螺 栓 拧 紧 的 原 理， 是 通 过 相对转动螺栓、螺母，施加一个 平行于零件连接面的扭矩，以此 获得垂直的夹紧力，从而紧固零 件。因此夹紧力是零件被紧固的 直接因素。螺栓拧紧失效的模式 有：因夹紧力不足产生螺栓转动 松脱；因夹紧力不足产生零件滑 动和螺栓剪断；因夹紧力过大产 生的螺栓、零件拉断和挤压变形。
但由于无法在螺栓拧紧过程 中测量夹紧力，因此螺栓拧紧质 量监控的对象，目前主要是扭矩、 转角或螺栓伸长量。故螺栓拧紧 质量监控实现过程为：使用拉力 试验机或螺纹紧固分析仪等试验 设备，参照 GB/T16823-2010《螺 纹紧固件扭 - 拉关系试验方法》 或其他适宜的方法测量并建立夹 紧力和扭矩、转角或螺栓伸长量 的关系模型。在拧紧过程中或者 拧紧完成后，对扭矩、转角或伸 长量实施监控，再根据关联模型 判断夹紧力和螺栓拧紧质量是否 满足要求。
二、螺栓拧紧质量监控方式
汽车行业螺栓拧紧质量监控 方式，分为动态监控和静态监控。其中，动态监控是螺栓拧紧过程 中的质量监控，是事中监控。静 态监控是当螺栓拧紧完成后一段 时间内的质量监控，是事后监控。
动态监控主要在电动拧紧机 上实现。电动拧紧机是典型的闭 环反馈控制工业系统，同时具备 测量、控制和执行功能。电动拧 紧机通过集成高精度扭矩传感器 和角度传感器实现扭矩和转角的 实时测量，能够存储数据并输出 拧紧曲线，并根据设定的报警参 数实现监控和防错。动态监控是 和拧紧工艺配合使用的。当采用 “扭矩法”拧紧时，扭矩实时测 量数据用作工艺参数反馈控制电 动拧紧机拧紧，转角实时测量数 据用作动态监控。当采用“扭矩 - 转角法”或“屈服点法”拧紧时， 转角实时测量数据用作工艺参数 反馈控制电动拧紧机拧紧，扭矩 实时测量数据则用作动态监控。
静态监控主要发生在试验开 发、生产制造或售后阶段，对螺 栓拧紧质量进行的抽样监控，可 以针对扭矩，也可以针对螺栓伸 长量。相对动态监控，静态扭矩 能够监控力矩衰减的影响。
扭矩测量是***常用的静态 监控形式，在工厂里开展的扭矩 抽检一般在螺栓拧紧半小时内完 成，这时大部分的螺栓衰减已经 产生。扭矩测量方法分为紧固法、松开法和标记法等。常用的紧固 法是用检测扳手对已紧固的螺纹 副进一步紧固，当产生微小的转 角（例如小于 5°）时，读出检 测扳手显示的扭矩值。螺栓伸长 量测量相对更准确，但难度大， 成本高，用时长，所以应用较少。螺栓伸长量测量可使用红外设 备、测微工具、特制应变螺栓等。使用红外设备测量时，要用加工 过的螺栓黏贴附件，再用红外线 测量反射时间从而获知螺栓伸长 量并计算夹紧力。
用紧固法测量时，因为静摩 擦力的存在，相对动态监控测得 的扭矩是有一个系统误差的。同 时“软、中、硬”不同零件连接 方式也会对静态监控和动态监控 测量值差异产生影响。
三、螺栓拧紧质量监控的数学模型
螺栓拧紧质量动态监控的数 学模型是随着拧紧过程不同阶段 变化的。完整的有效拧紧过程分 为贴紧、弹性变形、屈服、塑性 变形四阶段。
弹性变形阶段扭矩、转角与 夹紧力之间拟合后是线性的，数 学模型可参照：F 夹紧力 =M 扭矩 ÷ （0.16×P 螺距 +0.58×d2 中径 ×μ G 螺 纹摩擦系数 +DKm 支撑面有效摩擦半径 ×μ K 支承 面摩擦系数÷2）=θ 转角×P螺距×C刚度。包括屈服和塑性变形阶段的准确 数学模型可通过试验数据拟合拧 紧曲线。
由数学模型可知，采用扭矩 开展动态监控时，摩擦力也会对 夹紧力产生影响。相关研究表明， 扭矩 90% 要用来克服摩擦力， 10% 才用来产生夹紧力。因此摩 擦系数、摩擦半径等参数变化过 大，会使动态监控产生误报警或 漏报警。
由数学模型可知，采用转角 开展动态监控，螺栓螺距和刚度 一致性得到保证是必要前提。同 时由于贴紧过程的存在，还需要 有一个起始扭矩作为输入值以判 断塑性变形已经开始。
螺栓拧紧质量静态监控的数 学模型根据监控对象不同有本质 区别。监控螺栓伸长量时，数学模 型也要区分弹性变形和塑性变形。 弹性变形阶段螺栓伸长量与夹紧 力 之 间 拟 合 后 是 线 性 的， 数 学 模型可以参照：F 夹紧力 =ΔL 伸长量 ×C 刚度 。包括屈服和塑性变形阶 段的准确数学模型可通过试验数 据拟合拧紧曲线。
由数学模型可知，采用伸长 量开展静态监控，主要考虑螺栓 刚度会对夹紧力产生影响。因此 测量准确性相对是***高的。
监 控 力 矩 时， 数 学 模 型 必 须要考虑紧固法的测量误差，数 学模型是经验模型，可以参照：M2静态扭矩 =M1动态扭矩 ×（1+ΔX 连 接方式修正经验系数）、T2 静态扭矩监控公差 2 = T2动态扭矩工艺公差 2 +（T1动态扭矩 × ΔY 连接方式修正经验系数）2 。ΔX 连接方式修正系数和 ΔY 连接方式修正系数与采用 “软、中、硬”三种连接方式哪 一种有关。汽车行业常用的另一 个经验模型是 M2 静态扭矩 =M1 动态扭矩 ×（90%~110%）。
由数学模型可知，采用力矩 开展静态监控，数学模型中有很 多经验系数，并且还需要利用动 态监控的数学模型才能够关联上 夹紧力。
四、螺栓拧紧质量监控应用
螺栓拧紧质量监控应用是一 项系统工程。螺栓拧紧质量监控 应用必须有系统的技术标准和管 理流程。有据可依、有案可查、 有溯可追，也是螺栓拧紧质量监 控应用的指导原则。螺栓拧紧质 量监控的频次、范围、方法和配 备的资源，都要有完整的策划和 规定，同时这种策划和规定本身， 也需要符合分层分级质量风险管 控原则。
无论动态监控还是静态监 控，实际应用时除了监控螺栓伸 长量时会计算夹紧力，监控力矩 和转角时一般都不会再计算夹紧 力。因此，如何在前期的产品和 工艺开发时，输出完整合理的扭 矩和转角监控参数非常重要。
螺栓拧紧质量监控应用也要 求测量人员和分析人员具备必要 的知识和技能，测量工具和拧紧 机不但要配备合理，也必须定期校准。新型电动拧紧机还往往具 备了联网功能，可接入工厂网络， 实现网络防错、历史追溯等功能， 并与 ANDON、QMS 和 MES 系统 等实现互联。专业的螺栓拧紧质 量监控软件除实时防错功能外， 通过集成统计分析功能，可挖掘 拧紧质量变化的趋势、原因和影 响，基于向量的拧紧曲线斜率分 析则开辟了全新领域。
由于摩擦系数、摩擦面尺寸、 温度等因素会直接影响夹紧力， 因此对于来件和环境的控制，也 是拧紧质量监控应用中的重要环 节。因为涂油导致螺栓拧断，因 为焊渣导致拧紧机报警，因为零 件尺寸导致假力矩等问题，在实 际应用中都是常见的问题。
五、结束语
工业 4.0 时代，随着智能工 厂的普及和发展，螺栓拧紧监控 这项汽车行业核心品质保障技 术，也必然会进一步成熟，从而 为用户提供更安全、更可靠和更 精益的汽车产品。