狭小空间内螺栓自动拧紧方法试验研究*

陈翔宇，刘明洋，徐志刚

(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳 110016；2.东北大学机械工程与自动化学院,沈阳 110819；3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳 110169)

0 引言

航空发动机作为航空航天和军事等领域动力引擎，对国家整体实力的提升具有重大意义。航空发动机整体装配是航空发动机稳定运行的关键步骤。螺栓连接[1]是发动机零部件装配之间最常用的连接方式之一，稳定的预紧力对航空发动机的稳定运行具有非常重要的意义。螺纹连接拧紧方法可分为手动拧紧、半自动化拧紧和自动化拧紧[3]。不同学者对拧紧方法也进行了研究。

文献[4]对发动机球头-锥面螺纹的预紧力与转角之间进行力矩量化分析研究，对拧紧力矩区间的合理性进行验证。文献[5]研究单螺栓结构分步拧紧螺栓预紧力的衰减规律，提出分步拧紧对于预紧力的提高具有积极作用。文献[6]通过研究重复拧紧次数对发动机螺栓预紧力影响的变化规律，同时根据不同的润滑条件进行试验，提出发重复拧紧次数能够对螺栓预紧力进行补偿，提高扭矩转化为预紧力的稳定性。文献[7]通过对六角头螺钉头部和螺纹部分使用不同润滑剂进行实验，结果表明对螺纹部分的润滑效果与头部润滑相比的摩擦特性效果不显著。文献[8]设计弹体拧紧机，采用扭矩-转角法拧紧工艺对O型圈压缩量进行控制，验证角度零点控制的有效性和弹体拧紧机的可靠性。文献[9]通过实验研究对钢和铝材料连接件的表面粗糙度和拧紧次数螺栓扭矩的影响，为工程实践中的螺栓组件提供可靠性指导。文献[10]通过研究航空发动机螺栓预紧力对卡箍装配应力的影响，加载次数过多会导致卡箍产生局部变形和磨损。

以上学者所研究分析的螺栓的实验空间相对广阔，对于特殊空间环境下的螺栓的拧紧方法的相关研究较少。本文提出一种自动化拧紧方法，通过不同拧紧工艺验证自动拧紧方法对于航空发动机装配实际项目工程应用的可行性和可靠性。

1 实验系统设计

本文研究对象为发动机机匣，机匣四周为封闭。拧紧工具的入口为直径100 mm的瓶颈，螺栓中心点与机匣薄壁间距为15 mm，实验环境的入筒处空间狭窄。根据实际情况，设计如图1所示的实验平台。设计特殊“弯刀”型拧紧工具。工作时通过六自由度机器人轨迹规划后，将拧紧工具伸入至发动机薄壁机匣内，对螺栓进行拧紧。

图1 拧紧装置原理图

由于拧紧工具输出的扭转力矩和螺栓转动角度无法直接得到，因此设计拧紧力矩角度系统，测量拧紧力矩和角度，如图2所示。校准系统主要由螺栓杆、圆光栅和扭矩传感器组成。

图2 力矩实验系统图

航空发动机连接所使用的螺母多为自锁螺母，因此拧紧工具头和试验所用的螺栓杆均为12花键结构。试验过程中螺栓杆在拧紧工具作用下发生角度转动，通过圆光栅的光栅尺和标尺之间产生明暗相间变化的莫尔条纹，通过非接触式测量的方法得到转动角度α[11]。动态扭矩传感器使用的是日本尤尼帕斯动态扭矩传感器UTMII-100Nm和TM500力矩校准仪表。

2 拧紧控制方法模型

拧紧控制方法最常用有扭矩法和扭矩-转角法。如图3为两种方法的区对比曲线。I与II分别为同种规格螺纹连接特性曲线。使用扭矩法加载至T1力矩，产生的预紧力误差为ΔF1。使用扭矩-转角法，首先加载初始扭矩至T0，以此处为起点转动角度θ，加载至T1时，预紧力误差为ΔFθ。对比可得ΔFθ<ΔF1。

图3 扭矩法与扭矩-转角法特性曲线对比

拧紧方法一般情况下，用拧紧后的力矩T计算得到预紧力F的大小，计算公式为T=KDF，其中，K为扭矩系数，D为螺栓公称直径，一般K取0.2。将螺纹线展开，可看作一个与水平面为螺纹升角为β的楔形块，垂直向下力为F，受力分析如图4所示。

图4 螺栓受力分析图

对于收口自锁螺母，在实际拧紧过程中为防止松动，螺纹面产生正压力：

(1)

因此，克服螺纹间的摩擦力矩T1为：

(2)

螺母与连接件面之间的摩擦扭矩T2为：

(3)

式中，rm为螺母外圆半径，rk为螺孔半径。螺母拧紧旋转时，扭转力矩T主要克服螺纹间的摩擦扭矩和克服螺母与连接件端面的摩擦力，因此，将式(2)和式(3)带入得到：

(4)

扭矩-转角法是首先对螺栓施加一定扭转力矩，以此时为零点开始计量转动角度。随着角度的增加逐渐施加扭转力矩。螺栓转角与预紧力之间的关系式为：

(5)

式中，P为螺距，CL为螺栓刚度，CF为连接件刚度，θ为转动角度。

螺栓刚度和被连接件刚度计算式为：

(6)

式中，Ea、Eb分别为螺栓材料和被连接件的弹性模量，A1、A2分别为螺栓光杆部分截面积和螺纹公称应力面积，L1、L2分别为螺栓光杆长度和螺栓螺纹长度，rb为被连接件外部半径。

若初始力矩为T0，将式(5)和式(6)带入得到扭矩-转角法扭矩为：

(7)

由式(7)可知，螺栓和被连接件的刚度和螺距不变，因此转动角度与扭转力矩之间也呈现线性关系。所以使用扭矩-转角时，螺栓的力矩与连接件之间的摩擦系数无关。

3 拧紧方法对比

3.1 扭矩法与扭矩-转角法对扭矩影响

不同的拧紧方法对螺栓的拧紧质量的影响存在较大差异。本文通过拧紧方法对比试验，对扭矩法和扭矩-转角法产生扭矩进行分析比较。目标扭矩为50 N·m。使用扭矩法直接拧紧至50 N·m，使用扭矩-转角法，先施加30 N·m的扭矩，再继续转动1°。分别进行9次实验，记录每次拧紧实验的扭矩值，得到的扭矩值如图5所示。分析可知，使用扭矩-转角法得到的力矩值的稳定性比扭矩法的具有更加积极的表现。扭矩法的标准差为1.299 N·m，扭矩-转角法的标准差为0.642 N·m。使用扭矩法拧紧时要比扭矩-转角法的离散性更加明显。

图5 拧紧方法对比图

3.2 分步拧紧对扭矩影响

在实际应用中通常采用分步加载的方法对螺栓进行加载，减小连接件之间的变形，提高拧紧质量。不同加载步长也会对扭矩稳定性产生不同的影响。在试验过程中，扭矩法使用如表1所示的分步拧紧工艺，目标扭矩值为50 N·m。

表1 扭矩法分步拧紧工艺

对螺栓使用扭矩法，分别按照不同的拧紧方法进行5次拧紧试验。并记录每次分步加载后的试验数据，绘制如图6所示。从图可知，单步拧紧产生的扭矩稳定性差，四步拧紧的方法稳定性最好。通过比较4种分步拧紧方法的标准差，四步加载、三步加载、两步加载和单步加载标准差分别0.586 N·m、0.782 N·m、0.863 N·m和1.544 N·m。通过对比可知，随着分步区间的增加，预紧力的分散性逐渐降低。

图6 扭矩法分步加载扭矩分布

扭矩-转角法的分步实验中，螺栓需要有一定的预紧力，因此通过使用预拧紧工具对螺栓施加初始扭矩10 N·m。目标角度为2.324°，并在此力矩基础上继续分步转动螺栓角度。使用扭矩-转角法的拧紧工艺如表2所示。

表2 扭矩-转角法拧紧工艺

三组螺栓初始扭矩为10 N·m，进行三组试验，分别转动不同角度步长。并记录每次试验的角度值和扭矩值。计算三组实验的方差和标准差。绘制不同角度步长下的标准差与方差如图7所示。

图7 扭矩-转角法分布加载

由图可分析出，拧紧角度步长对扭矩会产生影响，第一组的方差和标准差都小于其他两组，随着角度步长的增加，扭矩的稳定性和一致性也会随之降低。

3.3 初始扭矩对拧紧质量的影响

扭矩-转角法实验过程中，首先对螺栓加载一定的初始扭矩。不同的初始扭矩同样也会对螺栓的拧紧一致性产生影响。通过制定如表3所示的拧紧工艺方案，研究初始扭矩对螺栓拧紧质量的影响。目标扭矩50 N·m。

表3 初始力矩对比拧紧工艺

每次实验结束后记录数据，得到不同初始扭矩与转角的曲线如图8所示。由图分析可知，螺栓扭矩与螺栓的转动角度呈现正相关的线性关系。在拧紧过程中，过大的初始扭矩，会减低角度控制扭矩的精度，影响螺栓的拧紧质量。

图8 不同初始扭矩条件下角度与扭矩关系图

3.4 扭矩衰减规律

对扭矩-转角法和扭矩法的力矩进行衰减规律分析，将每次加载最为接近目标力矩的值作为起始点，并观测扭矩值每6 min的变化情况，如图9所示。图9a～图9c为扭矩-转角法拧紧工艺条件下初始力矩分别为10、20和30 N·m的力矩衰减曲线，图9d～图9g为扭矩法工艺条件下单步、两步、三步和四步加载的力矩衰减曲线。

(a) 初始扭矩10 N·m (b) 初始扭矩20 N·m

(c) 初始扭矩30N·m (d) 单步加载

(e) 两步加载 (f) 三步加载

(g) 四步加载图9 扭矩法和扭矩-转角法力矩衰减规律

分析可知，两种拧紧工艺的力矩在6 min时均衰减至94%，在30 min时衰减接近至91%。对比两种拧紧工艺，扭矩-转角法衰减力矩斜率相比于扭矩法更加平缓。图9a、图9b比图9c的稳定性高3%。

4 结论

本文对狭小空间内对螺栓进行自动化拧紧方法进行分析研究，通过大量试验验证了在狭小空间中，通过六自由度机器人转动特殊拧紧工具的可行性和可靠性，并对比不同拧紧工艺对螺栓拧紧质量和扭矩一致性的影响。并得到以下结论：

(1)使用扭矩得到的螺栓力矩比扭矩-转角法的平均值高1.469 N·m。因此扭矩-转角法要比扭矩法的拧紧一致性效果明显。

(2)相比于单步拧紧方法，分步拧紧能表现出更高的力矩稳定性，有利于降低扭矩的衰减。但实际生产过程中，拧紧步数过多则会降低拧紧效率，甚至出现少拧或漏拧，因此选用两步加载的方法最合适。

(3)扭矩-转角法的初始扭矩越大，转动角度余量越少，使螺栓扭矩的控制精度降低。因此使用扭矩-角度法时，初始扭矩不宜过大，使被连接件产生一定预紧力即可。

(4)扭矩-转角法比扭矩法的抗力矩衰减提高3%。使用分步加载也可以显著降低力矩衰减，同时步长越小有利于降低力矩衰减。扭矩-转角法的初始力矩越小衰减稳定性越高。