一种发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法

摘要

本发明公开了一种发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法，包括以下步骤：测得螺栓塑性曲线；将预紧力、扭矩及转角的信号实时输出至测量设备中；确定螺栓目标预紧力，将螺栓匀速拧紧至目标预紧力，实时地记录扭矩‑预紧力、转角‑预紧力关系变化曲线；以螺栓拧紧终点的预紧力为目标预紧力为起点，求得到螺栓对应的起始预紧力和起始扭矩；测量螺栓的永久变形/拉伸量，确定螺栓变形长度，计算螺栓拧紧残余变形率；重新选择一螺栓，重复步骤以上，并记录螺栓残余变形率，确认各螺栓测量数据相一致；螺栓残余变形率满足设定条件，则判定螺栓拧紧工艺合格。实现螺栓轴力的精准控制并通过螺栓残余伸长率的控制和评价，保证螺栓的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机装配工艺技术领域，具体涉及一种发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法。

背景技术

发动机关键螺栓分别用于发动机主要系统及机构的紧固联接，受到较大的交变载荷。因此在螺栓装配阶段需对螺栓联接系统施加足够、适当的预紧力，以克服装配过程因被连接件被压缩、长时间运行后螺栓或被连接件蠕变而产生的夹紧力衰减，导致螺栓联接失效，出现发动机损坏等严重故障。因此在螺栓装配阶段，制定合理的拧紧工艺对于螺栓联接系统的可靠性至关重要。

现有的、适用于大批量生产的螺栓拧紧方法主要为扭矩控制法、扭矩-转角控制法及屈服点控制法。扭矩法实施简便、成本低，对于拧紧工具要求较低，且扭矩容易控制及检测，便于拧紧后复检，但扭矩受摩擦系数偏差影响较大，导致螺栓的预紧力散差较大，不利于螺栓预紧力的精确控制；为降低螺栓被过度拉伸的风险，螺栓预紧力设计在较低的水平，导致螺栓的材料利用率较低。屈服点控制法是通过在螺栓拧紧过程中实时监控螺栓扭矩/转角的斜率，当螺栓处于弹性变形时，扭矩率基本保持不变；当螺栓发生屈服变形时，扭矩率会明显下降，前期通过标定确认螺栓发生屈服变形是扭矩率值，当螺栓的扭矩率低于该门槛值时，则拧紧系统识别螺栓已经发生屈服、停止拧紧。屈服点控制法对预紧力的控制精度高，螺栓材料利用率高、且螺栓联接系统的疲劳性好；但拧紧系统非常复杂，需要昂贵、高精度的测量、执行设备、成本较高、且无法对于拧紧后的螺栓预紧力进行复检。对于发动机关键螺栓，当前普遍材料扭矩-转角法来实现高效操作及高精度控制的平衡。因此，对于制定扭矩-转角法的拧紧工艺方法尤为重要，特别是对塑性域拧紧的螺栓，既要实现预紧力设计目标值，又必须避免螺栓发生过度拉长而导致失效。当前扭矩-转角法主要依赖于经验计算或通过实测扭矩及转角等试验手段获得，准确率较低，且无法验证，不能满足塑性域拧紧的工艺要求，不能同时实现螺栓预紧力及变形量同时满足要求。

CN109159072B公开了一种缸盖螺栓目标转角的确定方法，包括测定所述样品螺栓的弹性曲线；选取所述弹性曲线与所述弹塑性曲线的交点所对应的预紧力为第一目标预紧力F`1；选取所述样品螺栓0.2％残余变形所对应的预紧力为第二目标预紧力F`2；CN109159072B仅涉及选取所述样品螺栓0.2％残余变形所对应的预紧力为第二目标预紧力F`2；并不涉及计算确定螺栓每次次拧紧残余变形率

CN107356362A公开了一种螺栓预紧力的测量方法及其验证方法，其中：，所述应力应变关系具体为：σ＝E×ε，其中，σ为所述待测螺栓的应力，E为弹性模量，

CN104614111B公开了采用本发明中的标定装置对比例常数K进行标定，可以有效提高比例常数K的标定精度，从而使后续安装螺栓时能够对螺栓的预紧力有效测量，具有测量精度高的特点；CN104614111B虽然公开了对比例常数K进行标定,并不涉及在拧紧螺栓联接系统至预紧力超过设计预紧力范围上限，通过测量设备同时采集预紧力信号与螺栓变形量信号，形成预紧力-螺栓变形量信号关系曲线，并形成标定文件储存到设备中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法，实现螺栓轴力的精准控制并通过螺栓残余伸长率的控制和评价，保证螺栓的可靠性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法，包括以下步骤：

1)测量螺栓屈服强度，拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数；

2)保持螺栓实际状态下夹持长度，在螺栓拧紧机上模拟螺栓装配，拧紧螺栓联接系统至预紧力超过设计预紧力范围上限，通过测量设备同时采集预紧力信号与螺栓变形量信号，形成预紧力-螺栓变形量信号关系曲线，并形成塑性曲线标定文件储存到设备中；

3)连接测量设备，将专用探头穿过螺栓套筒紧贴螺栓头部信号感应片，螺栓套筒转接头处联接扭矩-转角传感器，信号感应片和扭矩-转角传感器分别将预紧力、扭矩及转角的三个信号实时输出至测量设备中；

4)根据前期测量得到的螺栓屈服强度、拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数，确定螺栓目标预紧力，通过拧紧设备匀速拧紧至目标预紧力，实时地记录扭矩-预紧力、转角-预紧力关系变化曲线；

5)以螺栓拧紧终点的预紧力为目标预紧力F

6)返松螺栓后，根据测得的螺栓塑性曲线，测量螺栓因发生塑性变形产生的永久变形/ 拉伸量L

7)以同一螺栓，根据步骤5)制定的拧紧工艺，重复步骤6)n次，测量并计算得到每次的残余变形率Δn；

8)重新选择一个螺栓，重复步骤5)～7)，并记录相应的螺栓残余变形率，直至实验了 m个螺栓，并确认各螺栓测量数据与第一个螺栓的测量数据相一致；

9)螺栓的实测轴力偏差率以及残余变形率满足设定条件，则判定设定的螺栓拧紧工艺合格。

按照上述技术方案，在所述的步骤5)中，起始预紧力F

按照上述技术方案，在所述的步骤7)中，n＝2，即按此拧紧工艺对同一螺栓重复拧紧、拆解该螺栓3次，3次测量并计算得到残余变形率分别为Δ

在所述的步骤9)中，设定条件为三次拧紧后螺栓总残余变形率Δ

按照上述技术方案，当所述的螺栓属于飞轮螺栓时，设定条件替换为：n＝0，螺栓的单次拧紧残余变形率的范围为0.2％-1％。

按照上述技术方案，在所述的步骤8)中，m≥3。

如图4所示，按S6确定的拧紧工艺拧紧螺栓重新拧紧第二颗螺栓，第一次拧紧测量螺栓预紧力返松后测量残余变形率；第二次及第三次拧紧测量并记录螺栓残余变形率，确认测量数据与第一颗螺栓的一致性。建议拧紧确认螺栓数量≥3颗。

按照上述技术方案，在所述的步骤8)中，确认各螺栓测量数据与第一个螺栓的测量数据相一致的具体过程为：拧紧工艺确认的螺栓第一次拧紧时需测量螺栓预紧力，要求复测的预紧力与拧紧工艺制定时轴力偏差率：

按照上述技术方案，在所述的步骤1)中，测量螺栓屈服强度，拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数的方法是对试验样件同批次螺栓进行抽样测量，抽样的试验样本数＞5件。

按照上述技术方案，在所述的步骤2)之前，还包括以下步骤：对螺栓进行改制，具体改制过程为研磨螺栓端部，使螺栓的端面平行度达到0.02，表面粗糙度达到Ra0.8-1.6mm。

按照上述技术方案，在所述的步骤2)之前，还包括以下步骤：加工陪式垫片、螺母，其材料及机械性能、夹持长度、表面平面度与被模拟的实物零件相同。

按照上述技术方案，在所述的步骤6)中，计算确定螺栓拧紧残余变形率为：

其中，L

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种发动机关键螺栓塑性域拧紧工艺制定及评价方法，为一种正向的、完整的拧紧工艺开发方法，可实现螺栓轴力的精准控制并通过螺栓残余伸长率的控制，保证螺栓的可靠性；以螺栓设计预紧力范围为目标，根据拧紧过程中实时测量预紧力、转角及扭矩关系确定拧紧工艺，并通过多颗螺栓，多次拧紧确认拧紧工艺的一致性，科学严谨、可靠性高。

2、本发明提供的一种在螺栓拧紧过程中实时动态测量预紧力、转角及扭矩，并形成的轴力-转角、轴力-扭转关系曲线为螺栓拧紧工艺制定提供了可靠性的数据支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法的流程图；

图2是本发明实施例中螺栓的拧紧塑性曲线；

图3是本发明实施例中螺栓拧紧过程中扭矩-转角-预紧力实时关系曲线；

图4是本发明实施例中螺栓拧紧返松后残余变形率测量曲线；

图中，1-转角-预紧力曲线，2-扭矩-预紧力曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的发动机关键螺栓塑性区拧紧工艺制定及评价方法，包括以下步骤：

1)测量螺栓屈服强度，拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数；

2)保持螺栓实际状态下夹持长度，在螺栓拧紧机上模拟螺栓装配，拧紧螺栓联接系统至预紧力超过设计预紧力范围上限，通过测量设备同时采集预紧力信号与螺栓变形量信号，形成预紧力-螺栓变形量信号关系曲线，并形成塑性曲线标定文件储存到设备中；标定文件如图 2所示；

3)连接测量设备，将专用探头穿过螺栓套筒紧贴螺栓头部信号感应片，螺栓套筒转接头处联接扭矩-转角传感器，并将信号感应片和扭矩-转角传感器分别与测量设备连接，信号感应片和扭矩-转角传感器分别将预紧力、扭矩及转角的三个信号实时输出至测量设备中；

4)根据前期测量得到的螺栓屈服强度、拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数，确定螺栓目标预紧力，通过拧紧设备匀速拧紧至目标预紧力，实时地记录扭矩-预紧力、转角-预紧力关系变化曲线；

5)以螺栓拧紧终点的预紧力为目标预紧力F

6)返松螺栓后，根据测得的螺栓塑性曲线，测量螺栓因发生塑性变形产生的永久变形/ 拉伸量L

7)以同一螺栓，根据步骤5)制定的拧紧工艺，重复步骤6)n次，测量并计算得到每次的残余变形率Δn；

8)重新选择一个螺栓，重复步骤5)～7)，并记录相应的螺栓残余变形率，直至实验了 m个螺栓，并确认各螺栓测量数据与第一个螺栓的测量数据相一致；

9)螺栓的实测轴力偏差率以及残余变形率满足设定条件，则判定设定的螺栓拧紧工艺合格。

进一步地，在所述的步骤5)中，起始预紧力F

进一步地，在所述的步骤7)中，n＝2，即按此拧紧工艺对同一螺栓重复拧紧、拆解该螺栓3次，3次测量并计算得到残余变形率分别为Δ

在所述的步骤9)中，设定条件为三次拧紧后螺栓总残余变形率Δ

进一步地，当所述的螺栓属于飞轮螺栓时，设定条件替换为：n＝0，螺栓的单次拧紧残余变形率的范围为0.2％-1％。

进一步地，在所述的步骤8)中，m≥3。

如图4所示，按S6确定的拧紧工艺拧紧螺栓重新拧紧第二颗螺栓，第一次拧紧测量螺栓预紧力返松后测量残余变形率；第二次及第三次拧紧测量并记录螺栓残余变形率，确认测量数据与第一颗螺栓的一致性。建议拧紧确认螺栓数量≥3颗；，通过多颗螺栓预紧力的复测，评价螺栓拧紧工艺的一致性，通过单次和多次拧紧测量残余伸长量来判断螺栓拧紧的可靠性，为实现高精准、安全的拧紧方式提供合理评价指标及标准。

进一步地，在所述的步骤8)中，确认各螺栓测量数据与第一个螺栓的测量数据相一致的具体过程为：拧紧工艺确认的螺栓第一次拧紧时需测量螺栓预紧力，要求复测的预紧力与拧紧工艺制定时轴力偏差率：

进一步地，在所述的步骤1)中，测量螺栓屈服强度，拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数的方法是对试验样件同批次螺栓进行抽样测量，抽样的试验样本数＞5件。

进一步地，在所述的步骤2)之前，还包括以下步骤：对螺栓进行改制，具体改制过程为研磨螺栓端部，使螺栓的端面平行度达到0.02，表面粗糙度达到Ra0.8-1.6mm。

进一步地，在所述的步骤2)之前，还包括以下步骤：加工陪式垫片、螺母，其材料及机械性能、夹持长度、表面平面度与被模拟的实物零件相同。

本发明的工作流程如下：

S1：试验准备：对试验样件同批次零件进行性能摸底，测量螺栓屈服强度，拧紧状态下屈服点预紧力及摩擦系数，试验样本数＞5件。

S2：试验准备：螺栓改制，研磨螺栓端部，要求端面平行度0.02，表面粗糙度Ra0.8-1.6mm；

加工陪式垫片、螺母，要求材料及机械性能、夹持长度、表面平面度等与被模拟的实物零件相同。

S3：拧紧曲线标定：保持螺栓实际状态下夹持长度，在螺栓拧紧机上模拟螺栓装配。拧紧螺栓联接系统至预紧力超过设计预紧力范围上限，通过测量设备同时采集预紧力信号与螺栓变形量信号，形成预紧力-螺栓变形量信号关系曲线，并形成标定文件储存到设备中。标定文件如图2所示：

S4(拧紧工艺试验1)：连接测量设备，设备专用探头穿过螺栓套筒紧贴螺栓头部信号感应片；螺栓套筒转接头处联接扭矩-转角传感器，实现预紧力、扭矩及转角的三个信号实时输出至测量设备中。

S5(拧紧工艺试验2)：根据前期设计计算过程屈服点利用系数及屈服点预紧力摸底数据，确定螺栓目标预紧力，通过拧紧设备匀速拧紧至目标预紧力，实时地记录扭矩-预紧力、转角 -预紧力关系变化曲线。

S6(拧紧工艺试验3)：数据处理，以预紧力为横坐标、预紧力及转角为左右纵坐标，生成复合关系曲线如图3所示，在转角-预紧力(红色曲线)曲线上，以目标预紧力F

备注：起始扭矩及转角的设定参考原则：起始扭矩M一般为终拧扭矩Ma的1/3左右、起始扭矩对应的预紧力F

S7(拧紧工艺确认1)：返松螺栓后，测量螺栓因发生塑性变形产生的永久变形/拉伸量 L

S8(拧紧工艺确认2)：如图4所示，按S6确定的拧紧工艺拧紧螺栓重新拧紧第二颗螺栓，第一次拧紧测量螺栓预紧力返松后测量残余变形率；第二次及第三次拧紧测量并记录螺栓残余变形率，确认测量数据与第一颗螺栓的一致性。建议拧紧确认螺栓数量≥3颗。

S9：拧紧工艺评价方法

a)螺栓预紧力一致性评价：拧紧工艺确认的螺栓第一次拧紧时需测量螺栓预紧力，要求复测的预紧力与拧紧工艺制定时轴力偏差率：

b)螺栓残余伸长率评价：发动机关键螺栓均采用塑性域拧紧方式，为避免过度拉长，通常限定螺栓使用次数为3次；相应地，要求螺栓单次拧紧残余变形率Δ

备注：螺栓应力截面积最小段长度，该段受力后变形量最大，按照经验，螺栓变形量主要集中在该段。对于等杆径螺栓，螺栓变形长度为未旋合螺纹部分；对于设计有细杆(细杆截面积小于螺纹应力截面积)段的螺栓，螺栓变形长度为细杆长度。

综上所述，本发明提供了一种发动机关键螺栓塑性域拧紧工艺制定及评价方法，试验准备阶段对试验同批次螺栓进行性能摸底及螺栓拧紧曲线标定，拧紧工艺试验阶段根据拧紧过程中实测的预紧力、扭矩及转角的对应关系确认初步拧紧工艺，通过多颗螺栓拧紧测量螺栓预紧力及残余变形率确认拧紧工艺的可靠性，以实现螺栓预紧力及残余变形率的精准控制。本发明提供的一种拧紧工艺制定方法及测量参数的处理方法，拧紧过程中实时监控螺栓预紧力、扭矩及转角并转化成以预紧力为横坐标、预紧力及转角为左右纵坐标的复合关系曲线，并在转角-预紧力曲线上，以目标预紧力F

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。