制樣對超聲波測試軸力的影響

張衛(wèi)新，楊 瀟，舒軍建，鄭文皓，李秀芳，洪東生

（1.浙江華遠(yuǎn)汽車零部件有限公司，浙江 溫州 325000；2.長安馬自達(dá)汽車公司技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 南京 211100）

超聲波軸向預(yù)緊力測量方法，是指螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T1，依據(jù)電信號收發(fā)時間差與螺栓的變形量的關(guān)系，得到螺栓的變形量ΔL，最終由iBolt智能螺栓系統(tǒng)依據(jù)ΔL并結(jié)合公式得出該狀態(tài)下螺栓的預(yù)緊力。超聲波軸向預(yù)緊力測量只需在螺栓兩端加工成平面，不改變螺栓拉伸彈簧常數(shù)，因松弛系數(shù)未改變，該方法最適合通過軸力評價松動。

影響超聲波測螺栓軸力標(biāo)準(zhǔn)差大的原因，國內(nèi)無相關(guān)研究文獻(xiàn)。實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)表明，影響螺栓標(biāo)準(zhǔn)差的環(huán)節(jié)來源樣品加工，螺栓的軸力是影響汽車松動的重要因素，螺栓被行業(yè)當(dāng)中廣泛使用，產(chǎn)品用量大，若準(zhǔn)確判斷螺栓在裝配后的軸力，需減少測量產(chǎn)生的偏差。作者使用超聲波檢測設(shè)備，充分分析影響測量值波動的相關(guān)影響因素，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，從數(shù)據(jù)上為軸力測試過程中提出關(guān)鍵性的控制因素，以提高超聲波測試殘余軸力的準(zhǔn)確性。

1 研究背景

2020年7月，南京某主機(jī)廠，現(xiàn)場測試車身螺栓軸力過程中，軸力波動范圍0.5～1.0 kN，數(shù)值較大的波動對確定軸力實(shí)際數(shù)值帶來較大困難，嚴(yán)重影響正常的結(jié)果評判，現(xiàn)場測試軸力-時間曲線如圖1所示。設(shè)備廠家對測試數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行軟件升級后，波動性有所改善。為進(jìn)一步研究產(chǎn)品因素帶入的波動性，依據(jù)產(chǎn)品制樣方式，對不同加工狀態(tài)進(jìn)行充分分析，得出影響力值波動的因素，為制樣的過程控制提供參考。

圖1 軸力-時間曲線

2 軸力標(biāo)準(zhǔn)差分析

超聲波在螺栓的傳輸過程中，因各種因素會導(dǎo)致測量并計(jì)算發(fā)射和回波電信號之間時間差產(chǎn)生變化，差異大的數(shù)值增加不穩(wěn)定，經(jīng)過計(jì)算得到較大標(biāo)準(zhǔn)差，反應(yīng)出測試軸向力值的不穩(wěn)定。本文主要從制樣的過程方向進(jìn)行分析，研究制樣過程對標(biāo)準(zhǔn)差的影響。

2.1 預(yù)緊力測量機(jī)理

超聲波經(jīng)過金屬傳播時，傳播速度v與金屬受到的應(yīng)力σ呈線性關(guān)系，關(guān)系式使用式（1）表示，其中v0為無載荷狀態(tài)下的傳播速度，k由材料和超聲波頻率確定的常數(shù)，關(guān)系式使用式（6）表示；應(yīng)力施加在金屬上時，金屬伸長，關(guān)系式使用式（2）表示，L0無載荷作用時的長度，L在應(yīng)力σ作用下的長度，E金屬材料的彈性模量。應(yīng)力施加到金屬上，傳播速度與長度發(fā)生改變，兩種現(xiàn)象產(chǎn)生疊加效應(yīng)，超聲波從金屬一端進(jìn)入，從另一端反射并返回所消耗的時間t增加，變化量為Δt，逆向計(jì)算可得到施加的應(yīng)力[1]。施加軸力F后，金屬產(chǎn)生的時間差可用式（3）表示。超聲波測試如圖2所示。螺栓形狀和尺寸如圖3所示，其中，l0螺栓全長，lc螺栓和螺母支承面間距離，l1螺栓桿等效長度，關(guān)系式使用式（4）表示，l2軸向預(yù)緊力作用的螺紋處等效長度，關(guān)系式使用式（5）表示，lc1螺栓桿長，lc2螺紋到螺母支承面長度，A1螺栓桿部橫截面面積，A2螺栓螺紋處橫截面面積，d螺栓桿部直徑，P螺距。

圖2 超聲波測試

圖3 螺栓形狀和尺寸

2.2 影響標(biāo)準(zhǔn)差的因素

螺栓軸向預(yù)緊力F是通過螺栓與螺母的兩個支撐面之間的距離與實(shí)際條件相同的條件下，測量擰緊前后超聲波在螺栓中往返傳播的時間差建立關(guān)系，完成軸力測試。通過理論分析，影響聲時差的主要因素有：標(biāo)定常數(shù)，預(yù)緊力長度，橫截面面積，彈性模量，無載荷狀態(tài)下的傳播速度，軸向預(yù)緊力大小。在測試過程中，這些因素已設(shè)置在軟件中，沒有明顯波動，但螺栓在加工過程中，會引入影響超聲波傳播和反射的明顯波動因素，包括陶瓷貼片使用的膠量，加工平面的垂直度，凹槽加工尺寸的大小，加工表面的粗糙度，加工面的銹蝕或防銹處理，重復(fù)性貼片。本文從加工不確定的影響因素展開分析。

3 試驗(yàn)

選用螺栓S進(jìn)行標(biāo)定，并完成裝配試驗(yàn)，性能10.9級，規(guī)格M12*1.25*40，配套鍍鋅螺母M，規(guī)格M12*1.25，夾持體21 mm疊加厚度的2個環(huán)規(guī)，P800砂紙用于打磨環(huán)規(guī)接觸面，螺栓通過數(shù)顯扭矩扳手?jǐn)Q緊至92 N·m，扭矩扳手量程200 N·m，粗糙度測量儀型號是SJ-410。螺栓A標(biāo)定曲線如圖4所示。對識別出的相關(guān)因素，做正交分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性測量5次。

圖4 螺栓S標(biāo)定曲線

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從影響螺栓制樣的加工因素考慮，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下：

同一批螺栓在相同工藝相同環(huán)境下重復(fù)使用同一個被連接件擰緊，重新使用的夾持體需砂紙磨至無痕。被連接件狀態(tài)如下頁圖5所示。影響因素與代碼轉(zhuǎn)換如表1所示。因素B，通過螺栓頭部加工成圓柱形沉孔，將陶瓷片貼至孔內(nèi)，沉孔深度是0.5 mm和0.8 mm，直徑是6 mm和7 mm，進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。陶瓷片和沉孔如下頁圖6所示。沉孔狀態(tài)和代碼轉(zhuǎn)化如下頁表2所示。

表2 沉孔狀態(tài)和代碼轉(zhuǎn)化

圖5 被連接件狀態(tài)

圖6 陶瓷片和沉孔

表1 影響因素與代碼轉(zhuǎn)換表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)品因素B使用正交L4（22）分析，其余產(chǎn)品因素使用單因素方差分析[2]。因產(chǎn)品被夾緊后，螺栓軸力逐漸衰減，短時間內(nèi)完成的因素F和G使用軸力值（kN）作為響應(yīng)變量，其余產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)差作為響應(yīng)變量。單因素方差分析結(jié)果如表3-表9所示。

表3 膠水使用量分析

表4 貼片孔徑加工分析

表5 端面加工垂直度分析

表6 端面加工粗糙度分析

表7 端面加工生銹分析

表9 重復(fù)貼片分析

3.3 結(jié)果分析

因素A，使用少量膠水和大量膠水完成同一個螺栓貼片，陶瓷片完全貼合金屬基體，緊固螺栓，觀察前后軸力波動的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果無明顯差異。

因素B，同一批次螺栓，螺栓頭部加工不同的沉孔尺寸，緊固后，結(jié)果無明顯差異。

因素C，正常加工端面的螺栓，軸力測試后，將螺紋尾部加工成斜面，再緊固測試，記錄兩次標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果存在高度顯著影響。斜面影響回波強(qiáng)度，且波動性增大。端面垂直度波形如圖7所示。

圖7 端面垂直度超聲波形

因素D，低粗糙度螺栓，緊固后記錄波動值，增加螺栓粗糙度，緊固后記錄波動值，方差分析表明，結(jié)果存在高度顯著影響。粗糙度值如表10所示。

表10 端面粗糙度

因素E，同一個螺栓緊固后，記錄波動值，對螺栓尾部加入水滴，生銹后，重新緊固后，記錄波動值，無明顯差異。螺栓端面生銹狀態(tài)如圖8所示。

圖8 螺栓端面生銹狀態(tài)

因素F，同一個螺栓緊固后，記錄軸力值，連續(xù)測量情況下，短時間在螺栓尾部涂白色油漆，再記錄軸力值，結(jié)果存在高度顯著影響。記錄結(jié)果如表8所示。存在差異的主要原因是涂漆增加了回波的行程。

表8 端面加工防銹分析

因素G，同一個螺栓緊固后，記錄軸力值，緊固狀態(tài)下，去掉頭部陶瓷片，重新粘貼，再次測量，結(jié)果存在高度顯著性差異。

通過識別以上制樣過程中的相關(guān)影響因素，并進(jìn)行控制，重新測試軸力-時間曲線，如圖9所示，可持續(xù)保持穩(wěn)定數(shù)值。制樣過程中，控制螺栓加工端面的平整度、粗糙度可提高測量值的穩(wěn)定性。在測試過程中，加工端面的防銹處理和重復(fù)貼片，在實(shí)際操作中很少有人關(guān)注，在操作順序上會對結(jié)果數(shù)值產(chǎn)生明顯影響。

圖9 軸力-時間曲線

4 結(jié)論

通過制樣過程中的主要影響因素分析，螺栓制樣端面加工的垂直度和粗糙度，會高度影響超聲波測試的穩(wěn)定性；在裝車螺栓的軸力測試過程中，陶瓷片不能重復(fù)粘貼測試，會顯著影響測試結(jié)果，螺紋尾部不能進(jìn)行防銹處理，也會影響測試數(shù)據(jù)，需在裝車前完成防銹處理，并進(jìn)行超聲波置零；螺紋尾部在超聲波測試中，在陶瓷片完全貼合的情況下，膠水量不會明顯影響測試結(jié)果；螺栓頭部貼片處不同的加工尺寸，不會影響超聲波測試；螺栓尾部出現(xiàn)的一定程度的銹蝕，不會影響超聲波的波動性。依據(jù)試驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)，螺栓加工參數(shù)及制樣總結(jié)如下：

1）螺紋端面加工粗糙度（Ra），小于0.30。

2）螺栓頭部凹槽加工尺寸可根據(jù)陶瓷片大小自由加工。如，3 mm×3 mm，加工直徑4.5 mm，深度0.5 mm；4 mm×4 mm，加工直徑7 mm，深度0.8 mm。

3）加工端面垂直螺栓軸線。

4）裝車測試前完成螺栓防銹處理。

5）裝車后的螺栓，避免重復(fù)貼片測量。