螺栓预紧力分析计算在提高机床装配精度上的研究应用

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Research and application of bolts pre-tightening force analysis andcalculation on improving machine tools assembly accuracyWANG Haitao，LI Chuye(Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，CHN)Abstract：Assembly is the essential link to realize the processing function of CNC machine tools，the connectionbetween pans are usually through the bolts，especially the big nominal diameter bolt，it S quality de-cides the whole propey of machine tools.Due to the bolts pre-tightening force value，the connectionquality of thread is influenced，through analysis and calculation by the software，we could make a scien-tific quantifcation on bolts pre-tightening force，then improve the reliability and accuracy，and the as-sembly accuracy and machining stability。

Keywords：Bolt Connection；Pre-tightening Force；Analytical Calculation；Assembly Accuracy在数控机床的装配过程中，零部件之间的联接-般通过螺栓来实现。在实际中，大多情况下都要鹏螺栓或者螺母 ，使螺栓联接在承受工作载荷之前，预先受到-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，而不是鹏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 3X1 000 kN，纵向最大推力 3x700 kN，其他相关的主要技术指标如下：(1)横向定位精度：0.01 mm/300 mm；(2)横向重复定位精度：0.015 mm；(3)横向同步精度：≤0.03 Bin；(4)纵向定位精度：0.02 mm/300 mm；(5)纵向重复定位精度：0.03 mm；(6)纵向同步精度：≤0.06 mm。

高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目(2011ZX04002-141)· 128 · 等 - j ul0 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 M36和 M30两种，通常用于紧固受力较大的零部件。鹏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-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拳验数据(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-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-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鹏力矩表鹏力矩 序号 型号规格 性能等级 预紧力/N 备注/(N ·m)1 M36 10.9 608 00HD 3 957 伍尔特公司2 M30 10.9 416 00o 2 2742.2 根据公式计算数值下面以M36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 10.9级性能等级，螺栓预紧力采I等等 ； ； 0 。

TeCh n0logy and Test工艺与检测用保证载荷，即F678 000 N，螺栓直径 36 mm，选取扭矩系数 k0.2，可得理论鹏力矩：TokFd0.2 ×678 000 ×0.0364 881.6 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 /N1 M36 10.9 850 000 678 000 立柱与底座联接2 M3O 10.9 583 000 466 000 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-个安全系数，以保证螺栓的使用寿命。根据以往的经验，炔全系数 A0.8，则紧固时使用的鹏力矩：T0.8To0.8×4 881.63 905 N ·m按同样的步骤，性能等级为 10.9的 M30粗牙螺栓，在紧固时使用的扭鹏力矩：T 2 236 N·1TI。

根据以上鹏力矩的计算结果，M36和 M30与表1中所推荐使用鹏力矩偏差率分别为：1(3 957-3 905)/3 9571.3%，2(2 274-2 236)/2 2741.7%由以上数值可知，根据公式计算后，实际应用时所采用的鹏力矩大小与专业公司提供的数值比较接近，所以-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鹏力矩。

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 nol0gy 0nd Test在此不再赘述。两零件螺栓联接状态如图4所示。

夹紧l21-六 角头螺栓 ；2- 弹簧 垫圈；3- 平垫 圈；4- 立柱；5-底厘。

图4 立柱与底座螺栓联接状态由图4可知，预紧力存在是因为鹏螺栓的过程中，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，也就是没有鹏，那么预紧力就不可能产生，也就没有实际的意义。

使用 ANSYS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 10.9级，M36螺栓受预紧力为 F312 500N，知螺纹直径 d36 mm，取扭矩系数 k0.2，则鹏力矩：T1kFdO.2312 5000.0362 250 N·m。

同理，底座和箱体联接处 10.9级，M30螺栓受预紧力为 F237 810 N，知螺纹直径 d30 mm，取扭矩系数 0.2，则鹏力矩：T2kFd0.2×237 810 X0.0301 426.9 N ·m。

根据有限元分析结果计算出的鹏力矩数值，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，对两种螺栓采用的鹏力矩分别是：T1 (1.5～2)×T1(3 375～4 500)Nm： (1.5～2)×T2(2 140～2 854)N。m通过以上结果，可以知道：2.1节和2.2节的鹏力矩相近，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-步装配奠定了基础，提供有力依据，说明鹏力矩的数值是合理和可信的。

3 现场应用及效果根据以上鹏力矩的数值，在装配的具体操作过程中，综合考虑3种方法得到的鹏力矩数值，以前两种较为相近的结果为基础，采用了2.3节中 和的下限鹏力矩值，即3 375 N·m和 2 140 N·m，该值低于专业公司的推荐值(最大鹏力矩值)。专业公司的技术人员建议实际应用采用推荐值的0.75倍就能实现要求，以延长螺栓等联接件的使用寿命。

按照以上步骤得出的鹏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，与原来未采用计算鹏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鹏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 mm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.01/3oo 0.015 ≤0.03 0.02/300 0.O3 ≤0.06现在机床 O.007/300 0.010 ≤O.02 0.Ol/300 O.03 ≤0.035原来机床 0.O1/300 O.013 ≤0.025 0.02/300 0.03 ≤0.05· 130 ·u Io 14 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鹏来衡量。实际装配时，应严格按照工艺上提供的鹏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。根据鹏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，对鹏力矩的使用数Techn010gy and 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-定程度上提高装配工作的可信度和可靠性。