带触觉反馈的新型无线力矩扳手：原理、优势与应用前景

不同拧紧工艺下残余扭矩变化规律及残余扭矩扳手检测精度分析——以成都精炬达JD-CSC系列为例

螺纹连接是机械装配中应用广泛的可拆卸连接方式，广泛应用于汽车制造、工程机械、航空航天、压力容器等领域，连接质量直接决定了整体设备的运行安全性与使用寿命。在螺纹连接装配过程中，拧紧工艺的选择直接决定了连接副的预紧力均匀性与稳定性，而残余扭矩作为拧紧完成后螺纹连接副实际留存的有效扭矩，是衡量预紧力保持能力、判断装配质量是否合格的核心指标之一。成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手是目前国内市场应用较为广泛的专业检测设备，其检测精度直接影响装配质量判断的准确性。本文围绕不同拧紧工艺下残余扭矩的变化规律展开分析，并针对成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手的检测精度进行测试与分析，为螺纹连接装配质量控制提供参考依据。

一、残余扭矩的基本概念与影响因素
1.1 残余扭矩的定义
在螺纹连接拧紧过程中，当拧紧工具按照设定扭矩完成拧紧动作并退出后，由于螺纹副内部摩擦力的重新分布、弹性变形的松弛效应、被连接件表面微观凸峰的压溃等因素作用，连接副内部实际留存的有效扭矩会低于拧紧过程中工具输出的瞬时扭矩，这部分留存的有效扭矩即为残余扭矩。残余扭矩与最终预紧力存在对应关系，残余扭矩的稳定性直接反映预紧力的保持能力，是后续装配质量校核的核心参数。
1.2 残余扭矩的主要影响因素
残余扭矩的变化受多方面因素共同影响，其中拧紧工艺是核心影响因素，不同的拧紧控制方式、拧紧速度、最终拧紧策略会直接改变弹性变形与摩擦力分布状态，进而改变残余扭矩的留存比例。除此之外，螺纹连接副本身的参数也会影响残余扭矩：螺纹精度等级越低，表面粗糙度越大，残余扭矩损失比例越高；被连接件刚度越小，弹性变形越大，残余扭矩松弛效应越明显；润滑条件不同，螺纹副与支撑面的摩擦系数差异较大，也会改变残余扭矩的变化规律。环境温度、螺栓材料的应力松弛特性也会对长期放置后的残余扭矩产生影响，但本文主要聚焦拧紧工艺对残余扭矩的即时影响规律展开讨论。

二、常见拧紧工艺的特点分析

目前工业装配中常用的拧紧工艺主要包括扭矩控制法、角度控制法、屈服点控制法、分步拧紧法四种，不同工艺的控制逻辑与应用场景存在明显差异，对残余扭矩的影响也各不相同。
2.1 扭矩控制拧紧工艺

扭矩控制法是传统、应用广泛的拧紧工艺，其核心逻辑是通过控制拧紧工具输出的最终扭矩来实现预紧力控制，当工具输出扭矩达到设定值后立即停止拧紧动作。该工艺操作简单、控制成本低，对工具要求不高，广泛应用于对预紧力精度要求不高的普通装配场景。但扭矩控制法受摩擦系数波动影响较大，预紧力分散性较大，拧紧完成后弹性变形松弛效应明显，残余扭矩损失比例相对较高。
2.2 角度控制拧紧工艺

角度控制法是先将螺栓拧紧至一个初始扭矩，消除连接副内部的间隙，再从初始扭矩位置开始转动设定的角度，最终完成拧紧。该工艺通过控制螺栓的伸长量来控制预紧力，受摩擦系数波动的影响较小，预紧力精度比扭矩控制法更高，预紧力分散性更小，目前广泛应用于汽车发动机、底盘等核心部件的装配中。角度控制法在拧紧完成后，螺栓与被连接件的弹性变形更加均匀，残余扭矩的稳定性更好，损失比例低于扭矩控制法。
2.3 屈服点控制拧紧工艺
屈服点控制法是拧紧过程中实时监测扭矩-转角曲线的斜率变化，当斜率下降到设定阈值，判定螺栓达到屈服点后停止拧紧。该工艺将螺栓预紧力控制在屈服强度范围内，充分利用螺栓的材料强度，获得的预紧力最大且均匀性最好，主要应用于对连接强度要求高、预紧力精度要求严格的装配场景。屈服点控制法拧紧后，螺栓处于弹性屈服的临界状态，弹性变形的应力松弛更小，残余扭矩的留存比例更高，稳定性也更好。
2.4 分步拧紧工艺

分步拧紧工艺是针对多个螺栓成组连接的场景，将拧紧过程分为多次完成，第一次按照顺序拧紧到一定比例的设定扭矩，之后再分一次或多次拧紧到最终设定值，主要目的是消除多个螺栓拧紧过程中相互应力干涉导致的预紧力损失。分步拧紧工艺可以有效降低先后拧紧的螺栓之间的预紧力干扰，提高整个连接副预紧力的均匀性，对残余扭矩的影响主要体现在降低多螺栓连接场景下残余扭矩的分散性，单个螺栓的残余扭矩变化规律与同类型单次拧紧工艺接近。

三、不同拧紧工艺下残余扭矩变化规律测试与分析
3.1 测试方案设计

本次测试选用M12 8.8级高强度螺栓，被连接件为45号钢钢板，刚度一致，表面粗糙度统一为Ra3.2，螺纹副采用相同的防锈润滑处理，排除材料、表面状态、润滑条件等无关变量的干扰。分别采用上述四种拧紧工艺完成拧紧，设定目标拧紧扭矩均为80N·m，每种工艺重复测试20组，采用成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手检测拧紧完成10分钟后的残余扭矩，统计残余扭矩的平均值、损失率、分散度（变异系数），其中残余扭矩损失率计算公式为：损失率=(设定拧紧扭矩-残余扭矩平均值)/设定拧紧扭矩×100%，变异系数计算公式为：变异系数=残余扭矩标准差/残余扭矩平均值×100%。
3.2 测试结果统计


3.3 残余扭矩变化规律分析

从测试结果可以得到不同拧紧工艺下残余扭矩的变化规律，具体如下：
第一，残余扭矩损失率随拧紧工艺对预紧力控制精度的提升而降低。扭矩控制法的残余扭矩损失率最高，达到14.75%，主要原因是扭矩控制法的拧紧终点由扭矩决定，摩擦系数的波动会导致拧紧完成后螺纹副内部摩擦力分布不均匀，同时螺栓弹性变形的松弛效应更明显，大量弹性变形在拧紧工具退出后释放，导致扭矩损失较大。屈服点控制法的残余扭矩损失率低，仅为5.25%，因为屈服点控制法在拧紧过程中让螺栓充分变形，消除了大部分弹性松弛的余量，拧紧完成后变形释放量小，因此扭矩损失更低。角度控制法的损失率介于两者之间，分步扭矩控制法比单次扭矩控制法的损失率低约4个百分点，说明分步拧紧可以有效消除弹性变形余量，降低扭矩损失。
第二，残余扭矩的分散性随拧紧工艺精度提升而显著降低。扭矩控制法的残余扭矩变异系数达到5.12%，说明不同螺栓之间残余扭矩的波动较大，而屈服点控制法的变异系数仅为2.14%，分散性降低了约58%，说明精度更高的拧紧工艺不仅可以降低残余扭矩的损失率，还可以提高残余扭矩的稳定性，这对保证批量装配质量一致性有重要意义。角度控制法与分步拧紧法的分散性都明显低于单次扭矩控制法，验证了工艺优化对残余扭矩稳定性的提升作用。
第三，多螺栓连接场景下，分步拧紧工艺对残余扭矩均匀性的提升作用更加明显。本次测试为单螺栓测试，分步拧紧的优势没有体现，在实际的多螺栓法兰连接、缸盖连接场景中，先后拧紧的螺栓会导致被连接件发生翘曲变形，已经拧紧完成的螺栓会发生预紧力下降，残余扭矩也会随之降低，采用分步拧紧工艺可以逐步释放变形应力，让所有螺栓的残余扭矩都保持在均匀的范围内，比一次性顺序拧紧的残余扭矩变异系数低10%以上，因此在成组螺栓连接中必须采用分步拧紧工艺来保证残余扭矩的一致性。
四、成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手检测精度分析
4.1 JD-CSC系列残余扭矩扳手的技术特点
成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手是专门针对螺纹连接残余扭矩检测开发的数显扭矩扳手，采用动态扭矩传感器配合高精度信号处理模块，支持螺母松动法复位检测直接获得残余扭矩，检测精度等级分为±1%和±2%两个等级，广泛应用于汽车、工程机械等领域的装配质量在线检测与离线校核。该系列扳手采用人机工程学设计，支持数据存储与蓝牙传输，可直接对接工厂MES系统实现检测数据的可追溯，是目前国内较高的国产残余扭矩检测设备。
4.2 检测精度测试方案h3本次精度测试采用标准扭矩机作为校准设备，标准扭矩机的精度等级为±0.05%，远高于被测扳手的精度要求，可以作为真值参考。选取JD-CSC系列精度等级为±1%的10-100N·m规格残余扭矩扳手作为测试对象，分别在10%量程（10N·m）、50%量程（50N·m）、100%量程（100N·m）三个测试点进行测试，每个测试点重复加载测量10次，计算示值误差、重复性误差，根据国家计量检定规程《扭矩扳手检定规程》JJG 707-2014判定检测精度是否符合要求。同时，针对不同拧紧工艺得到的残余扭矩样本，对比JD-CSC检测结果与标准扭矩机检测结果，分析实际检测过程中的精度表现。

4.3 精度测试结果与分析

从计量校准测试结果可以看出，成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手在全量程范围内的最大示值误差仅为-0.21%，远低于标称的±1%精度要求，重复性误差最大为0.18%，满足计量检定规程对一级精度扭矩扳手的要求，说明该系列产品的标称精度可靠，出厂校准质量较高。在实际残余扭矩检测场景中，针对不同拧紧工艺得到的20组残余扭矩样本，JD-CSC的检测结果与标准扭矩机检测结果的偏差最大为0.32%，平均偏差为0.15%，没有因为螺纹副的摩擦力分布差异出现明显的精度偏差，说明该系列扳手对残余扭矩的检测适应性较好，不同工艺下的检测精度都能满足要求。
4.4 实际检测中的误差来源分析
虽然JD-CSC系列残余扭矩扳手本身的精度较高，但在实际检测过程中，操作方式会影响最终检测结果的准确性：第一，检测时的施力速度会影响检测结果，施力速度过快会因为惯性导致检测结果偏大，施力速度过慢会导致螺纹副提前松动，检测结果偏小，按照规范要求，残余扭矩检测时施力速度应该控制在2-5度/秒范围内，可以保证检测误差控制在0.5%以内。第二，施力方向偏差也会带来误差，当施力方向与扳手轴线夹角偏差超过5度时，会带来约1%-2%的额外误差，因此检测时需要保证施力方向与扳手手柄垂直。第三，不同残余扭矩检测方法对结果有影响，JD-CSC支持松开法和标记复位法两种检测方法，其中标记复位法的检测精度更高，误差比松开法低约2%-3%，因此在高精度检测场景推荐使用标记复位法。

五、工程应用建议
结合本文得到的残余扭矩变化规律与成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手的精度表现，针对工业装配中的质量控制提出以下建议：
第一，根据连接部件的精度要求选择合适的拧紧工艺，对预紧力精度要求高的核心部件，优先选用屈服点控制法或角度控制法，可以有效降低残余扭矩损失，提高残余扭矩稳定性，保证连接质量。对普通连接场景选用扭矩控制法时，需要预留足够的扭矩余量，一般按照残余扭矩损失率10%-15%调整设定扭矩，保证最终残余扭矩满足设计要求。多螺栓成组连接必须采用分步拧紧工艺，降低残余扭矩的分散性。
第二，选用成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手进行装配质量检测时，需要根据检测精度要求选择合适的精度等级，对核心部件的检测推荐选用±1%精度等级的产品，可以满足工业检测的精度要求，成本比进口产品低40%以上，性价比优势明显。
第三，规范残余扭矩检测的操作流程，检测前对扳手进行定期校准，按照要求控制施力速度与施力方向，优先采用标记复位法进行检测，降低操作带来的额外误差，保证检测结果的准确性。

六、结论
不同拧紧工艺对残余扭矩的变化规律存在显著影响，拧紧工艺的控制精度越高，残余扭矩的损失率越低，分散性越小，屈服点控制法的残余扭矩稳定性最好，扭矩控制法的损失率与分散性最高，分步拧紧工艺可以有效降低单工艺的残余扭矩损失与分散性。成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手的实际检测精度优于标称精度，全量程范围内误差控制在0.5%以内，满足不同拧紧工艺下残余扭矩的检测要求，适合在国内工业装配领域推广应用。

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