防止螺栓斷裂的工藝與質(zhì)量控制

陳宏斌

摘要：本文以國(guó)產(chǎn)某款發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，以模擬缸蓋狀態(tài)下為背景，缸蓋螺栓斷裂作為現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行的研究。對(duì)比國(guó)內(nèi)外在研究螺栓斷裂報(bào)告以及理論基礎(chǔ)，從而設(shè)計(jì)出防止該款發(fā)動(dòng)機(jī)在缸蓋螺栓斷裂缺陷的工程數(shù)據(jù)以及解決方法，最后通過(guò)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果，后續(xù)的整車以及售后反饋，去評(píng)價(jià)此優(yōu)化方法的優(yōu)越性。

Abstract： According to the engine as the research object， and the cylinder honing head? process on aluminum cylinder block as the background and the fracture of the cylinderhead bolt as phenomenon. Contrasts he research of bolt fracture in domestic and foreign. and according to the research way of them. We can design the way of the solving the fracture problem. Finally， the superiority of this optimization method is evaluated by the actual industrial production results， the follow-up vehicle and after-sales feedback.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);螺栓斷裂;工藝優(yōu)化;模擬缸蓋螺栓技術(shù);二次使用

Key words： engine;cylinder honing head process;secondary use;bolt fracture;process optimization

中圖分類號(hào)：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0038-02

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為了達(dá)到“降本增效”的目標(biāo)，很多零件都已經(jīng)考慮從零件成本以及使用次數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，因此缸蓋螺栓作為發(fā)動(dòng)機(jī)使用率最低，成本最高且最重要的螺栓已經(jīng)受到很多企業(yè)的關(guān)注與研究。由于在生產(chǎn)過(guò)程中，引入了模擬缸蓋這一技術(shù)理念來(lái)解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔圓柱度偏移問(wèn)題，同時(shí)為了還能夠解決缸蓋螺栓利用率低的事實(shí)，目前采用了二次回用的方法，因此二次使用過(guò)程中的螺栓的質(zhì)量控制就成為了關(guān)鍵。

1? 缸蓋二次回用螺栓的斷裂的問(wèn)題分析結(jié)果

模擬缸蓋螺栓斷裂是由于螺栓疲勞失效造成的，裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和撕裂與螺栓材料性能、螺栓結(jié)構(gòu)，裝配應(yīng)力狀態(tài)，擰緊方法策略等因素（二次使用螺栓）有關(guān)。而且由于目前工藝中缸蓋螺栓又是二次使用的螺栓，所以使用起來(lái)在應(yīng)力狀態(tài)上的要求比一次使用的缸蓋螺栓更嚴(yán)格，更容易脆性斷裂，所以對(duì)螺栓的品質(zhì)，螺栓的使用過(guò)程，螺栓使用環(huán)境都有非常嚴(yán)格的要求疲勞失效原因有三大方面，其一為缸體內(nèi)部螺紋原因，其二為螺栓原因，其三為擰緊工藝原因，見(jiàn)圖1。

2? 優(yōu)化方法介紹以及效果

影響模擬缸蓋螺栓二次回用后斷裂的原因[1]有本身的螺栓加工工藝缺陷，螺紋加工刀具損壞或磨損，以及裝配擰緊工藝策略，所以要采用這三方面中的主要原因?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方式如表1。判斷螺栓性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)是螺栓最終的應(yīng)力載荷大小，而判斷螺紋狀態(tài)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是螺紋的“魚(yú)嘴”[2]。圖2為螺紋頭部雙牙尖（“魚(yú)嘴”）的示意圖，結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)VW01178-2016對(duì)于螺栓牙尖的標(biāo)準(zhǔn)，H1代表的是加工螺紋深度，而較高的那個(gè)螺牙不能高于總牙高（即螺紋加工深度）H1的1/3高度，即“魚(yú)嘴”比要小于33%）。

2.1 優(yōu)化刀具涂層的效果

選用Hard Carbon涂層的加工螺紋用的絲錐觀察各種條件下的試驗(yàn)下的螺紋狀態(tài)絲錐的涂層以及拋光進(jìn)行如圖3的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如下：

總截面高度（牙高）：692μm/694μm;

切削后高度：224μm/220μm;

螺紋“魚(yú)嘴”比例：32%/31%。

顯然在使用了Hard Carbon涂層后，“魚(yú)嘴”比例都很平穩(wěn)的在31%左右，螺紋效果非常良好。

2.2 優(yōu)化絲錐外徑大小

將原來(lái)“魚(yú)嘴”比例較差的絲錐外徑增加0.07～0.1mm，更改之后，進(jìn)行試切，并對(duì)其進(jìn)行比較。

在增加了原本的絲錐外徑0.07～0.1mm（符合公差范內(nèi)）之后發(fā)現(xiàn)“魚(yú)嘴”的效果越來(lái)越好，即只要在合理的范圍內(nèi)增加外徑尺寸，“魚(yú)嘴”的效果就會(huì)改變。

2.3 優(yōu)化螺栓擰緊參數(shù)

缸蓋螺栓的擰斷扭矩在85Nm左右，采用AW11方法，此方法能夠更好地利用螺栓，同樣能夠同時(shí)在擰緊控制柜調(diào)整螺栓的擰緊策略[3][4][5]，并將擰緊參數(shù)輸入進(jìn)控制程序中，擰緊完成之后對(duì)缸體螺紋進(jìn)行觀察，觀察螺紋是否已經(jīng)破壞。實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)螺紋在30Nm+90°*2這樣一種扭矩加轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上擰出的效果會(huì)比較好，見(jiàn)圖4。其螺紋“魚(yú)嘴”比例在32.91%，符合螺紋使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 優(yōu)化裝配流程以及工藝

擰緊完成之后需保證缸體與螺栓分離，缸體的需要增加清洗機(jī)進(jìn)行清洗，確保無(wú)鋁絲遺留在缸體內(nèi)，同時(shí)螺栓需要通過(guò)缸體線的清洗機(jī)對(duì)螺栓表面的進(jìn)行清理，員工將滿箱放至指定區(qū)域，空箱由上線處拿取，且包裝必須完好，這是為了保證螺栓表面的清潔度。模擬缸蓋拆卸后，由于經(jīng)過(guò)了清洗過(guò)程中所殘留下來(lái)的乳化液以及各種珩磨液以及擰緊時(shí)產(chǎn)生的鋁屑等。這些表面的殘留會(huì)對(duì)后續(xù)的擰緊等使用帶來(lái)影響，因此為了能夠后期更好的對(duì)螺栓進(jìn)行回用，必須按要求對(duì)螺栓進(jìn)行清潔。目前采用的是壓縮空氣進(jìn)行吹掃，來(lái)回往復(fù)進(jìn)行（根據(jù)生產(chǎn)線的節(jié)拍定義吹掃的時(shí)間和頻次，目前我司采用的10秒的吹掃時(shí)間）以確保螺栓的螺紋區(qū)域內(nèi)無(wú)殘留鋁屑，無(wú)殘液，無(wú)生銹、表面損傷等情況。

3? 結(jié)論

為了防止模擬缸蓋二次回用螺栓斷裂，總結(jié)以下幾點(diǎn)：

①模擬缸蓋二次回用螺栓的選擇以及使用要求是非常嚴(yán)格的，必須注意螺栓表面的清潔度以及磕碰傷;

②在刀具參數(shù)的優(yōu)化與選擇上，在加工缸體螺紋的時(shí)候，必須采用的合理的涂層;目前采用的是Hard Carbon，這種涂層，硬度極高，磨擦系數(shù)很低，拋光處理后摩擦系數(shù)<0.1，涂層厚度很薄，與基本附著力非常好，適合加工有色金屬;對(duì)絲錐大徑的要求是必須在中差，并且利用CPK檢查手法以及軟件對(duì)絲錐的尺寸進(jìn)行檢查以及核實(shí)，目前建議每班都需要有對(duì)加工刀具進(jìn)行的檢查，檢查的尺寸要在原尺寸的80%上限即報(bào)警;

③在裝配以及擰緊的工藝上，在擰緊程序選用的是擰緊程序：30Nm+90°*2。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖健偉.氣缸蓋螺栓斷裂原因分析[J].機(jī)床與液壓，2006（06）：249-250，206.

[2]邢韜，姜曉晨.鋁缸體螺紋U型牙尖解決措施研究[J].汽車工藝師，2019（07）.

[3]鄭勁松.柴油機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝試驗(yàn)開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械工程師，2012（04）：46-48.

[4]張瓊敏.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究[J].汽車科技，2003（02）：19-22.

[5]趙禮飛，胡必謙，鄭久林，劉芯娟.缸蓋螺栓轉(zhuǎn)角法擰緊工藝的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)，2016，4（05）：12-14.