摘要：螺栓連接是零件裝配過程中被普遍采用的一種方式，相對于焊接、粘接、鉚接等工藝，有著“強度高、操作簡單、連接穩定可靠”的特性；而螺栓連接的關鍵技術在于對擰緊的控制和檢測，本文基于伺服電動螺絲刀的基本構成和控制原理，探討螺栓擰緊的基本概念、技術要求以及常用的控制方法。

關鍵詞：螺栓，擰緊，夾緊力，控制法。

引言

伺服電動系統內置了轉矩、位置、速度三環控制，因其高轉速、高扭矩、高精度而廣泛應用于工控設備的傳動、控制領域。日本多摩川精機株式會社推出的MINI型小體積、低功率伺服電機系列，在醫療設備、半導體、多關節機器人等方面有其獨特的應用，艾而特公司作為多摩川品牌的總代理，對其新產品、新技術的應用得天獨厚，已成功開發出以伺服電機為精密控制和驅動的螺絲擰緊系統，填補了國內多項空白。

一、擰緊的基本概念

1.0擰緊的基本要求有三點：

1）連接件緊密貼合2）能承受一定的動載荷3）有足夠的夾（壓）緊力

2.0擰緊過程的主要變量

2.1扭矩（T）：所施加的擰緊動力矩，單位牛米（Nm）；

2.2夾緊力（F）：連接體間的實際軸向夾（壓）緊大小，單位牛（N）；

2.3摩擦系數（U）：螺栓頭、螺紋副中等所消耗的扭矩系數；

2.4轉角（A）：基于一定的扭矩作用下，使螺栓再產生一定的軸向伸長量或連接件被壓縮而需

要轉過的螺紋角度。

3.0螺栓的主要參數

3.1標準扭矩：對應于不同型號、不同規格、不同材質的標準螺栓，其標定條件下擰緊需要的

扭矩大小，單位牛米（Nm）；

3.2預緊力：螺栓擰緊時所需要的軸向拉應力，單位牛（N）；

3.3屈服強度：或屈服應力，使螺栓開始產生塑性變形的拉應力大小，單位N/mm2

3.4抗拉強度：或抗拉應力，使螺栓擰緊失效甚至斷裂的最小拉應力，單位N/mm2

二、擰緊過程的簡要分析

1、541規則（即50%、40%、10%）

參見圖A：通常情況下，在螺栓的擰緊過程中，實際轉化為螺栓夾緊力的扭矩僅占10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力，這就是“541”規則，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關系。但若施加一定的改善措施（如涂抹潤滑油）或螺紋副中存有缺陷（如雜質、磕碰等），該比例關系會受到不同影響而改變。

圖A、541規則

2、螺栓連接件的特性

圖B：螺栓連接件特性

3、螺栓擰緊的影響因素

根據541規則，螺栓是否真的被擰緊（或是否達到螺栓的預緊力），主要取決于螺栓與連接件之間的摩擦系數的變化，那么，能引起摩擦系數變化的可能性因素有哪些呢？

1）螺栓頭表面：含鍍層、涂層等，是否光潔、平整？有無凸凹缺陷？有無銹蝕破損？等；

2）螺紋副中：有無雜質、磕碰？螺紋工藝等級？等；

3）連接方式：分為硬連接和軟連接兩種方式，比如墊圈、墊片的應用等；

4）材料特性：主要與材料的硬度或剛性相關，也可廣義地區分為硬連接和軟連接方式；

5）改善措施：比如涂抹潤滑油、或對螺栓表面進行特殊處理等。

三、螺栓擰緊的控制方法

1.0扭矩控制法

1.1定義：當擰緊扭矩達到某一設定的控制扭矩時，立即停止擰緊的控制方法。

1.2優點：控制系統簡單、直接，易于用扭矩傳感器或高精度扭矩扳手來檢查擰緊的質量。

1.3缺點：控制精度不高（預緊力誤差±25%左右），也不能充分利用材料的潛力。

2.0扭矩-轉角控制法

2.1定義：先把螺栓擰到一個不大的扭矩后，再從此點開始，擰一個規定的轉角的控制方法。

2.2優點：螺栓軸向預緊力精度較高（±15%），可以獲得較大的軸向預緊力，且數值可集中分

布在平均值附近。

2.3缺點：控制系統較復雜，要測量扭矩和轉角兩個參數；且質檢部門也不易找出適當的方法

對擰緊結果進行檢查。

3.0屈服點控制法

3.1定義：把螺栓擰緊到屈服點后，停止擰緊的一種方法。

3.2優點：擰緊精度非常高，預緊力誤差可以控制在±8%以內；但其精度主要取決于螺栓本身

的屈服強度。

3.3缺點：擰緊過程需要對扭矩和轉角曲線的斜率進行動態的、連續的計算和判斷，控制系統

的實時性、運算速度等都有較高的要求。

四、艾而特伺服電動螺絲刀系列

4.1基本構成

人機界面、控制單元、I/O及通訊接口、伺服驅動、伺服電機、精密減速機、電源單元。

4.2產品特點

4.2.1選用精密、小巧的伺服電動系統作為驅動單元，扭矩、轉角可任意設置；

4.2.2非常強大的控制檢測功能，可完成多任務、多程式、多參數、多狀態的設定和指示；

4.2.3友好人機界面，操作簡便易學，并可預置、保存多個被檢驗而確定的參量或模式；

4.2.4多種規格、安裝及使用方式的螺絲刀體系列，可滿足不同精度場合的多種需求。

4.3技術工藝

4.3.1嵌入式ARM+DSP設計方案，融合扭矩+轉角的控制方法，使預緊力精度達到較高水準；

這主要得益于伺服電動技術的引入，并基于多摩川產品技術和工藝的卓越性能。

4.3.2強大而實用的可編程輸入/輸出功能以及多種通訊接口，即可單獨使用，也可聯機/組網，

進行集中控制和監測；這極大地方便了不同產線、工況或自動化設備的系統集成。

4.4升級與拓展

1）細化產品的專用領域，引入更加精密的控制方法，形成多閉環、高精度的擰緊系統；

2）圖形化、動態化的設定、監視界面，使操作/使用更加直觀、簡潔，一目了然；

3）考慮與我司現有產品工業機器人、工作平臺的聯合搭配，使打螺絲、螺栓擰緊的工序/工藝

更加系統化、集成化，更加精密、穩定、可靠，更富有生產成效性。

參考文獻：

[1]GB/T26547-2011《螺紋緊固件用回轉式工具性能試驗方法》

[2]《螺栓標準扭矩及預緊力速查表》

[3]網絡資料：螺栓的擰緊技術等。