[发明专利]一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法，属于精密测量仪器技术领域，该装置包括：预紧力测试台和螺丝刀；所述预紧力测试台上安装有拉/压力传感器，用于测量将螺钉旋入被连接件过程中螺钉的预紧力；所述螺丝刀包括：安装筒、压力传感器、扭矩传感器、上扭矩传递柱、下扭矩传递组件及刀头；扭矩传感器用于测量螺钉旋入被连接件过程中螺钉受到的扭矩，上扭矩传递柱和下扭矩传递组件分别安装在扭矩传感器的两端，下扭矩传递组件位于安装筒外侧的一端安装有刀头；压力传感器用于测量拧紧螺钉时施加的压紧力；本发明能够测量螺钉连接过程中扭矩、预紧力和压紧力，采用数理统计的方法，获得不同条件下的扭矩系数K的变化规律。

技术领域

本发明属于精密测量仪器技术领域，具体涉及一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法。

背景技术

随着航空、航天、军事、医疗上对精密仪表的精度和稳定性的要求不断增加，对机械产品中的连接质量提出了越来越高的要求，提高精密仪表的精度和稳定性的任务已经迫在眉睫。其中，螺纹连接由于可以获得很大的连接力，又便于装拆，连接件通过标准化易于实现大批量生产，而且连接成本低、连接件价格便宜、具有互换性，因此成为最为广泛应用的连接方式。螺纹连接质量直接影响着整个产品的装配质量及可靠性。从经济角度来看，螺纹紧固件本身的价值虽然很低，但是它们所连接的产品却通常都很昂贵。在螺纹连接由于质量问题导致连接失效时，损坏的不仅仅是螺纹紧固件本身，而是整个产品。

以螺钉连接为例，螺钉的预紧力是指在拧螺钉过程中拧紧力矩作用下的螺钉与被连接件之间产生的沿螺钉轴心线方向的作用力。精密仪表的装配中，若预紧力过高，螺钉连接引起应力集中，进而造成被连接件塑性变形，从而影响精密仪表的精度；如果预紧力过低，首先可能会导致的就是螺钉连接起不到实际的连接作用，其次过低的预紧力会引起在振动环境中的精密仪表螺钉脱松，被连接件出现滑移，严重影响精密仪表的精度或造成仪表损坏。因此预紧力的控制尤为重要。

目前生产实践中主要应用扭矩法来控制螺钉连接的预紧力，该方法操作简单，应用灵活，工艺成本低，是应用最广的螺钉拧紧方法。其基本原理是在拧紧过程中通过控制扭矩来实现对预紧力的间接控制，即T＝KdF，其中，T为扭矩；K为扭矩系数；d为螺钉的公称直径；F为螺钉的预紧力。目前，工程中扭矩系数K一般主要依据经验来确定。在支承表面不光滑、无润滑油时，K一般取0.2；在支承表面光滑、有润滑油时，K一般取0.1。但是在实际拧紧过程中，扭矩系数K并不是一个常数，螺钉支承表面的粗糙度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、拧紧时的温度等都会对扭矩系数K产生影响。同一批螺钉，由于外界条件的变化，K可能在0.1～0.3范围内，甚至更宽的范围内变动。K的变动必然会导致预紧力控制精度的降低，使得螺钉的预紧力有较大的离散性。由此可见，对于精密仪表或者其它高精度仪器，在预紧力需要精确控制时，面对材料、温度、润滑条件等多种不确定因素，K的经验值显然满足不了工程实际需求，因此，准确获得螺纹连接中预紧力和扭矩的映射关系及研究压紧力对其关系影响对于提高装配质量具有重要意义。

螺纹连接工艺过程越来越受到重视，人们对其研究也越来越深入，但大部分研究都集中于大型承受重载的车用、船用螺钉上。对于精密仪表中广泛使用的公称直径(M)为2-6的小尺寸螺纹连接的研究比较匮乏。一方面是小尺寸螺钉对于精密仪表精度的影响还没受到广泛重视。另一方面，小尺寸螺钉相比于大尺寸螺钉在研究的过程中有更多的难点。其一，小尺寸螺钉的加工质量问题，其形状误差、尺寸误差、表面粗糙度的情况离散性太大，从而导致测量结果离散性也比较大。其二，小尺寸螺钉摩擦面积小，无法使用贴片型传感器直接测量其预紧力及各摩擦面的摩擦力，造成了小尺寸螺钉的扭矩系数在研究上的困难。而且，目前大多数螺钉连接的研究没有对拧紧过程中施加的压紧力进行监测研究。但我们不能忽略在拧紧螺钉时，尤其是拧紧小尺寸十字螺钉过程中压紧力的重要性，例如在实际人工作业时只有施加一定的压紧力才能更好的完成紧固过程。

发明内容