螺紋裝配擰緊的本質是通過螺栓的預緊力可靠地連接兩個工件，提高連接的剛度和緊密性，防止松動和防滑，但過大或過小的預緊力是有害的。

預緊力過大會導致螺栓斷裂、連接件斷裂、扭曲或斷裂等嚴重后果；預緊力不足會導致連接件錯位、歪斜、螺母松動，甚至緊固件被切斷。預緊力的變化會導致零件內(nèi)部應力不一致，影響螺紋副連接的性能，降低螺紋副的疲勞壽命。據(jù)報道，90%的螺紋副故障是由于初始預緊不當造成的。因此，有必要嚴格控制預緊力的大小和一致性。預緊力控制方法主要包括扭矩控制、扭矩/轉角控制、屈服點控制、超聲波控制等新方法。

扭矩控制方法操作簡單直觀，是目前應用最廣泛的控制方法。但在采用扭矩控制方法時，預緊力與擰緊扭矩之間存在摩擦等影響因素，因此預緊力離散度高，約為30%。

對預緊力精度無顯著影響。

扭矩/轉角控制方法可以將預緊力控制在15%的誤差范圍內(nèi)，有效降低預緊力的離散度，但控制方法結構復雜。只有當連接器處于塑性變形范圍時，才能獲得更好的精度。

屈服點控制方法的預緊力離散度很小，螺栓可以擰到屈服極限，但控制系統(tǒng)復雜，擰緊工具昂貴，對螺栓的材料、結構和熱處理要求很高。

大尺寸螺栓可成功使用超聲波測量，但當螺栓尺寸較小時，環(huán)境影響因素甚至操作員造成的誤差可能超過儀器的分辨率。近年來，形狀記憶合金和電子斑點干涉測量方法也用于檢測預緊力，但由于價格和環(huán)境限制，在生產(chǎn)過程中難以使用。

在精密螺紋副部件的自動裝配系統(tǒng)中，要求裝配系統(tǒng)盡可能簡單直觀，以最簡單的方式完成精密裝配操作。本文提出了一種改進的扭矩方法：通過扭矩與時間的斜率變化與系統(tǒng)剛度變化之間的關系，對不同的螺紋副施加不同的扭矩，以確保預緊力的一致性，實現(xiàn)小螺紋副的精確組裝，驗證控制方法的可行性。

扭矩傳感器控制方法的原理。

擰緊螺母時，當螺母接觸連接器或墊圈時，產(chǎn)生預緊力并開始擰緊。

扭矩-時間控制方法通過檢測扭矩-時間關系曲線來控制預緊力。當扭矩傳感器輸送到計算機的扭矩值發(fā)生顯著變化時，螺母接觸支撐面開始擰緊，并開始計時。將扭矩隨時間變化的斜率KT與當量剛度CT變化的斜率進行比較。當兩者的比值保持不變時，螺母完全擰緊，并記錄KT值和CT值。提前將螺紋副的幾何尺寸特征和電機轉速輸入計算機，將記錄的KT值和CT值替換為(6)，即獲得螺紋副實時扭矩對應的預緊力值。當傳感器檢測到的扭矩值滿足預緊力要求時，電機停止旋轉并擰緊。該方法的優(yōu)點是KT是扭矩與時間的比值，它本身包含摩擦的影響。在扭矩/時間控制方法中，KT值的差異也表明不同螺紋副之間的摩擦力不同。因此，根據(jù)不同螺紋副附件之間的摩擦特性，可以對每個螺紋副附件施加不同的扭矩，以減少摩擦的影響，更好地提高預緊力的一致性。誤差主要取決于KT/傳感器的誤差和精度。

有限元模擬擰緊過程。

盤式彈簧具有剛度高、緩沖吸振能力強、變形小、載荷大等優(yōu)點，適用于軸向空間小的場合。因此，碟形彈簧通常用作精密螺紋副的彈簧墊圈。

模擬分析裝有截錐截面碟形彈簧墊圈的螺紋副組件，得到彈簧墊圈負載變形和剛度變形的變化，并根據(jù)螺栓系統(tǒng)的剛度公式將其轉化為系統(tǒng)剛度，然后模擬螺紋副組件的擰緊過程，得到扭矩時間曲線圖，驗證扭矩/時間控制方法的可行性。

彈簧墊圈靜態(tài)分析。

螺紋副尺寸為M1.4，普通粗牙螺紋，螺距P=0.3mm。圓盤彈簧墊圈具有剛度變化的特點，與自身尺寸相比，變形較大。因此，彈簧墊圈采用Cosmosworks模擬墊圈和支撐結構進行非線性有限元分析。133GPa，泊松比為0.3，內(nèi)圓周上有負載位置。如圖1a所示，負載位置與支撐位置之間的距離與內(nèi)外圓周的距離比為069。支撐材料為合金鋼，彈性模量為210GPa，泊松比。

0.28。網(wǎng)格劃分，單元類型為SOLID45，8節(jié)點實體單元；支撐單元數(shù)為5887；細化墊圈單元網(wǎng)格，總單元數(shù)為7778。

(b)彈簧墊圈模型。

對墊圈施加線性位移，直至墊圈壓平，即最大壓縮s=0.3mm。記錄每個子步下墊圈內(nèi)圓周的反應力，得到墊圈載荷變形關系圖。結果與內(nèi)圓周的載荷完全一致。當載荷達到墊圈能承受的最大力時，變形呈直線上升趨勢。因此，施加位移可以更好地觀察整個過程中的載荷變化。

在理論計算中，假設彈簧墊圈的截面在變形前后保持矩形不變，相當于增加了墊圈的剛度。因此，計算的最大載荷值為618N，略大于模擬分析結果的59N，相對誤差為453%。彈簧墊圈的剛度根據(jù)剛度的計算公式得出，即剛度是作用力與沿作用力方向產(chǎn)生的變形量的比值。圖3a顯示彈簧墊圈剛度變化曲線。

(a)C圈剛度Cw(b)當量剛度Ct。

目前，螺栓材料屈服強度低于70%的設計一般采用預緊力，以提高螺栓材料的利用率。對于帶特殊彈簧墊圈的螺紋連接，還應考慮彈簧墊圈的力學性能，以確保彈簧墊圈的彈簧性能不喪失。本例預選預緊。

力F0=53N。根據(jù)經(jīng)驗，墊圈能承受的最大負荷為F=59N，預緊力值約為墊圈能承受的最大負荷的90%，可避免控制過程中的誤差導致墊圈彎曲，損壞墊圈零件。

螺紋副擰緊過程動態(tài)仿真。

由于摩擦因數(shù)是緊固速度的函數(shù)，兩者之間有一定的關系。圖4所示[10]是擰緊常規(guī)尺寸螺紋副時電機轉速與摩擦因數(shù)之間的關系。在轉速達到6r/min后，摩擦因數(shù)基本保持不變。對于小螺紋副，曲線變化趨勢相同。在電機上。

當速度較低時，摩擦因數(shù)變化較大，螺紋附件處于靜態(tài)摩擦范圍內(nèi)，速度波動較小，摩擦因數(shù)影響較大；當速度提高到一定速度時，進入動態(tài)摩擦區(qū)域，滑動摩擦與物體運動速度、接觸面積無關，摩擦因數(shù)變化穩(wěn)定，趨于穩(wěn)定。由于該方法是根據(jù)螺母擰緊后的扭矩-時間曲線來估計螺紋副之間的摩擦狀態(tài)，因此施加不同的扭矩以獲得一致的預緊力，為了防止摩擦因素波動引起的誤差，應選擇較大的速度，以確保螺紋副進入動態(tài)摩擦區(qū)域。與不定速緊固方法相比，預緊力精度顯著提高[9]。因此，在使用Cosmos/motion進行動力學仿真的過程中，選擇轉速為20r/min，即電機旋轉1s，螺母向下移動01mm。螺紋副中的摩擦力是不可避免的，可以模擬任何更常見的摩擦因素。螺紋副之間的摩擦因數(shù)為=025，螺母下端面與墊圈之間的摩擦力學因數(shù)為=012。螺栓與螺母之間的扭矩固定，螺栓與螺母之間的旋轉扭矩曲線從處理圖中顯示的時間圖中的旋轉速度變化。

當預緊力的準確性要求較高時，可以設置較小的波動范圍。當計算機識別此范圍時，可以進行后續(xù)計算，并控制電機的旋轉和停止。從模擬結果可以看出，預緊力可以通過施加不同的扭矩范圍內(nèi)，通過施加不同的扭矩來提高預緊力的一致性。與傳統(tǒng)的扭矩傳感器的控制方法相比，扭矩/時間控制方法具有更好的控制效果。

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