1.螺栓擰緊基本理論
1.1 夾緊力
螺紋聯(lián)接通過對螺紋件施加一定的扭矩，使被聯(lián)接件受到足夠的夾緊力，來保證被聯(lián)接件在空載或負載的情況下，可靠、緊密地聯(lián)接在一起。所以，夾緊力的大?。ㄒ话惴Q作預(yù)緊力）是評價螺紋聯(lián)接質(zhì)量好壞的主要標準。過大的預(yù)緊力可能會導(dǎo)致螺紋件的斷裂，或被聯(lián)接件的壓損；過小的預(yù)緊力則不能起到夾緊被連接件的作用，進而導(dǎo)致聯(lián)接失效。在螺栓裝配過程中，預(yù)緊力的測量比較困難，所以一般通過測量施加在螺紋件的扭矩來間接地衡量裝配過程中在螺紋件中產(chǎn)生的預(yù)緊力。
Q0=MKtd×10-3
其中：
Q0—預(yù)緊力，N
M —力矩，N·m
Kt—計算系數(shù)
d —螺栓的公稱直徑，mm
計算系數(shù) Kt與螺紋表面、法蘭的粗糙度、潤滑狀況、擰緊速度、所用擰緊工具以及反復(fù)擰緊時的溫度變化有關(guān)，通常在 0.1~0.3 之間變化。Kt的變化將導(dǎo)致預(yù)緊力 Q0也發(fā)生較大變化，變化范圍大約在 40%左右。由計算公式可以看出，力矩與夾緊力呈正比關(guān)系。
1.2 擰緊曲線及其基本形態(tài)
如圖 1，假設(shè)螺母固定，擰緊螺栓，忽略摩擦力及被聯(lián)接件的變形，螺栓從開始旋入螺母，到其下端面接觸被聯(lián)接連接件，這個過程螺栓不受力，驅(qū)動力矩為零。隨著螺栓的繼續(xù)旋入，螺栓開始接觸到被聯(lián)接件，并對被聯(lián)接件產(chǎn)生夾緊力，同時也受到來自于被聯(lián)接件的反作用力，由于忽略了被聯(lián)接件的變形，所以這個過程中的螺栓等效于一個在被逐漸拉伸的桿件。根據(jù)材料力學(xué)的知識，可以繪出拉力與伸長量的曲線?？紤]螺紋連接的特殊性，力矩可以反映出夾緊力，而且螺栓每旋入螺母一圈（360°），螺栓端面與螺母下端面之間的距離減少一個螺距，所以可以用螺栓旋轉(zhuǎn)的角度來衡量螺栓的軸向伸長量。這樣，拉力———伸長量的曲線，可以用力矩———轉(zhuǎn)角曲線代替，就得到了理想狀況下的擰緊曲線，如圖 2所示。圖 2中過程 1 是螺紋件逐漸被旋緊到被聯(lián)接件的過程，整個過程中力矩為零；a 是螺紋件端面與被聯(lián)接件的貼合點，從這一點開始，力矩隨轉(zhuǎn)角的增加而線性增大；過程 2 是螺紋件逐漸被擰緊的彈性變形過程，b是屈服點，屈服點之后，螺紋件發(fā)生塑性變形，螺紋件長度顯著增長，力矩隨轉(zhuǎn)角增加的幅度變小，并在到達一定位置時，開始隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，直到 c點，螺紋件斷裂。
實際生產(chǎn)中，摩擦及被聯(lián)接件的變形是客觀存在的。在螺栓裝配的起始階段，由于此時螺栓端面尚未接觸到被聯(lián)接件，所以擰緊螺栓的轉(zhuǎn)矩，只是用來克服螺紋副之間的摩擦力。隨著螺栓的不斷旋入，螺紋件逐漸與被聯(lián)接件接觸，此時的驅(qū)動力矩一方面要克服螺紋副中的摩擦力，同時還要克服來自于螺栓下端面與被聯(lián)接件之間的摩擦力及對被聯(lián)接件產(chǎn)生夾緊力。對于不同的擰緊驅(qū)動力矩中，用于夾緊力的部分比例是不變的（大約 10%），所以，實際的擰緊曲線與理論曲線的形狀基本一致，只是起始力矩不為 0。
2.擰緊曲線在螺紋聯(lián)接裝配中的應(yīng)用
質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因通常有人、機、料、法、環(huán)、測等六個方面，所以本文將從相關(guān)的主要影響因素分類闡述。
2.1 由''人''引起的擰緊質(zhì)量問題
操作者在螺栓裝配過程中的不正確操作，經(jīng)常會引起假力矩（即力矩滿足工藝要求，實際的夾緊力不足），造成螺栓聯(lián)接的失效。由于傳統(tǒng)的判斷螺紋聯(lián)接質(zhì)量的方法是測量設(shè)備擰緊后的力矩，此類錯誤很難被發(fā)現(xiàn)。這時，就需要發(fā)揮擰緊曲線的作用了。如圖 3 所示，MA是產(chǎn)品力矩，1 是正常的擰緊曲線，2 與 1 相比，力矩在起始階段就迅速增高，原因是操作者并沒有將螺栓垂直的旋入工件，螺栓相當于一個絲錐，重新在螺紋孔攻絲，此過程的巨大摩擦力產(chǎn)生了力矩達到產(chǎn)品要求的假象，所以這個擰緊過程是不合格的。
如圖 4 所示，螺紋聯(lián)接采用轉(zhuǎn)角擰緊法，MS是起始力矩，2 與合格曲線 1 相比，2 在角度擰緊過程中出現(xiàn)了一段力矩隨轉(zhuǎn)角無明顯增大的部分，原因可能是，操作者在轉(zhuǎn)角階段并沒有使擰緊設(shè)備靜止不動，而是使設(shè)備在旋緊螺栓的方向上一起旋轉(zhuǎn)，設(shè)備驅(qū)動套筒雖然旋轉(zhuǎn)了要求的角度，但是其與螺帽之間并無相對運動，也就沒有產(chǎn)生要求的預(yù)緊力，所以這個過程也是不合格的。
2.2 由''機''引起的擰緊質(zhì)量問題
由擰緊設(shè)備引起的擰緊質(zhì)量問題主要是由于設(shè)備的機械裝置設(shè)計不當或磨損引起的。在自動擰緊設(shè)備中，設(shè)備驅(qū)動套筒的磨損，或設(shè)備中用于在擰緊過程中給螺紋件施加軸向力的壓緊彈簧的塑性變形，會導(dǎo)致擰緊過程中套筒與螺帽脫開，如果發(fā)生在轉(zhuǎn)角階段，將造成預(yù)緊力的不足。如圖 5 所示，在轉(zhuǎn)角擰緊階段，力矩突然下降到接近于 0。而設(shè)備定位尺寸如果設(shè)計不當，會導(dǎo)致與圖 3 類似的假力矩。
2.3 由''料''引起的擰緊質(zhì)量問題
由螺紋件，被聯(lián)接件引起的質(zhì)量問題，一般有兩種，一種是由于零件的尺寸出現(xiàn)誤差所引起的，另一種是因為零件的摩擦系數(shù)出現(xiàn)問題所引起的。如圖 6 所示，曲線 2 與合格曲線 1 相比，起始階段雖然力矩沒有出現(xiàn)異常，但是，曲線 2 從開始擰緊，到螺栓端面與被聯(lián)接件接觸所經(jīng)過的轉(zhuǎn)角明顯減小，而且 2 的斜率明顯大于 1，可能是螺栓所要擰入的螺紋孔孔深不足造成的。
如圖 7 所示，曲線 1 和 2 哪個合格，需要經(jīng)過具體分析，假如螺紋件沒有采取任何防松措施，也非自攻螺釘，那么 1 是正常的，造成 2 旋入力矩過高的原因，可能是螺栓的直徑過大、螺母的直徑過小、螺紋有損傷、螺紋中有雜質(zhì)、涂層過厚等。如果說螺母采取了防松措施，如壓合防松、或螺母中有防松的塑料環(huán)等，那么曲線2 是正常的，而 1 是不正常的，可能是螺母重復(fù)使用等原因所引起的防松措施失效。
圖 8 的擰緊曲線出現(xiàn)了齒狀波動，這是由于螺栓的表面涂層粗糙，或被夾緊件的表面噴漆不合格造成的。擰緊時滑動摩擦與靜摩擦交替出現(xiàn)，這種擰緊問題，一方面會嚴重的破壞擰緊設(shè)備，另一方面瞬時峰值力矩雖然達到了產(chǎn)品力矩要求，但螺紋副中的夾緊力并沒有達到要求。
2.4 由''法''所引起的擰緊質(zhì)量問題
擰緊方法一般分為彈性擰緊法與塑性擰緊法，由于夾緊力對摩擦系數(shù)非常敏感，摩擦系數(shù)的變化，可能使設(shè)計為彈性擰緊的螺紋件被擰緊到塑性變形區(qū)，設(shè)計為塑性擰緊的螺紋件未擰到塑性變形區(qū)，這些都只有通過擰緊曲線才能發(fā)現(xiàn)。
另外，如圖 9 所示，曲線 2 沒有經(jīng)過旋入的過程，力矩就直接上升到產(chǎn)品力矩，這可能因為設(shè)備擰緊前，先用其它設(shè)備預(yù)緊了。但是，顯然預(yù)緊力矩太高，不利于前面所描述的假力矩的發(fā)現(xiàn)。
通過前面的論述，可以看出擰緊曲線在評價螺栓擰緊質(zhì)量和分析質(zhì)量問題等方面確實有著傳統(tǒng)的擰緊質(zhì)量檢驗方法所不具備的種種優(yōu)勢。但是，擰緊曲線的采集，需要先進的擰緊設(shè)備，投入較高；同時對擰緊曲線的評價是需要具有多年經(jīng)驗的高素質(zhì)人員。所以此方法各汽車制造企業(yè)可以根據(jù)不同的情況適時采用。
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