自攻螺釘攻入困難原因分析及預防

張衛(wèi)新 唐朋 吳騰豐 雷奎

摘要：標準件生產(chǎn)企業(yè)缺少對自攻螺釘攻入困難的根本原因的分析和認識。本文結合生產(chǎn)實際中長期存在的此類問題，以分析自攻釘攻入通孔困難的原因為研究課題。進行充分的原因分析，發(fā)現(xiàn)導致攻人困難的原因有裝配因素和螺釘本身的因素。對影響因素做對比試驗，通過模擬裝配得出不同的扭矩值，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)、配合尺寸是影響自攻釘攻入困難的重要因素，并提出產(chǎn)品表面浸泡比例為1：1的干膜潤滑劑、大徑減小的方案，以提高攻入效果;提出增加鉆孔檢測，測試攻入扭矩和觀察螺紋磨損程度的方案，以預防不合格品流出。

關鍵詞：自攻螺釘;擠壓攻絲;內(nèi)螺紋;攻絲扭矩;振動擠壓

中圖分類號：THl62.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0110-06

張衛(wèi)新

畢業(yè)于太原理工大學材料工程專業(yè)，獲得工程碩士學位。現(xiàn)就職于浙江華遠汽車零部件有限公司，任質(zhì)量工程師，已發(fā)表論文數(shù)篇。

自攻螺釘，為鋼制經(jīng)表面鍍鋅鈍化的快裝緊固件，多用于薄的金屬板之間的連接。當自攻螺釘擰人無內(nèi)螺紋孔時，自擠壓形成內(nèi)螺紋。它是一種不需要事先攻內(nèi)螺紋的螺紋緊固件。擠壓力使受壓材料更容易流動和擠入自攻螺釘螺紋的牙側(cè)和牙底。因此，自攻螺釘具有較好的擰入控制和緊固扭矩，可以極大地改善連接強度和整體牢固性。

針對自攻釘攻入困難的問題，相關作者主要描述了裝配扭矩和通孔的影響，沒有實質(zhì)性的從產(chǎn)品受力、表處理狀態(tài)、尺寸等影響因素進行深入分析，且缺少螺釘攻入困難的相關研究文獻。對此，由于自攻螺釘攻入困難現(xiàn)象普遍存在，而防范過程中產(chǎn)品用量大，影響汽車正常生產(chǎn)節(jié)拍，所以不能一直進行防范。作者結合生產(chǎn)實際裝配方式，充分分析影響自攻螺釘攻入的相關影響因素，進行現(xiàn)場驗證，從根本上為企業(yè)提出關鍵性的預防措施，可以直接或間接的為企業(yè)節(jié)省數(shù)萬元以上運營成本。

1問題描述

2019年10月17日，合肥某汽車座椅公司的裝配人員發(fā)現(xiàn)十字槽自攻螺釘無法正常攻入座椅滑軌處的鈑金孔，該批次產(chǎn)品不良率占總數(shù)的90%，嚴重影響正常的裝配節(jié)拍，且該問題已被多次投訴?，F(xiàn)場裝配位置如圖1所示。其它件號的多款自攻釘，也存在裝配困難的現(xiàn)象，經(jīng)過檢測，自攻釘?shù)男阅艹叽缍挤蠄D紙要求。因無法確定根本影響因素，該問題已持續(xù)半年。本文以該批次產(chǎn)品作為研究性課題，對主要影響因素進行深入的分析。產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)如表1所示，圖紙尺寸要求如圖2所示。

宏觀觀察螺紋表面，有嚴重的磨損現(xiàn)象，攻入牙至第三扣牙磨損嚴重，螺紋磨損情況如圖3所示。

2攻入困難原因分析

自攻釘在攻人通孔過程中會受到摩擦力、擠壓力以及外界作用在螺釘上的扭矩力的影響。本文主要從兩個方面進行理論性分析，然后通過試驗判斷出主要的影響因素。

2.1自攻時受力分析

自攻釘攻入金屬通孔時，通過冷擠壓內(nèi)壁，發(fā)生塑性變形后形成內(nèi)螺紋。在旋入的同時，擠壓力會導致牙尖表面粘結、擦傷，增加摩擦阻力。螺紋的摩擦阻力大小受金屬形變壓力和螺紋磨損的粗糙程度影響。摩擦力公式使用式（1）表示：

2.2.2外部因素

螺釘攻入通孔中時，底孔直徑增大，金屬應變量減小，塑性變形流變應力減小，扭矩值降低。

設定扭矩和速度都會對螺釘?shù)墓ト胄Чa(chǎn)生影響。王麗華指出，高轉(zhuǎn)速具有高的動能，當緊固后，極短時間停下，會產(chǎn)生瞬時大于設定值的扭矩。何偉東等對設定扭矩進行現(xiàn)場試驗，使用指針扳手施加于緊固件一個緩慢、低轉(zhuǎn)速的扭矩，出現(xiàn)5%的緊固件滑牙，但降低設定扭矩后，未發(fā)生滑牙，且路試未脫落。

3試驗

影響攻人扭矩阻力的宏觀因素有摩擦力、材料變形能力。通過受力分析和影響因素的研究指出，螺紋中徑、材料硬度、摩擦系數(shù)、牙型角、螺紋升角、通孔直徑、螺紋錐度、設定扭矩、扭矩速度會影響螺釘?shù)难b配效果。

本試驗選取通孔直徑、螺紋大徑、扭矩設定值、轉(zhuǎn)速、螺紋錐度、摩擦系數(shù)因素進行驗證分析。模擬裝配試驗使用德國Zwiek螺紋緊固分析系統(tǒng)，設備型號為5413-2777/03。

3.1試驗設計

從影響扭矩的內(nèi)部因素和外部因素考慮，設計實驗方案如下：

為分析轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸對裝配扭矩值的影響，使用Q420鈑金件，硬度175HV，厚度2mm，鉆孔φ4.1、φ4.2、φ4.3mm，參數(shù)設定1N·m、2N·m、3N·m扭矩分別配合100rpm、300rpm轉(zhuǎn)速，試驗設計如表2所示。

為分析摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度對裝配扭矩值的影響，使用孔徑φ4.2mm、厚度3mm、硬度300HV的0460鈑金件，參數(shù)3N·m、300rpm的電槍，產(chǎn)品表面經(jīng)過未拋丸、拋丸、鍍鋅、三價鉻藍白鈍化封閉、黑色鈍化DK4122封閉、615干膜潤滑狀態(tài)的表處理。表處理設計如表3所示，其中，序號4螺紋錐角為39°，其它試樣為45°。

3.2試驗結果

選取表3試樣1狀態(tài)的自攻螺釘，設定表2參數(shù)，螺釘未能攻入，設定扭矩值5N·m，重新攻入，得到該條件下扭矩值，結果如表4所示。模擬裝配如圖6所示。表3狀態(tài)的自攻螺釘，模擬裝配結果如表5所示，螺釘模擬裝配如圖7所示，客戶現(xiàn)場裝配結果如表6所示，現(xiàn)場使用設定4N·m的氣動扭矩槍。

3.3結果分析

3.3.1裝配因素

試驗中通過設計轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸3個因素的水平，得出不同的裝配扭矩值。頭部滑槍是指在攻入過程中頭部與槍頭的配合阻力小于螺釘?shù)墓ト胱枇Γ斐蓸岊^從十字槽中跳出。

分析轉(zhuǎn)速因素，由表4知，設定扭矩5N·m，對比分析不同轉(zhuǎn)速下φ4.1的攻入扭矩值，設定轉(zhuǎn)速100rpm的攻入扭矩為3.85N·m，設定轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩為4.25N·m，扭矩值增加0.4N·m;對比分析不同轉(zhuǎn)速下φ4.3的攻入扭矩值，設定轉(zhuǎn)速100rpm時，頭部滑槍，設定轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩為3.08N·m;對比數(shù)據(jù)，裝配轉(zhuǎn)速100rpm提高至300rpm，攻入螺釘?shù)哪Σ磷枇υ黾?，當孔徑由?.1變?yōu)棣?.3時，低轉(zhuǎn)速會影響螺釘?shù)拇怪睂?，增加攻人阻力，造成螺釘頭部滑槍。

分析裝配扭矩因素，扭矩設定1N·m、2N·m、3N·m，螺釘不能攻人全部試驗孔，設定5N·m，螺釘可攻入通孔，說明裝配扭矩的大小會直接影響螺釘?shù)墓ト胄Ч?/p>

分析配合尺寸因素，φ4.1、φ4.2、φ4.3相同轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩分別為4.25N·m、滑槍、3，08 N·m;孔徑增加0.2mm，攻入扭矩減少1.17 N·m;孔徑增加0.1mm，攻入阻力增加導致滑槍;說明在螺釘與通孔配合垂直的情況下，孔徑的增加才會降低攻入扭矩值，接觸的第一扣牙不能垂直導向，會增加攻入阻力。觀察序號10與12攻入后螺紋表面狀態(tài)，如圖8所示，10號φ4.1mm的攻入扭矩為4.7 N·m，為最大值，12號φ4.3ram的攻人扭矩為2.78 N·m，為最小值，10號比12號表面磨損嚴重。

3.3.2產(chǎn)品因素

實驗中研究了摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度的產(chǎn)品因素。按照表3的設計得到試樣1-6的螺釘。

分析摩擦系數(shù)的影響，對比試樣2、試樣3、試樣5，增加1：1和1：3的干膜潤滑劑，攻入扭矩由4.07 N·m降低至2.58 N·m和2.83 N·m，增加潤滑劑可以降低攻入扭矩值，潤滑劑濃度越高攻入扭矩越低，干膜潤滑后的螺紋表面磨損狀態(tài)如圖1l所示。對比試樣3和試樣6，黑色鈍化、DK4122封閉改為三價鉻藍白鈍化封閉，攻入扭矩降低0.89 N·m。

分析螺紋大徑的影響，對比試樣1和試樣3，拋丸后螺紋大徑減小，攻入扭矩降低0.62 N·m，且螺紋磨損程度降低。

分析螺紋末端錐度的影響，由表6的裝配結果知，試樣2、試樣5、試樣6存在相同的結果;表中氣槍不斷氣跟轉(zhuǎn)，指設定4 N·m扭矩后，攻入螺釘?shù)念^部與鈑金貼合，且頭端桿部螺紋短缺，阻力降低，形成與氣槍聯(lián)動;試樣4與其它試樣對比分析，螺紋末端錐度由45°減小至39°可以有效提高螺釘攻入率，螺紋末端的角度可以改善與通孔的過盈程度。

試樣1、試樣3、試樣6螺紋表面狀態(tài)對比如圖10所示。結合圖9對比，螺紋表面磨損程度大，攻入扭矩值大，磨損程度小，攻人扭矩值小。

4小結

觀察不合格品的表面磨損狀態(tài)，并對螺釘攻入扭矩大的原因進行分析，對比不同轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸、摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度對裝配結果的影響，得出以下結論：

（1）螺釘表處理狀態(tài)會影響到摩擦系數(shù)的大小，摩擦系數(shù)是影響攻入扭矩的重要因素，而鍍層表面的粗糙度成為影響摩擦系數(shù)的關鍵要因;

（2）與螺釘?shù)呐浜峡讖綍绊懝ト肱ぞ?，在螺釘能自然垂直配合孔徑的前提下，孔徑越大，所需要的攻入扭矩值越?針對該批次狀態(tài)產(chǎn)品，通過改變錐形角度，可以改變攻入螺紋的過盈量，可有效改善攻入扭矩。

（3）針對該批次不合格產(chǎn)品，返工方式，可以通過增加產(chǎn)品拋丸，電鍍封閉后使用615干膜潤滑劑1：1的比例進行潤滑，減小產(chǎn)品的攻入扭矩。

（4）螺釘不合格品控制，可通過鉆板試驗，查看攻入扭矩及螺紋表面磨損程度，判斷產(chǎn)品是否合格。攻入扭矩小于裝配扭矩，螺紋表面磨損不超過一扣牙，產(chǎn)品便可以正常使用。