螺栓预紧力分析计算在提高机床装配精度上的研究应用.pdf

工艺与检测 T e c h n 0 l0I g y a n d 螺栓预紧力分析计算在提高机床装配 精度上的研究应用 王海涛李初 晔 北京航空制造工程研究所， 北京 1 0 0 0 2 4 摘要 装配是实现数控机床／ j n - r 功能的重要环节 。 零部件之间的联接通常通过螺栓来实现 ， 尤其是关键部 位的大公称直径螺栓 ， 其联接质量决定着机床最终的整体性能。由于螺栓施加预紧力的数值影响了 螺纹联接质量， 通过采用软件分析和相关计算 ， 对螺栓预紧力作 出科学的量化， 改善了螺纹联接的可 靠性和准确性 。 提高了机床的装配精度和加工稳定性 。 关键词 螺栓联接预紧力 分析计算装配精度 中图分类号 T H1 6 1 ． 7 文献标识码 A Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f b o l t s p r e - t i g h t e n i n g f o r c e a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o n i mp r o v i n g ma c h i n e t o o l s a s s e mb l y a c c u r a c y W ANG Ha i t a o，L I Ch u y e B e i j i n g A e r o n a u t i c a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4， C H N Abs t r a c t As s e mb l y i s t he e s s e n t i a l l i n k t o r e a l i z e t h e p r o c e s s i n g f u n c t i o n o f CNC ma c h i n e t o o l s，t he c o n n e c t i o n b e t we e n p a ns a r e u s u a l l y t h r o u g h t h e b o l t s，e s p e c i a l l y t h e b i g n o mi n a l d i a me t e r bo l t ，i t S qu a l i t y d e c i d e s t h e wh o l e pr o pe y o f ma c h i n e t o o l s ． Du e t o t h e b o l t s p r et i g h t e n i n g f o r c e v a l u e，t he c o n n e c t i o n q u a l i t y o f t h r e a d i s i n flu e n c e d，t h r o u g h a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n b y t h e s o f t wa r e，we c o ul d ma k e a s c i e n t i f i c q ua n t i fic a t i o n o n b o l t s p r e -t i g h t e n i n g f o r c e，t he n i mp r o v e t he r e l i a b i l i t y a n d a c c u r a c y，a n d t h e a s - s e mb l y a c c u r a c y a n d ma c h i n i n g s t a bi l i t y ． Ke y wo r d sBo l t Co n n e c t i o n；P r e - t i g h t e n i n g F o r c e；An a l y t i c a l Ca l c u l a t i o n；As s e mb l y Ac c u r a c y 在数控机床的装配过程 中， 零部件之间的联接一 般通过螺栓来实现。在实际中， 大多情况下都要拧紧 螺栓或者螺母 ， 使螺栓联接在承受工作载荷之前 ， 预先 受到一个力的作用 ， 这个预先所加 的作用力就是通常 所指的预紧力。实质上 ， 预紧力是 由于被联接件 和螺 栓杆的弹性变形产生 的， 而不是拧 紧扳手和螺母之 间 相互作用产生的。 大小适 中的预紧力可以增强零部件联接的可靠性 和紧密性。如果预紧力达不到实际要求 ， 联接件 之间 在受载后容易出现缝 隙或发生相对 的偏移 ， 从而造成 联接处零部件的松动， 情况严重时 ， 甚至会导致数控机 床无法正常运行 ； 如果预紧力超过实际要求 ， 容易造成 人为的零部件损坏。 众所周知 ， 规定预紧力的螺纹联接 ， 常用控制转矩 法 、 控制转角法 、 控制螺栓伸长法来保证预紧力的准确 性。在实际的操作过程 中， 常用螺栓轴 向预 紧力的控 制方法 ， 它是通过控制转矩来 间接地实现对轴 向预紧 力的控制 。装配时最常用的是使用手动指针式扭力扳 手或数显式扭力扳手来完成力矩的控制。 1 现行状况 某型号数控机床 ， 外型尺寸大 ， 实际生产加工时， 横 向最大推力 3 X 1 0 0 0 k N， 纵 向最大推力 3 x 7 0 0 k N， 其他相关的主要技术指标如下 1 横向定位精度 0 ． 0 1 m m ／ 3 0 0 m m； 2 横向重复定位精度 0 ． 0 1 5 m m； 3 横向同步精度 ≤0 ． 0 3 Bin ； 4 纵向定位精度 0 ． 0 2 m m ／ 3 0 0 m m； 5 纵向重复定位精度 0 ． 0 3 m m； 6 纵 向同步精度 ≤0 ． 0 6 m m。 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科 技重大专项资助项 目 2 0 1 1 Z X 0 4 0 0 2 1 4 1 1 2 8 等 一 j ‘u l0 l 如此大的切削力 ， 加上较高的运行精度 ， 对于整台 设备及其装配来说都面临着巨大的挑战。因此对于控 制好部件之间的联接质量 ， 显得尤为关键 。 该设备部件之间联接使用的螺栓规格主要是 M3 6 和 M 3 0两种 ， 通常用于紧固受力较大的零部件。拧紧 时所需要的力要结合设 备的工况来进行计算 ， 另外还 要根据 以往的经验和借 助分析软件 ， 辅助进行对 比和 校对 ， 以寻求较为理想的预紧力数值。因此 ， 如果在装 配联接之前 ， 能够通过分析和计算 ， 最大限度地了解和 掌握螺栓预紧力的大小 ， 使其在一个较为合理的范围 之内 ， 这对于整机 的装配精度以及设备的运行安全 ， 都 有重要的指导意义。 2 实施过程 通过分析研究 ， 螺栓紧固时所施加的预紧力 ， 有几 种方法可以直接或间接获得 ， 较为直接的方法就是 向 专业公 司获取经验数据 如表 1 ； 再者 ， 通过查阅设计 工具上的相应数据 资料 如表 2 并采用公式 进行计 算 ； 还有 ， 就是借助 有限元分 析软件 ， 进 行分析验证 。 无论怎样 ， 每一种预紧力的数值都不是特别精确的 ， 这 就需要综合考虑各方 面的因素 ， 结合该机床的工况条 件 ， 寻求一个较为合理的结果 。该 工作流程 如图 1 概括 如 下 图1螺栓预紧力输出流程 2 ． 1 专业公司的数据 表 1 表 1 粗牙螺纹螺栓预紧 力和拧 紧力矩表 拧紧力矩 序号 型号规格 性能等级 预紧力／ N 备注 ／ N m 1 M3 6 1 0 ． 9 6 0 8 0 0 HD 3 9 5 7 伍尔特公司 2 M3 0 1 0． 9 41 6 0 0 o 2 2 7 4 2 ． 2 根据公式计算数值 下面以 M3 6粗牙螺栓为例进行相关计算 ， 说明螺 栓预紧力得出的过程。 由立柱与底座联接 、 底座和箱体联接所 使用 的螺 栓型号和性能等级 ， 通过查 阅 机械设 计手册， 可 以 得到表 2数据 。 由表 2可知 ， 按 1 0 ． 9级性能等级 ， 螺栓 预紧力采 I等等 ； ； 0 。 T e C h n 0 lo g y a n d T e s t 工艺与检测 用保证载荷 ， 即 F 6 7 8 0 0 0 N， 螺栓直径 3 6 m m， 选 取扭矩系数 k 0 ． 2， 可得理论拧紧力矩 T ok Fd 0 ． 2 6 78 0 0 0 0 ． 03 6 4 8 81 ． 6 N m 表 2粗牙螺纹产 品最小拉力载荷和产 品保证载荷 型号 性能 最小拉力 保证 载荷 序号 备注 规格 等级 载荷／ N ／ N 1 M3 6 1 0 ． 9 8 5 0 0 0 0 6 7 8 0 0 0 立柱与底座联接 2 M3 O 1 0 ． 9 5 8 3 0 0 0 4 6 6 0 0 0 底座和箱体联接 在计算时， 预紧力选取了螺栓的保证载荷 ， 在实际 应用中， 还要确定一个安全系数 ， 以保证螺栓的使用寿 命。根据 以往 的经验， 取安全系数 A 0 ． 8 ， 则 紧固时 使用 的拧紧力矩 T 0． 8T o0． 8 4 8 81 ． 6 3 90 5 N m 按同样的步骤 ， 性能等级为 1 0 ． 9的 M3 0粗牙螺 栓 ， 在紧固时使用的扭拧紧力矩 T 2 2 3 6 N 1T I 。 根据以上拧紧力矩的计算结果 ， M3 6和 M 3 0与表 1中所推荐使用拧紧力矩偏差率分别为 1 3 9 5 73 9 0 5 ／ 3 9 5 71 ． 3 ％ ， 2 2 2 7 42 2 3 6 ／ 2 2 7 41 ． 7 ％ 由以上数值可知 ， 根据公式计算后 ， 实际应用时所 采用 的拧 紧力矩大小与专业公 司提供 的数值 比较接 近 ， 所以一致性很好 。 2 ． 3 有限元分析计算 利用软件辅助分析计算 ， 主要 目的是为了模拟理 想状态下机床的整体受力情况 ， 计算 出各处螺栓在工 况下的受力大小， 进而计算 出预紧力 的数值 ， 再与以上 两种方式得出的结果进行 比较和验证 ， 最终确定螺栓 实际安装时的拧紧力矩。 下面以机床立柱和底座处的螺栓联接为例进行阐 述 ， 装配实体模 型如图 2所示 ， 图 3为有 限元 网络模 型。 对于底座和箱体联接的处理方式与该过程相 同， 图2 实体模型 图3 有限元网格划分 工艺与检测 n o l0 g y 0 n d T e s t 在此不再赘述 。两零件螺栓联接状态如图 4所示 。 夹紧 l 2 1 一六 角头螺栓 ；2 一 弹簧 垫圈；3 一 平垫 圈；4 一 立柱；5 一底厘。 图4 立柱与底座螺栓联接状态 由图 4可知， 预 紧力存在是 因为拧紧螺栓 的过程 中， 螺栓与立柱上非接触的光孑 L 段 的部分发生弹性变 形 ， 以及被联接件即立柱和底座被压紧时， 其弹性变形 的存在。如果扳手拧螺栓 时， 被联接件及螺栓杆没有 产生弹性变形 ， 也就是没有拧紧 ， 那么预紧力就不可能 产生 ， 也就没有实际的意义。 使用 A N S Y S软件 ， 结合机床 的实际受力情况 ， 施 加约束 ， 如图 5所示 ， 通过分析计算 ， 最终得出理想状 态 的预紧力数值 ， 结果如下 图5 施加约束及联接处放大 联接处 1 0 ． 9级 ， M 3 6螺栓受预紧力为 F 3 1 2 5 0 0 N， 知螺纹直径 d 3 6 mm， 取扭矩系数 k 0 ． 2 ， 则拧紧 力矩 T 1 k F d O ． 2 3 1 2 5 0 0 0 ． 0 3 6 2 2 5 0 N m。 同理 ， 底 座和箱体联接处 1 0 ． 9级 ， M3 0螺栓受预 紧力为 F 2 3 7 8 1 0 N， 知螺纹直径 d 3 0 m m， 取扭矩 系数 0 ． 2， 则 拧 紧力矩 T 2 k F d0 ． 2 2 3 7 8 1 0 X 0． 03 01 4 2 6． 9 N m 。 根据有限元分析结果计算 出的拧紧力矩数值 ， 是 比较理想状态的， 为了确保联接时的可靠性 ， 通常取该 数值 的 1 ． 5～ 2倍 即可 ， 所 以实际紧固时 ， 对两种螺栓 采用的拧紧力矩分别是 T 1 1 ． 5～2 T 1 3 3 7 5 ～4 5 0 0 N‘ m 1 ． 5～2 T 2 2 1 4 0 ～2 8 5 4 N。 m 通过以上结果 ， 可以知道 2 ． 1节和 2 ． 2节的拧紧 力矩相近 ， 且数值都在有限元分析计算后所推荐 的数 值范围之内， 这就为机床的下一步装配奠定了基础 ， 提 供有力依据 ， 说明拧紧力矩的数值是合理和可信的。 3 现场应用及效果 根据以上拧紧力矩的数值 ， 在装配 的具体操作过 程中， 综合考虑 3种方法得到的拧紧力矩数值 ， 以前两 种较为相近的结果为基础 ， 采用了 2 ． 3节 中 和 的下限拧紧力矩值 ， 即 3 3 7 5 N m和 2 1 4 0 N m， 该 值低于专业公司的推荐值 最大拧紧力矩值 。专业 公司的技术人员建议实际应用采用推荐值的 0 ． 7 5倍 就能实现要求 ， 以延长螺栓等联接件的使用寿命 。 其他规格型号的螺栓拧紧力矩的计算方法同上。 按照以上步骤得出的拧紧力矩值进行现场装 配， 配合扭力放大器 、 测力扳手等专用工具 ， 以求装配操作 的精确性 。 整机完成装配后 ， 进行了试运行和加工检测 ， 得到 了相关 的技术指标参数， 与原来未采用计算拧 紧力矩 装配的同种机床进行了比较 ， 如表 3所示。 数据显示 所有精度指标全部符合技术要求 ， 各项 精度指标有了较大幅度 的提高。从测量数据看 ， 在其 他装配方式和装配条件没做改动 的情 况下 ， 对所有联 接处螺栓的拧紧力矩做出严格 的量化 ， 确保了零部件 联接的可靠性和紧密性 ， 在实际应用 中确实能够起 到 提高机床装配精度的作用。 表 3 机床主要技术指标的比较 m m 指标 项 目 横 向定位精度 横向重复定位精度 横向同步精度 纵 向定位精度 纵 向重复定位精度 纵向同步精度 技术要求 O ． 0 1 ／ 3 o o 0 ． 0 1 5 ≤0 ． 0 3 0 ． 0 2 ／ 3 0 0 0 ． O 3 ≤0 ． 0 6 现在机床 O ． 0 0 7 ／ 3 0 0 0 ． 0 1 0 ≤O ． 0 2 0 ． O l ／ 3 0 0 O ． 0 3 ≤0 ． 0 3 5 原来机 床 0 ． O 1 ／ 3 0 0 O ． 0 1 3 ≤0 ． 0 2 5 0 ． 0 2 ／ 3 0 0 0 ． 0 3 ≤0 ． 0 5 1 3 0 ￡u I o 1 4结语 通过对螺栓预紧力 的研究和应用 ， 有 以下几点认 识和启示 1 联接用螺栓预紧力的大小影响数控机床的装 配质量和加工精度 。 2 预紧力较为抽象 ， 机床的设计和装配人员 ， 要 充分认识螺栓联接时预紧力合理与否的重要性。因操 作人员 、 使用工具以及工况等不 同， 故不能简单地用是 否拧紧来衡量。实际装配时， 应严 格按 照工艺上提供 的拧紧力矩数值进行螺栓紧固。 3 在机床零部件联接时 ， 对于螺栓 的紧固操作 ， 应根据安装和使用要求 的不 同， 详 细地制定 出合理的 实施方案 ， 以相对简单 、 稳妥和符合实际的方式达到螺 栓预紧的 目的。 4 对于螺栓预 紧力 的控制方法 ， 既需要 丰富的 经验 ， 也需要认真研究 、 细心分析。根据拧紧力矩控制 的工艺要求 ， 结合实践积累， 严格 规范过程控制 ， 才能 真正提高机床的整体装配水平。 5 借助有限元分析软件 ， 对拧 紧力矩 的使用数 T e c h n 0 10 g y a n d T 吲 工艺与检测 值进行分析验证 ， 特别是对 于大型机床的装配联接 以 及大规格型号的螺栓 的紧固， 可在一定程度上提高装 配工作的可信度和可靠性。 参考文献 [ 1 ] 王海 涛， 李初哗． 有 限元法在工装优化设计中的应用 [ J ] ． 金属加工 冷加工 ， 2 0 1 0 1 8 ． [ 2 ] S a e e d Mo a v e n i ． 有限元分析 A N S Y S理论 与应 用[ M] ． 3版． 北 京 电 子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 机械设计手册编委会． 机械设计手册 第三册 机械零部件 与传 动设 计 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 王启义． 中国机械设计 大典 机械零 部件设计 [ M] ． 南 昌 江西科 学 技术出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 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