具的切换速度引起的。 为了缩短拧紧时间，工具一般设置为两种速度。 拧入初期，扭矩控制精度不高，速度快。 进入转矩设定阶段，转矩控制精度高，速度低。 当扭矩达到目标扭矩（27 N·m）时，扭矩将降至 0 并退出工具。

2 紧缩曲线在质量分析中的应用

经过大量数据统计分析，同一拧紧点的正常拧紧曲线基本一致。 数据累加迭代，形成标准的紧缩曲线。 在后续生产过程中，将实际拧紧曲线与标准曲线进行对比，通过差异分析快速发现缺陷，找到根本原因。 下面就几种常见缺陷的曲线特征作简要说明。

2.1 粘滑问题

该缺陷曲线的特点是：曲线后部起伏剧烈，拧紧过程中伴有嘎嘎声。 粘滑会产生高热而损坏电泳漆，高频振动也会对拧紧工具的寿命产生较大的影响。 通常的原因是工件表面粗糙，螺纹副摩擦系数高，拧紧过程中软连接发热严重螺纹转接头，拧紧速度过快（涂层脱落）。

可通过以下措施规避：降低拧紧速度[2]，避免高扭矩启动，提高反扭矩臂的刚性连接，降低螺纹副的摩擦系数。

2.2 卡死、螺纹损坏

这种缺陷的曲线特征是：扭矩停滞一段时间，然后扭矩下降，最后拧紧时扭矩急剧上升，如图5所示。卡死时损坏或扭曲的螺纹可能会损坏上的涂层螺栓或螺母螺纹，即防腐蚀保护会降低。 也有一些卡住扭矩没有下降，但过一段时间后急剧上升，如图6。还有一些卡住直接卡住，扭矩直接急剧上升达到目标扭矩，如图在图 7 中，曲线的斜率非常大。

这3条曲线是停滞的常见表现，扭矩可以达到目标扭矩。 使用通常的扭矩监测方法的工具无法发现此问题。 工具会报出合格的信号，只有使用“扭矩+旋转角度”监测工具才能找到工具。 问题在于它还监视角是否到达目标窗口。

2.3 零件压缩，零件错误

这种缺陷的特征是：非常快地达到更高的扭矩，在较长时间内稳定在某个扭矩，然后再次增加扭矩。 主要原因是旋入件螺纹孔小，或螺栓尺寸大，拧紧过程中攻螺纹。 如果连接件的刚度不够，在夹紧力的作用下发生变形，导致螺纹孔变小，也可能出现这种曲线。 这种缺陷类似于卡死，会造成螺纹损坏，影响防腐性能。 普通扭矩监测方式的工具是检测不到的。

2.4 早点放手

该缺陷的曲线特征：扭矩未达到对刀值，扭矩突然消失。 例如，如果工具设置为 25 N·m，最终的动态扭矩通常会略高于 25 N·m，但如图 9 所示，扭矩仅在 24 N·m 时才开始下降。 此类问题需要对操作员进行再培训。

2.5 袖子出来

该缺陷的曲线特征：扭矩值偏低，达不到目标值，中间出现断点，扭矩仍维持在较低水平。 这种缺陷就是套筒出来了，工具拧不紧。 它通常发生在自动拧紧站。 为保证套筒不脱落，需要沿螺纹连接方向有一个力，保证套筒贴合。 自动张紧站一般在立柱下方安装弹簧以提供张紧力。 这种缺陷多半是由于弹簧刚度不够，在拧紧过程中套筒脱出螺纹转接头，无法拧紧到目标扭矩。

2.6 拧紧曲线实时监控的应用

从上面介绍的几种常见缺陷曲线可以看出，曲线具有明显的识别特征，因此拧紧过程中的实时识别已经具备了理论条件。 所需硬件条件：高精度电动拧紧工具，拧紧曲线开源并实时分享给分析系统，增加曲线分析系统。 目前高精度电动拧紧工具的成本较高，整车生产过程中使用电动工具的成本较高。 可以使用电动工具监控重要的拧紧点，例如安全、法律法规、底盘部件和功能部件。 ，其余使用普通拧紧工具。

采用拧紧曲线监控，有望提升4%的扭矩合格率，提高问题检出率，为客户提供更可靠的产品。

3 结论

本文阐述了拧紧曲线的概念和几种常见拧紧缺陷的曲线特征，为后续的曲线自动识别和防错提供了理论基础。 其他制造企业可参照此发现隐患，快速分析原因。 并为拧紧曲线监控和自动识别报警的实现提供了理论依据。

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参考：

[1]卜彦． 螺纹连接设计与计算［M］． 北京：高等教育出版社，1995． [2]曾繁龙． 粘滑拧紧研究与优化［J］． 时代汽车，2017（5）：65－66