一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法与流程
技术领域：
本发明涉及航空发动机装配技术领域，特别涉及一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法。
背景技术：
螺栓连接配合是航空发动机装配中最常见的连接方式，通过法兰外止口螺栓连接实现高压转子多级盘轴同轴安装，通过精密螺栓和法兰内止口螺栓连接实现多级机匣级联装配，螺栓预紧力精确控制对装配性能一致性及整机性能稳定性有着重要的影响。
螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。
螺栓预紧力的控制可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明，较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。但是过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力非常重要。
但是对于航空发动机使用螺栓装配时，装配性能的一致性指的是螺栓本身实际的预紧力，而不是力矩扳手施加给螺栓的力。这是因为，当使用力矩扳手向螺栓施加力矩时，螺栓和被连接件支撑面之间存在摩擦力，出现力的损耗，螺栓的螺纹副传动时，螺纹副摩擦做功，也出现摩擦损耗等等。因此，力矩扳手施加的力无法100％传递到螺栓上，并且，装配工艺，比如螺栓的材料、被连接件的材料、拧紧速度、润滑条件、温度等，都会对力的损耗造成影响，从而造成螺栓本身的实际预紧力不可预知。在装配时，即使使用高精度的力矩扳手，也会出现螺栓的装配一致性差，并且螺栓的实际预紧力不可控且不可预知的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于在航空发动机装配时，能够提供精确的参考依据，精确控制螺栓的实际预紧力的控制方法。
一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法，其特征在于，以螺栓的形变量表征螺栓的实际预紧力，用拉力机对螺栓施加拉力f、用超声回波法测量拉伸前的螺栓回波时间t0和受拉力f拉伸后的螺栓回波时间t1，将拉力作为预紧力，建立预紧力-声时差曲线；确定装配工艺条件，在指定工艺条件下建立终值扭矩与螺栓形变量的对照关系库；工艺条件包括：润滑条件和、或拧紧速度和、或力矩扳手的加载步和、或螺栓拧紧次数，和、或螺母类型。
预紧力与形变量的关系为：f＝e*s*δl，其中f为螺栓预紧力，e为螺栓材质的弹性模量，s为螺栓截面积，δl为螺栓的变形量，l为螺栓副的夹持长度；以超声回波法测量螺栓形变量，
进一步，预紧力-声时差曲线通过超声回波法和拉伸机标定确定，标定方法包括：
步骤1、获取一批材料成分相同、制作工艺相同的同一型号的航空发动机用螺栓，在这一批次的螺栓中随机采样几根用于标定，对标定用螺栓标记为b1、b2、……、bn，n表示第n个螺栓；将在标定用螺栓的端部设置压电超声贴片，获取一根螺栓作为当前标定螺栓；
步骤2、将当前标定螺栓装夹于拉伸机，压电超声贴片与超声测量仪建立连接，测量未拉伸时的超声回波时间t0，此时的拉力为0；
步骤3、拉伸机分阶段对当前标定螺栓施加拉力fi，fi表示第i阶段的拉力，每阶段拉伸施力后进行保载，保载稳定后超声测量仪读取力保载时监测点的回波时间tni，tni表示第i阶段的超声回波时间；
步骤4、将每个阶段的拉力fi和该阶段的超声回波时间tni生成预紧力-声时差曲线；
步骤5、获取下一根螺栓作为当前标定螺栓，重复步骤2～4，完成所有标定螺栓的预紧力-声时差曲线测量；
步骤6、将所有预紧力-声时差曲线测量拟合成当前批次螺栓的预紧力-声时差曲线。预紧力-声时差曲线表示了预紧力与螺栓形变量之间的关系。
进一步，对照关系库的建立方法包括：
步骤1、模拟航空发动机装配工况，在恒温恒湿洁净环境，内止口封闭操作空间受限，采用十字交叉分步拧紧方式；装配系统包含有实验工装、压电超声测试仪、具有压电超声贴片的待测试螺栓、原理试验件、和带有扭矩控制功能的电动扭矩扳手；其中，原理试验件是指和连接研究部位材质、几何参数、表面处理工艺完全相同的试验件；设置装配条件；步骤2、将标定原理件固定在实验工装上，取出测试螺栓采用不同工艺变量条件开展拧紧工艺实验；标定原理件是指，原理件按航空发动机不同安装部位，根据被连接件的材质、几何特征及表面成形方法专门加工制作用做连接参数标定的工件；
步骤3、用扭矩扳手向待测试螺栓按照装配条件加载力矩，并在保载稳定后读取螺栓预紧力f，改变装配条件的实际参数，重复对待测试螺栓加载相同的终止力矩t，拟合出在相同的终止扭矩t下，装配条件参数-预紧力曲线。
进一步，步骤3.1、扭矩扳手设定拧紧转速和终值扭矩t，用扭矩扳手向螺栓加载力矩后保载等待，读取稳定状态下的螺栓预紧力值f1；改变拧紧速度向螺栓夹在力矩后保载等待，并再次记录预紧力值f2，持续重复操作、改变拧紧速度并记录预紧力值fn，拟合出在相同的终止扭矩t下，拧紧速度-预紧力曲线。
和、或，步骤3.2、以螺纹副的润滑条件、扭矩扳手的拧紧速度为变量，以相同的终值扭矩t，用扭矩扳手向螺栓加载力矩后保载等待，读取稳定状态下的螺栓预紧力值f1；在相同的润滑条件下改变拧紧速度向螺栓夹在力矩后保载等待，并再次记录预紧力值f2，持续重复操作、改变拧紧速度并记录预紧力值fn，拟合出在相同的终止扭矩t下，给定润滑条件下拧紧速度-预紧力曲线；
改变润滑条件，重复执行以拧紧速度为变量，读取稳定状态下的螺栓预紧力值f，拟合出在相同的终止扭矩t下，给定润滑条件下拧紧速度-预紧力曲线。
本发明优点在于：
1.通过压电超声回波法标定预紧力，可以避免对螺栓连接结构及其自身性能的破坏，能够更真实的反应连接结构的紧固状况，实现螺栓预紧力的低误差率标定；通过预先进行螺栓拧紧工艺试验，建立不同工艺参数条件下扭矩系数对应工艺参数库，实现不同工艺参数条件下预紧力的精确控制。
2.本发明应用在装配工作开始前，根据螺栓批次、被连接件材质及成形工艺，通过拧紧工艺试验建立扭矩系数对应参数库供实际工程参考选用，不但解决了真实工况下预紧力难测量、难控制的难题，而且大幅度提升预紧力控制精度及效率
说明书附图
图1是单螺栓连接实验件结构图。
图2是不同拧紧接触面粗糙度条件下的扭矩-预紧力关系曲线。
图3是不同拧紧接触面粗糙度条件下拧紧扭矩系数k波动曲线。
图4是不同拧紧接触面粗糙度条件下扭矩系数k均值及标准差。
图5是不同中间结合面粗糙度条件下的扭矩系数k波动曲线。
图6是不同被连接件结合面条件下扭矩系数均值及其标准差。
图7是不同润滑位置条件下的扭矩-预紧力关系曲线。
图8是不同润滑位置条件下扭矩系数k波动曲线。
图9是不同润滑位置条件下扭矩系数k均值及其标准差。
图10是不同润滑剂种类条件下的扭矩-预紧力关系曲线。
图11是不同润滑剂种类条件下重复拧紧时扭矩系数k波动曲线。
图12是不同润滑剂种类条件下重复拧紧时扭矩系数k平均值及标准差。
具体实施方式
下面对本发明涉及的技术方法术语做进一步的说明，如果没有特别指明，按照本领域的通用的一般属于进行理解和解释。
针对现有技术存在的不足，提供了一种螺栓预紧力精确控制方法来确保航空发动机的精确装配，进而提高发动机的参数和性能。
作为一种实施方式，为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法，为实际航空发动机装配中螺栓预紧力精确控制提供一种可行的解决方案。
优选的，一种航空发动机螺栓预紧力精确控制方法，包括对同一批次螺栓1进行压电超声回波法，实现航空发动机专用螺栓预紧力伸长量标定，拟合出螺栓预紧力与超声回波声时差之间的函数关系(对应关系)；基于模拟真实工况，进行测试系统的搭建，和原理件的工艺参数分组实验设计，获取预紧力-扭矩对应关系，建立扭矩系数对应参数库。
优选的，如图1所示，螺栓1连接件结构由螺栓1、螺母3和两块被连接件2组成。螺栓1、螺母3和被连接件2均采用钛合金材料制成。螺栓1选用钛合金六角头全螺纹螺栓1，规格为m8，螺栓1长度为50mm，性能等级为1100mpa；螺母3选用钛合金1型六角螺母3，规格为m8；钛板厚度为5mm，上下结合面平面度0.015，平行度0.01，粗糙度根据不同工艺实验要求而变化，范围是ra0.4-ra3.2。为保证实验结果具有参数价值，钛板厚度、螺栓1孔径及材料等方面均对航空发动机的实际情况进行了合理参考。
优选的，航空发动机螺栓预紧力精确控制方法，包括基于压电超声回波法进行航发专用螺栓预紧力伸长量标定，和基于模拟真实工况的测试系统搭建与工艺参数分组设计，所述的方法执行以下步骤：
步骤1、将同一批次航发专用螺栓1，随机取出五根螺栓1，粘贴压电超声贴片使之成为智能螺栓1，选取其中两根作为标定用螺栓1，并标记为b1、b2，其余三根为测试用螺栓1，标记为c1、c2、c3，留作拧紧试验用；
步骤2、将标定用b1和b2螺栓1使用工装加装至拉伸机，并设定装夹长度l，并用超声测量仪选取某一回波峰值作为监测点并记录该点的回波时间t0；
步骤3、使用拉伸机以5kn阶梯加载5-25kn，每阶段保载10s然后使用超声测量仪读取力保载时监测点的回波时间tn；
步骤4、分别将b1和b2螺栓1的拉伸机拉力示值导入到超声测量仪软件系统，生成预紧力曲线和声时差曲线；
步骤5、拟合预紧力曲线和声时差曲线，得到该批次螺栓预紧力-声时差关系曲线，并生成预紧力声时差对照表，在测量中可根据监测到的声时差数值，以及预紧力与伸长量的函数关系和螺栓1变形量-声时差转换关系直接读取预紧力值，从而完成螺栓1标定工作；
步骤6、基于模拟真实工况的测试系统搭建，测试系统包括：实验工装、压电超声测试系统、智能螺栓1、原理试验件、和带有扭矩控制功能的电动扭矩扳手；试验变量摩擦条件包含：无润滑、二硫化钼润滑、锂基润滑脂；试验变量不同拧紧速度包含n1、n2、n3；
步骤7、将标定原理件固定在实验工装上，取出c1测试螺栓1采用无润滑方式开展拧紧工艺实验；
步骤8、在超声测量仪操作界面，手动选取某一回波峰值作为监测点；
步骤9、用电动扭矩扳手设定拧紧转速n1，终值扭矩t，加载后等待3分钟，读取稳定状态下的预紧力值f11，重复操作改变拧紧速度为n2，并记录预紧力值f12，重复操作改变拧紧速度为n3，并记录预紧力值f13，根据公式k＝t/df，分别计算出对应的扭矩系数k11、k12、k13；
步骤10、将标定原理件固定在实验工装上，取出c2测试螺栓1采用二硫化钼润滑方式开展拧紧工艺实验；
步骤11、在超声测量仪操作界面，手动选取某一回波峰值作为监测点；
步骤12、用电动扭矩扳手设定拧紧转速n1，终值扭矩t，加载后等待3分钟，读取稳定状态下的预紧力值f21，重复操作改变拧紧速度为n2，并记录预紧力值f22，重复操作改变拧紧速度为n3，并记录预紧力值f23，根据公式k＝t/df，分别计算出对应的扭矩系数k21、k22、k23；
步骤13、将标定原理件固定在实验工装上，取出c3测试螺栓1采用锂基润滑脂润滑方式开展拧紧工艺实验；
步骤14、在超声测量仪操作界面，手动选取某一回波峰值作为监测点；
步骤15、用电动扭矩扳手设定拧紧转速n1，终值扭矩t，加载后等待3分钟，读取稳定状态下的预紧力值f31，重复操作改变拧紧速度为n2，并记录预紧力值f32，重复操作改变拧紧速度为n3，并记录预紧力值f33，根据公式k＝t/df，分别计算出对应的扭矩系数k31、k32、k33；
步骤16、完成无润滑条件下、二硫化钼润滑条件下、锂基润滑脂条件下不同拧紧速度下的扭矩系数对应工艺参数库。
预紧力与伸长量的函数关系，f＝e*s*δl，其中f为螺栓预紧力，e为螺栓1材质的弹性模量，s为螺栓1截面积，δl为螺栓1的变形量，l为螺栓1副的夹持长度。
螺栓1变形量-声时差转换关系，
优选的，智能螺栓1系统发射和接收超声波脉冲电信号，测量并计算发射和回波电信号之间时间差；螺栓1在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为t0，螺栓1在紧固状态下，螺栓1发射和接收电信号之间的时间差为t1，由此依据电信号收发时间差与螺栓1的变形量的关系，得到螺栓1的变形量。
作为一种实施方式，螺纹配合面与螺栓螺母3的材料、结构及润滑条件等因素有关系，拧紧接触表面处由于存在较大摩擦，会对拧紧产生显著影响。本方案使用单一变量法，针对某一接触面进行研究时，其余接触面粗糙度保持一致，仅对被研究接触面粗糙度设置一定的梯度，然后使用相同的装配工艺、条件和环境进行拧紧操作，最后对螺栓预紧力、扭矩系数等进行对比，得到接触面粗糙度对预紧力的影响实验工艺条件数据。
优选的，研究拧紧接触面粗糙度对预紧力的影响时，设置唯一变量，即不同情况下的被连接件2的表面粗糙度，分别对螺栓1实验件分成四组并进行编号，1号实验组拧紧接触面的粗糙度是ra3.2，2号实验组拧紧接触面的粗糙度是ra1.6，3号实验组拧紧接触面的粗糙度是ra0.8，4号实验组拧紧接触面的粗糙度是ra0.4，按拧紧扭矩梯度对实验件进行重复拧紧，为消除实验随机误差，在每个拧紧扭矩条件下重复拧紧5次。通过实验数据，得到不同拧紧表面粗糙度条件下的扭矩-预紧力曲线，如图5所示，从图中得到的四组扭矩-预紧力关系曲线符合理论上的线性关系，并且随着拧紧表面粗糙度的变化，扭矩-预紧力关系也发生明显变化。
优选的，如图6所示，根据上述的实验数据，绘制得到不同拧紧接触面粗糙度条件下拧紧扭矩系数k的波动曲线图，从图中可知随着拧紧接触面粗糙度的减小，扭矩系数k会降低，即较低的拧紧接触面粗糙度有利于拧紧扭矩向预紧力的转化。
优选的，如图7所示，通过对上述实验扭矩系数k均值及标准差的计算，得到如图7所示的分析结果，随着拧紧接触面粗糙度的降低，扭矩系数k均值减小，标准差减小，k值稳定性提高。
作为一种实施方式，为研究被连接件2结合面粗糙度对预紧力的影响，设置唯一变量，即不同情况下的被连接件2的结合面粗糙度，分别对螺栓1实验件分成四组并进行编号，1号实验组中间结合面的粗糙度是ra3.2，2号实验组中间结合面的粗糙度是ra1.6，3号实验组中间结合面的粗糙度是ra0.8，4号实验组中间结合面的粗糙度是ra0.4，按拧紧扭矩梯度对实验件进行重复拧紧，为消除实验随机误差，在每个拧紧扭矩条件下重复拧紧5次。如图9所示，根据实验数据，绘制得到不同被连接件2结合面粗糙度条件下拧紧扭矩系数k的波动曲线图。从图中分析可知，对于不同被连接件2结合面粗糙度，拧紧扭矩系数k值及其波动情况变化非常小。
优选的，如图10所示，通过计算得到不同被连接件2结合面下扭矩系数k均值及标准差的直方图，可以得出，随着被连接件2结合面粗糙度的降低，扭矩系数k均值有微弱减小，标准差基本保持不变。根据对以上实验结果分析可知：在扭矩法控制拧紧时，被连接件2结合面粗糙度对螺栓预紧力的形成没有显著影响作用；被连接件2结合面粗糙度对拧紧扭矩系数及其稳定性没有显著影响。
作为一种实施方式，为研究表面对预紧力的影响，设置唯一变量，即不同润滑部位对预紧力的影响，分别对螺栓1实验件分成五组并进行编号：实验组a无润滑；实验组b螺栓1螺纹面无润滑，螺母3端面脂润滑；实验组c螺栓1螺纹面脂润滑，螺母3端面无润滑；实验组d螺栓1螺纹面脂润滑，螺母3端面脂润滑；实验组e螺栓1、螺母3螺纹面脂润滑，螺母3端面脂润滑。按拧紧扭矩梯度对实验件进行重复拧紧，为消除实验随机误差，在每个拧紧扭矩条件下重复拧紧5次。根据以上实验数据，得到不同润滑位置条件下的扭矩-预紧力关系曲线如图12所示。如图12所示，此实验得到的扭矩-预紧力关系基本符合线性关系，并且不同润滑位置会对螺栓预紧力产生显著影响。
优选的，在不同润滑位置条件下进行重复拧紧时扭矩系数k的波动曲线图。从图中分析可知，润滑位置对扭矩系数k有显著影响，完全不加润滑时，k值最大，并且稳定性最差；在螺栓1螺纹面加润滑脂时的k值要略微小于拧紧接触面润滑时的k值；在对螺母3内螺纹面进行润滑后k值明显降低。
优选的，通过计算得到不同润滑位置条件下扭矩系数k的平均值及标准差变化图，从图中得知，对拧紧接触面、螺栓1螺纹面以及螺母3内螺纹面同时加润滑脂时扭矩系数k均值最小，最有利于拧紧扭矩向预紧力的转化，且k值标准差最小，稳定性最好，最有利于重复拧紧时螺栓预紧力稳定性的提高。
作为一种实施方式，为研究润滑剂种类对预紧力的影响，设置唯一变量，即不同润滑剂种类对预紧力的影响，分别对螺栓1实验件分成四组并进行编号：实验组a无润滑；实验组b普通锂基润滑脂；实验组c二硫化钼润滑脂；实验组d高温石墨润滑脂。对于不同的实验组，均按照一定的拧紧扭矩梯度重复拧紧多次，每次涂抹润滑剂时保证用量基本相同，每次拧紧完成后检测拧紧扭矩和螺栓预紧力大小并记录。通过实验得到不同润滑剂种类条件下拧紧扭矩-预紧力关系变化曲线图，从图中可知，本实验得到的拧紧扭矩-预紧力关系符合线性关系，且不同润滑剂种类对预紧力有显著影响。
优选的，根据实验数据得到在不同润滑剂种类条件下进行重复拧紧时拧紧扭矩系数k的变化规律曲线图，从图中分析可知，润滑剂种类对扭矩系数k有显著影响，其中使用高温石墨润滑脂进行润滑时，k值最小，即最有利于扭矩向预紧力的转化，二硫化钼润滑脂次之，普通锂基润滑脂效果最差。
优选的，通过计算得到不同润滑剂种类条件下重复拧紧时扭矩系数k的平均值及标准差图，从图中分析可知，使用高温石墨润滑脂时，k值平均值最小，标准差也最小，二硫化钼润滑脂次之，普通锂基润滑脂k值平均值最大，标准差最大；同时，拧紧前进行润滑时，k值标准差很小，即k值波动性很小，不同润滑剂种类对k值稳定性影响非常小。
作为一种实施方式，使用扭矩控制法拧紧时，拧紧表面粗糙度对预紧力的形成有明显影响作用；拧紧表面粗糙度降低，扭矩系数k减小，k值标准差减小，即对于同等大小的扭矩，在拧紧表面粗糙度较低时，可以转化为更大的螺栓预紧力，有利于保证螺栓预紧力稳定性。被连接件2结合面粗糙度对螺栓预紧力的形成没有显著影响作用；被连接件2结合面粗糙度对拧紧扭矩系数及其稳定性没有显著影响。润滑条件对螺栓预紧力的生成具有非常显著的影响，润滑有利于拧紧扭矩向螺栓预紧力的转化效率提高，有利于拧紧扭矩系数k降低及稳定性的提高；在螺栓1螺纹面润滑对拧紧质量的改善效果略微优于拧紧接触面润滑；在螺母3内螺纹面涂抹润滑脂有利于预紧力的提高，有利于扭矩系数k降低及其稳定性的提高，有利于保证生成足够的夹紧力并减小其重复拧紧时的波动。拧紧前使用不同润滑剂润滑时，对预紧力及扭矩系数k的影响有显著区别；在三种润滑脂中高温石墨润滑脂对拧紧效果的改善作用最好，二硫化钼润滑脂次之，普通锂基润滑脂效果最差。
本发明的有益效果，通过压电超声回波法标定预紧力，可以避免对螺栓1连接结构及其自身性能的破坏，能够更真实的反应连接结构的紧固状况，实现螺栓预紧力的低误差率标定；通过预先进行螺栓1拧紧工艺试验，建立不同工艺参数条件下扭矩系数对应工艺参数库，实现不同工艺参数条件下预紧力的精确控制，完成工艺试验指导工作。
在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。
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