螺栓擰緊失效原因與控制方法

石偉濤，卞慶廣，滕傳勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

螺栓連接在工業(yè)生產(chǎn)以及生活中隨處可見，因其裝配簡單、拆卸方便、效率高、成本低而被廣泛采用，通過螺栓擰緊可以使零部件組合起來，達(dá)到設(shè)計所想要的功能，在此過程中，螺栓擰緊的控制技術(shù)是很關(guān)鍵的，它是提高生產(chǎn)效率、降低成本的重要控制過程，也是保證零件在設(shè)計壽命內(nèi)功能不失效的重要因素。

目前關(guān)于螺栓擰緊失效原因和控制方法大多基于理論分析，如《基于螺栓裝配技術(shù)中扭矩法/轉(zhuǎn)角法比較應(yīng)用研究》，一文著重研究了扭矩法和轉(zhuǎn)角法的區(qū)別，《螺紋聯(lián)接及擰緊技術(shù)》、《螺栓擰緊控制方法及預(yù)緊力控制》著重講述了擰緊控制的技術(shù)。而實(shí)際面臨問題比較復(fù)雜，如何針對螺栓擰緊失效模式選擇有效的控制方法非常重要，本文基于發(fā)動機(jī)裝配過程中出現(xiàn)的一些螺栓擰緊失效原因，來闡述相關(guān)的控制方法，以供同行業(yè)參考。

1 螺栓擰緊原理概述

根據(jù)螺栓擰緊的過程以及力學(xué)原理，螺栓擰緊的力學(xué)公式如下[1，2]：

式中：T為力矩；F為夾緊力；L為力臂長。

另外，螺栓的擰緊規(guī)律遵從50-40-10規(guī)則，如圖1所示：

圖1 螺栓擰緊過程扭矩分配圖

從圖1中可以看出，90%的扭矩用于克服摩擦力，常說的螺栓擰緊是否牢固，也即是我們要獲得的一個重要參數(shù)，就是夾緊力F.因此在實(shí)際生產(chǎn)中，如何選擇擰緊工具、減小摩擦系數(shù)以及設(shè)計多大的扭矩來擰緊螺栓至關(guān)重要。

2 螺栓擰緊工具選擇

螺栓擰緊工具的選擇遵循以下幾點(diǎn)[3]：

（1）工藝要求精度。目前擰緊工具有兩大類：一類是氣動擰緊；另一類是電動擰緊，前者精度較后者精度低，發(fā)動機(jī)螺栓擰緊多用電動擰緊。

（2）被連接件安全等級。螺栓連接時，要確保夾緊力要高于外部載荷，必須具備一定的安全余量，螺栓安全余量的影響受連接副振動條件、摩擦力變化、擰緊精度、連接件尺寸變化的影響，一般可選的安全余量與擰緊精度與材料的等級有關(guān)。

（3）產(chǎn)品材料特性。取決于連接以及被連接對象是什么材料，一般跟材料的延展性有關(guān)，根據(jù)夾緊力的測量原理可知，材料的延展性越好，獲得的夾緊力也越大。

（4）空間要求。如發(fā)動機(jī)螺栓擰緊的電動擰緊工具有手持式和自動擰緊兩種，手持式相對自動擰緊工具便宜，發(fā)動機(jī)裝配工藝中，根據(jù)不同工位的安裝方式以及人機(jī)工程，手持式一般用于空間小，螺栓數(shù)少的工位，自動擰緊一般需要空間大，螺栓數(shù)多的工位。

（5）連接特性。分兩類:一類是軟連接，擰緊到達(dá)貼合點(diǎn)后，還需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)2圈以上才能到達(dá)目標(biāo)扭矩值。另一類是硬連接，擰緊到達(dá)貼合點(diǎn)后，旋轉(zhuǎn)30度以內(nèi)達(dá)到目標(biāo)扭矩值，注：貼合點(diǎn)一般為目標(biāo)扭矩的10%.

（6）生產(chǎn)效率等。效率的體現(xiàn)就是工具故障率以及合格率的表現(xiàn)，擰緊工具故障率低，合格率高，則生產(chǎn)效率就高，一般需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計值以及所要監(jiān)控的方法來選取，選取完后做相應(yīng)的MSA（測量系統(tǒng)分析）分析（獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行6西格瑪分析，取Cp≥2.0，Cpk≥ 1.67的工具），最終確定該擰緊工具是否合格生產(chǎn)效率的要求。

3 螺栓擰緊失效模式及原因分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到的螺栓擰緊失效模式歸納起來有以下幾點(diǎn)[1，2，4]：

（1）漏擰螺栓或者螺栓未擰緊貼合——螺栓漏擰主要是擰緊工具沒有認(rèn)準(zhǔn)螺帽，表現(xiàn)為擰緊位置變異，或擰緊套筒（軸）尺寸有偏差，或螺栓制造不符合要求；螺栓未擰緊貼合主要是指在擰緊槍（軸）按指定程序運(yùn)行，只完成了其中某一步程序后，程序自動判別不合格報警，導(dǎo)致螺栓擰緊不到位，一般擰緊的控制方法有三種控制方法：扭矩控制法、角度控制法、時間控制法，這三種方法在擰緊程序中相互制控，因此，只要其中一種控制因子沒有達(dá)到條件，程序就會自動識別判斷為不合格，在實(shí)際生產(chǎn)中，這三種控制因子的設(shè)定要遵循一定量的數(shù)據(jù)分析來設(shè)定。

（2）擰壞螺栓——常見的擰壞螺栓表現(xiàn)為螺栓滑牙、扭斷。螺栓滑牙主要原因是擰緊擰緊扭矩達(dá)不到程序設(shè)定扭矩要求，導(dǎo)致過度擰緊導(dǎo)致；螺栓擰斷主要原因是螺栓安裝不正常，或螺栓本身強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，達(dá)不到程序設(shè)定的扭矩要求就斷掉，在實(shí)際生產(chǎn)中，該失效風(fēng)險并不高，偶爾有個別螺栓由于混入不合格物料造成。

（3）擰緊扭矩不對——常見表現(xiàn)為扭矩過低或過高，過低通常發(fā)生在擰緊的過程中，主要原因有擰緊時間不夠，或擰緊槍（軸）與螺栓的相對位置不對，或擰緊槍（軸）磨損，或螺栓與螺栓孔的配合不好；過高通常發(fā)生在擰緊程序終了的時候，也即是擰緊完成后，程序設(shè)定的終扭矩判斷時，表現(xiàn)為扭矩過載，多半是擰緊扭矩判斷條件設(shè)定不合理造成。

（4）擰緊角度不對——多用于監(jiān)控擰緊扭矩異常時設(shè)定角度監(jiān)控，一般放在程序的中間步和終扭矩步，用以控制螺栓不被擰壞。一般基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)來設(shè)定，因此，為了保證角度監(jiān)控的合理性，需要定期根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行6西格瑪分析來優(yōu)化角度監(jiān)控范圍。

4 螺栓擰緊控制方法[4，5]

常見的螺栓擰緊控制方法有以下幾種：扭矩控制法、扭矩控制角度監(jiān)控法、彈性區(qū)域內(nèi)扭矩——轉(zhuǎn)角控制法、塑性區(qū)域內(nèi)扭矩——轉(zhuǎn)角控制法、屈服極限控制法。

扭矩控制法適用于比較簡單的擰緊控制，常用的有手動定扭矩擰緊，返修時用的較多，其擰緊原理是擰緊扭矩大小與軸向預(yù)緊力存在一定的關(guān)系，通過將擰緊工具設(shè)定為一個具體的擰緊值來控制連接件的夾緊力。在前述的擰緊原理中，有90%的扭矩在克服摩擦力，僅10%來產(chǎn)生預(yù)緊力，加上外界因素的不穩(wěn)定，因此，該方法，精度較低，容易出現(xiàn)螺栓未擰緊到位就達(dá)到目標(biāo)扭矩的問題，使用時一定要做好靜態(tài)扭矩抽檢。

扭矩角度控制法是在扭矩控制法上增加了控制條件，一般從目標(biāo)扭矩的50%開始監(jiān)控，只到擰緊完成，因此在生產(chǎn)中得到廣發(fā)應(yīng)用，精度也較高。

彈性區(qū)域內(nèi)扭矩——轉(zhuǎn)角控制法，是將螺栓擰緊到彈性變形區(qū)域，在轉(zhuǎn)一定角度，通過控制螺栓伸長量來獲得想要的擰緊扭矩。因此扭矩控制法、扭矩控制角度監(jiān)控法和彈性區(qū)域內(nèi)扭矩——轉(zhuǎn)角控制法屬于彈性擰緊，塑性區(qū)域內(nèi)扭矩——轉(zhuǎn)角控制法、屈服極限控制法屬于塑性擰緊，此兩種方法是基于螺栓擰緊的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓的伸長量和被擰緊件松動量的總和大致成比例關(guān)系，即將螺栓擰緊拉伸到接近螺栓屈服點(diǎn)，然后旋轉(zhuǎn)一定的角度，將螺栓拉伸到塑性區(qū)域。這樣雖然克服了同樣的摩擦力，但最大限度的利用了材料的利用率，獲得了想要的夾緊力。后續(xù)三種方法對螺栓的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高，控制難度較大，擰緊工具也比較貴。在生產(chǎn)中，基于成本，選擇彈性擰緊的方法較多，本文著重細(xì)述彈性擰緊控制法是如何解決生產(chǎn)實(shí)際問題。

5 案例應(yīng)用

以某企業(yè)發(fā)動機(jī)擰緊為例，來說明上述擰緊失效以及所采用的擰緊控制方法。

案例1：缸蓋絲堵漏擰以及未擰緊到位問題，某企業(yè)缸蓋絲堵采用人工預(yù)擰，設(shè)備自動擰緊的方式安裝絲堵，前期設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，出現(xiàn)問題較少，后期設(shè)備性能下降，絲堵在擰緊的過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏擰以及未未擰緊到位的問題。經(jīng)檢查確認(rèn)人員操作、設(shè)備硬件、環(huán)境變化均無問題。為解決此問題，只能從擰緊程序上優(yōu)化，其擰緊程序如表1所示：

表1 絲堵優(yōu)化前擰緊程序

從表1中，絲堵擰緊采用的是扭矩控制法，很難看出擰緊步驟中有不完善的地方，實(shí)際觀察擰緊過程發(fā)現(xiàn)，擰緊絲堵的擰緊頭是成自然下垂?fàn)顟B(tài)，每次擰緊絲堵時，進(jìn)入絲堵的內(nèi)六角位置不一樣，若出現(xiàn)擰緊頭頂在絲堵的倒角上時，就會出現(xiàn)漏擰，或者擰緊不到位的問題，觀察發(fā)現(xiàn)擰緊軸都是以一個方向轉(zhuǎn)動來擰緊的，因此，通過驗(yàn)證，假設(shè)程序優(yōu)化前為正向認(rèn)帽，則在正向認(rèn)帽之后增加一步反向認(rèn)帽，以保證擰緊頭能夠順利進(jìn)入絲堵內(nèi)六角底部，該方法通過一個月的驗(yàn)證，切實(shí)有效，不認(rèn)帽問題得到徹底解決。優(yōu)化后程序如表2所示，采用扭矩加角度共同控制的方法：

表2 絲堵優(yōu)化后擰緊程序

案例2：扭滑牙或扭斷螺栓問題，某企業(yè)發(fā)動機(jī)缸體缸蓋連接螺栓斷裂在孔中，檢查該工件的擰緊扭矩和角度都合格，工藝要求22±2（N·m）&82°±2°.采用的是扭矩和角度控制法，程序如表3；排查5萬臺發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)正常情況下最大終扭矩在50 N·m~70 N·m之間，而該斷裂螺栓的終扭矩只有35.6 N·m，調(diào)出該螺栓的擰緊曲線如圖2所示。

表3 缸體缸蓋連接螺栓擰緊程序（優(yōu)化前）

圖2 螺栓斷裂擰緊曲線圖

結(jié)合表3和圖2，可以發(fā)現(xiàn)螺栓預(yù)緊過程扭力有一次突變，反松1 440°時扭矩達(dá)到41 N·m，螺栓卡死在螺紋孔中，再次擰緊過程中造成螺栓斷裂，為此，可以將擰緊程序優(yōu)化如表4所示。

表4 缸體缸蓋連接螺栓擰緊程序（優(yōu)化后）

增加第一步擰緊4 500°，擰緊過程中扭矩超過5 N·m擰緊立即停止，防止螺紋副中存在雜質(zhì)卡死螺紋；在反轉(zhuǎn)1 440°時增加限制條件，扭矩超過30 N·m擰緊立即停止，防止螺紋斷裂在缸體螺紋孔中，最后一步角度檢查增加扭矩50 N·m～80 N·m監(jiān)控。

綜合以上案例分析（其他失效模式不在此熬述），螺栓擰緊失效的問題要最大限度的結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行擰緊程序的完善。

6 總結(jié)

基于螺栓的擰緊原理，從六個方面闡述了擰緊工具的選擇方法，為螺栓擰緊工具的選擇提供了參考依據(jù)；結(jié)合實(shí)際的問題分析，詳述了螺栓擰緊過程中失效模式以及發(fā)生原因和對應(yīng)的控制方法，其中著重詳述了幾種控制方法的區(qū)別及應(yīng)用范圍。最后通過案例分析，講述了如何使用擰緊控制方法有效解決生產(chǎn)問題，以此供同行業(yè)參考。