汽車用金屬緊固件平臺(tái)化選用原則

魏慶

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，各汽車廠家為遏制金屬緊固件（以下簡(jiǎn)稱緊固件）不斷增多所帶來(lái)生產(chǎn)、管理等成本的增高，緊固件平臺(tái)化工作被越來(lái)越多的汽車廠家重視。文章從結(jié)構(gòu)要素、材料和機(jī)械性能及表面處理3個(gè)方面對(duì)緊固件平臺(tái)化進(jìn)行了探討。

1 結(jié)構(gòu)要素的平臺(tái)化

結(jié)構(gòu)要素主要包括扳擰形式、末端形式、公稱長(zhǎng)度及螺紋4個(gè)方面的平臺(tái)化。

1.1 扳擰形式的平臺(tái)化

目前，汽車廠家常用的扳擰結(jié)構(gòu)有六角法蘭面結(jié)構(gòu)、六角頭結(jié)構(gòu)、外六角花型結(jié)構(gòu)、十字槽結(jié)構(gòu)及內(nèi)六角花型結(jié)構(gòu)等。

1.1.1 螺栓扳擰形式的平臺(tái)化

螺栓類產(chǎn)品的扳擰形式主要為外扳擰結(jié)構(gòu)，有六角頭、六角法蘭面、外六角等。六角頭螺栓是螺栓類產(chǎn)品的基礎(chǔ)型，其他螺栓類型多是在六角頭螺栓的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

六角法蘭面螺栓支撐面積大于普通六角頭螺栓，可更大地分散支撐面壓力，避免與連接件連接變形。在摩擦因數(shù)相同的條件下，它比六角頭螺栓需要更大的裝配扭矩，頭部法蘭的防松效果也要明顯優(yōu)于六角頭螺栓。

在汽車設(shè)計(jì)過程中，推薦選用六角法蘭面螺栓，但有時(shí)為提升生產(chǎn)效率也會(huì)選擇六角頭螺栓，例如，生產(chǎn)車間某工位需要安裝M8與M102種規(guī)格的螺栓，如果全部采用六角法蘭面螺栓（Q184[1]）就需要2種規(guī)格的安裝工具，如果M8螺栓采用六角頭螺栓（Q150B[1]），M10螺栓采用六角法蘭面螺栓（Q184），則生產(chǎn)車間只需1種13 mm的套筒即可完成2種螺栓的裝配工作，節(jié)省了更換安裝工具的時(shí)間。

外六角花型螺栓所需要的裝配空間小，不適用六角套筒的安裝方式，在受空間限制的環(huán)境中考慮選用此種螺栓。表1示出螺栓類緊固件選用優(yōu)先級(jí)。

表1 螺栓類緊固件選用優(yōu)先級(jí)

1.1.2 螺釘扳擰形式的平臺(tái)化

螺釘?shù)陌鈹Q形式為內(nèi)扳擰結(jié)構(gòu)，主要有十字槽、內(nèi)六角、內(nèi)六花等。十字槽螺釘根據(jù)頭部形狀不同，有盤頭、沉頭、半沉頭等型式，根據(jù)裝配空間及外形因素選用，一般用于車身、電氣及內(nèi)外飾的零部件。

內(nèi)六角花型螺釘和內(nèi)六角螺釘頭部形狀不同，有圓柱頭、低圓柱頭、盤頭、沉頭、半沉頭的型式，一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等殼體類零件，在汽車模具上也應(yīng)用廣泛。適用于扳擰空間小的場(chǎng)合，并優(yōu)先選用大支撐面。2種螺釘推薦選用內(nèi)六角花型扳擰形式，且在同一個(gè)產(chǎn)品或同一生產(chǎn)線上，不宜同時(shí)采用這2種扳擰形式。表2示出螺釘類緊固件選用優(yōu)先級(jí)。

表2 螺釘類緊固件選用優(yōu)先級(jí)

1.1.3 螺母扳擰形式的平臺(tái)化

螺母類產(chǎn)品一般與螺栓、螺柱及螺釘一起配合使用，形成一個(gè)緊固系統(tǒng)。

六角法蘭面螺母使用效果與六角法蘭面螺栓相同。若結(jié)構(gòu)允許，優(yōu)先推薦六角法蘭面螺母。

蓋形螺母用于有外觀或保護(hù)要求的場(chǎng)合，如后背門及行李架經(jīng)常用到蓋形螺母。

六角法蘭面鎖緊螺母包括全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母。全金屬鎖緊螺母是通過擠壓螺紋，使螺紋產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生鎖緊效果。全金屬鎖緊螺母的耐溫性好，但是不宜用于經(jīng)常拆卸的部位。非金屬嵌件鎖緊螺母的耐沖擊性、抗振性、重復(fù)使用性好，但是耐高溫性較差，通常建議使用溫度不超過100℃。

簧片螺母用于薄鈑金和非金屬板件，在汽車牌照、車燈支架、車身鈑金件等部位上應(yīng)用較多。表3示出螺母類緊固件選用優(yōu)先級(jí)。

表3 螺母類緊固件選用優(yōu)先級(jí)

1.2 末端的平臺(tái)化

GB/T 2—2001《緊固件外螺紋零件的末端》[2]中規(guī)定了12種緊固件的末端類型，緊固件末端主要作用是方便緊固件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配及刮削。表4示出緊固件末端形式選用優(yōu)先級(jí)。

表4 緊固件末端形式選用優(yōu)先級(jí)[2]

1.3 公稱長(zhǎng)度的平臺(tái)化

選擇螺栓、螺柱、螺釘?shù)拈L(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)保證在與螺母相配后螺栓或螺柱末端超出螺母頂面至少2個(gè)螺距的長(zhǎng)度。擰入盲孔時(shí)，長(zhǎng)度不能與盲孔發(fā)生干涉。相同規(guī)格的緊固件公稱長(zhǎng)度相同時(shí)，原則上不允許產(chǎn)生多種螺紋長(zhǎng)度。表5示出公稱長(zhǎng)度的優(yōu)先選用序列。

表5 公稱長(zhǎng)度的優(yōu)先選用序列[1] mm

1.4 螺紋平臺(tái)化原則

汽車廠家常用螺紋類型為米制普通螺紋[4-5]，包括粗牙螺紋和細(xì)牙螺紋。通常，同一企業(yè)開發(fā)的各系列車型中相同公稱直徑的螺紋應(yīng)盡量選用同一種螺距，以利于減少規(guī)格，表6示出米制普通螺紋公稱直徑與螺距優(yōu)選序列?？筛鶕?jù)不同的緊固件表面處理選擇不同的螺紋精度，推薦緊固系統(tǒng)內(nèi)、外螺紋的配合公差為6H/6h，表7示出螺紋精度優(yōu)選序列。

表6 米制普通螺紋公稱直徑與螺距優(yōu)先選用序列[3] mm

表7 螺紋精度優(yōu)選序列[4]

1.5 墊圈的平臺(tái)化

原則上不允許墊圈類產(chǎn)品單獨(dú)存在，如果因?yàn)榱悴考Y(jié)構(gòu)需要使用墊圈類產(chǎn)品時(shí)，優(yōu)先推薦墊圈與螺栓、螺釘類產(chǎn)品以組合件的形式使用，以提高生產(chǎn)效率。墊圈類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍：1）需要遮蓋被緊固的零部件上較大的孔；2）需要增大接觸面的結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力；3）需要保護(hù)被連接的零部件表面，防止劃傷；4）有助于防止松動(dòng)；5）提高連接處的疲勞性能；6）補(bǔ)償不平整的安裝面。

2 緊固件材料與機(jī)械性能的平臺(tái)化

2.1 螺栓、螺柱、螺釘?shù)牟牧吓c機(jī)械性能平臺(tái)化

GB/T3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》[6]中規(guī)定的性能等級(jí)有10種，不推薦在一企業(yè)內(nèi)全部使用這10種性能等級(jí)緊固件。8.8級(jí)以下為不需要熱處理的產(chǎn)品，一般直接通過使用不同的材料來(lái)達(dá)到不同的性能等級(jí)，根據(jù)汽車標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)—2012版中默認(rèn)性能等級(jí)要求，推薦使用 4.8，5.8，8.8，10.9 和 12.9。

根據(jù)GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)中材料與性能等級(jí)的要求，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，各性能等級(jí)對(duì)應(yīng)材料推薦，如表8所示。

表8 螺栓、螺柱和螺釘?shù)牟牧吓c機(jī)械性能推薦

2.2 自攻螺釘材料與機(jī)械性能平臺(tái)化

自攻螺釘類產(chǎn)品沒有特定標(biāo)記來(lái)表示性能等級(jí)。GB/T 3098.5—2000《緊固件機(jī)械性能自攻螺釘》[7]對(duì)自攻螺釘機(jī)械性能做了要求。

自攻螺釘類產(chǎn)品由冷鐓、滲碳鋼采用表面滲碳的熱處理工藝制造，推薦優(yōu)先選用材料為SWRCH18A和SWRCH22A。

2.3 螺母材料與機(jī)械性能平臺(tái)化

GB/T 3098.2—2015《緊固件機(jī)械性能螺母》[8]中規(guī)定的螺母的機(jī)械性能系數(shù)較多，推薦使用8和10。

螺母的性能等級(jí)選取主要取決于與其配合的螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)，一般8級(jí)螺母與8.8級(jí)螺栓配合使用，10級(jí)螺母與10.9級(jí)螺栓配合使用，性能等級(jí)高的螺母可以代替性能等級(jí)低的螺母使用。螺母性能等級(jí)推薦，如表9所示。

表9 螺母材料與機(jī)械性能推薦

2.4 平墊圈材料與機(jī)械性能平臺(tái)化

平墊圈一般與螺栓或螺釘形成組合件使用，硬度建議采用200HV和300HV 2個(gè)等級(jí)。不同汽車廠家可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)制定本公司墊圈外徑及厚度規(guī)格。表10示出平墊圈材料和機(jī)械性能推薦表。

表10 平墊圈材料和機(jī)械性能推薦

3 緊固件表面處理的平臺(tái)化

常用緊固件表面處理有涂油、磷化、電鍍鋅、鋅鎳合金、鋅鋁涂層、氧化、鍍銅及鍍鉻等。每種表面處理在外觀、防銹、導(dǎo)電性等方面都各有差異，表面處理選型時(shí)需要根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境、安裝要求等進(jìn)行選擇，如表11所示。

表11 緊固件表面處理選用要求

3.1 涂油

涂油為在緊固件基體表面涂一層防銹油，涂油緊固件要求在正常的保存條件下，半年內(nèi)不發(fā)生銹蝕。

3.2 磷化

磷化是緊固件與磷酸或磷酸鹽經(jīng)過化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成一層不溶于水的磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。汽車中常用的主要有鋅系磷化和錳系磷化。鋅系磷化硬度較低，存在掉粉的現(xiàn)象，不能用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等殼體內(nèi)有清潔度要求的環(huán)境。錳系磷化一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等殼體內(nèi)部。

3.3 電鍍鋅

電鍍鋅是利用電解工藝將金屬鋅沉積到緊固件表面的工藝。為降低鋅的化學(xué)活性，提升緊固件防銹性能和外觀，一般鍍鋅后的緊固件需要經(jīng)過鉻酸鹽的鈍化處理，在緊固件表面形成一層鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜，這個(gè)過程叫做鍍鋅鈍化。鉻酸鹽溶液成分不同，可得到不同顏色的緊固件，有黑色、白色、彩色及軍綠色等，為方便平臺(tái)化，推薦采用彩鋅、黑鋅2種表面處理，電鍍鋅緊固件一般用于汽車駕駛室內(nèi)。

3.4 鋅鎳合金

鋅鎳合金表面處理生產(chǎn)工藝類似于電鍍鋅，在緊固件表面形成鋅鎳合金鍍層，鋅鎳合金鍍層內(nèi)的金屬鎳含量為12%～15%，其成本和耐蝕性均高于電鍍鋅，一般用于防銹等級(jí)高且有外觀要求的環(huán)境。

3.5 鋅鋁涂層

鋅鋁涂層是緊固件經(jīng)清洗、拋丸后，浸入鋅鋁涂層溶液，再經(jīng)過高溫烘烤形成的由重疊的多層金屬薄片和特殊無(wú)機(jī)粘接劑組成的薄膜。鋅鋁涂層耐蝕性好，無(wú)氫脆風(fēng)險(xiǎn)，不能用于有導(dǎo)電性和清潔度要求的環(huán)境，不推薦用于螺紋規(guī)格小于M8的緊固件，一般用于機(jī)艙、底盤等區(qū)域。鋅鋁涂層可根據(jù)需要制造多種顏色，推薦采用銀灰色鋅鋁涂層和黑色鋅鋁涂層。

3.6 氧化

氧化處理是將緊固件浸入強(qiáng)氧化劑中，在緊固件表面形成一層致密的氧化膜。常被人們稱為發(fā)藍(lán)或發(fā)黑，耐蝕性低于磷化和電鍍鋅，汽車中應(yīng)用較少，不推薦使用。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了實(shí)際工作中總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)，為從事此項(xiàng)工作的人員提供參考。緊固件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化是一個(gè)長(zhǎng)期、系統(tǒng)化的過程，需要在整車設(shè)計(jì)初期就作為一項(xiàng)重要工作來(lái)開展，并且要實(shí)現(xiàn)緊固件與其他零部件的同步設(shè)計(jì)，避免因其他零部件凍結(jié)造成緊固件平臺(tái)化選型困難的問題。各汽車廠家可根據(jù)自身的實(shí)際情況，綜合考慮設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配及售后等各環(huán)節(jié)，制定本公司的緊固件平臺(tái)化選用原則。