搭鐵螺柱斷裂原因及改進措施

李 江， 朱文濤， 姜起東， 胡微微， 金朝華

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽蕪湖 241000）

0 引言

汽車電器系統(tǒng)常采用直流電， 通常電路有正極和負(fù)極之分，采用單線制，即蓄電池正極與電器元件相連，負(fù)極就近搭接在底盤、發(fā)動機或車身鈑金上，而底盤、發(fā)動機或車身鈑金被作為共用導(dǎo)線，這種負(fù)極與底盤、發(fā)動機或車身鈑金相連的方式稱為搭鐵，也稱為接地。

為獲得更好的導(dǎo)電性， 此處搭鐵采用鍍銅焊接螺柱和鍍鋅蓋形螺母組合形式，搭鐵焊接螺柱制造工藝：材料改制→冷鐓成型→搓絲→鍍銅→檢驗→入庫； 搭鐵蓋形螺母制造工藝： 材料改制→冷鐓成形→攻絲→鍍鋅→檢驗→入庫。 搭鐵螺柱與螺母的組裝力矩為3N·m，焊接后隨整車進行電泳和涂裝， 在總裝車間拆卸螺母后裝配導(dǎo)線端子，再將螺母緊固至工藝扭矩。某車型搭鐵螺柱的規(guī)格為M6、強度等級為5.8 級，表面鍍銅，材料為20Mn-TiB，在總裝車間裝配導(dǎo)線端子工序中出現(xiàn)拆卸螺母困難，導(dǎo)致多例螺柱斷裂的現(xiàn)象。

1 理化分析

1.1 搭鐵組合件結(jié)構(gòu)

搭鐵組合件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 搭鐵組合件結(jié)構(gòu)圖

1.2 宏觀分析

如圖2 所示， 螺柱斷裂位置在螺母擰入端， 且在螺母第一牙和第二牙之間，螺柱外螺紋明顯被撕裂。 螺柱斷口位置呈灰色 （未顯現(xiàn)氧化腐蝕），經(jīng)初步分析判定：由于內(nèi)、 外螺紋抱死，導(dǎo)致在拆卸時螺柱部位承受過大的瞬間扭力，超過其屈服極限（即超過破壞扭矩），從而發(fā)生斷裂。

圖2 斷裂位置

1.3 化學(xué)成分

失效件化學(xué)成分檢測， 根據(jù)GB/T 4336—2016 檢測方法， 化學(xué)成分檢測設(shè)備： 島津PDA-7000， 檢測結(jié)果： 化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015 的要求，化學(xué)成分實測結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分

1.4 硬度

失效件硬度檢測， 根據(jù)GB/T 4340.1—2009 檢測方法，硬度檢測設(shè)備：Zwick ZHV30-AF，檢測結(jié)果：硬度滿足GB/T 3098.1—2010 中5.8 級螺栓或螺柱要求，硬度實測結(jié)果見表2。

表2 維氏硬度

1.5 金相組織

失效件金相組織檢測， 根據(jù)GB/T 13298—2015 檢測方法，金相組織檢測設(shè)備：蔡司Axio Imager.Alm。金相組織見圖3，組織為鐵素體+球粒狀珠光體，判定為正常組織。

圖3 金相組織

1.6 斷口形貌

失效件斷口形貌電鏡檢測，依據(jù)內(nèi)部檢測標(biāo)準(zhǔn)《掃描電鏡微觀分析試驗方法》規(guī)定的檢測方法，掃描電鏡：FEI Inspect S，斷口形貌如圖4（a）所示，為韌窩形貌，圖4（b）顯示螺柱牙頂旋出時被撕裂及螺牙變形。

圖4 斷口形貌

1.7 螺母螺紋質(zhì)量

檢查同批次螺母， 發(fā)現(xiàn)其旋入端螺紋第一牙牙尖處有毛刺、損傷等缺陷，如圖5 所示。

圖5 螺母螺紋質(zhì)量

分析判定：蓋形螺母螺紋處存在毛刺，導(dǎo)致內(nèi)、外螺紋抱死，在拆卸時螺柱部位承受過大的扭力，超過屈服極限，從而發(fā)生斷裂，因此毛刺應(yīng)為導(dǎo)致螺柱斷裂的主要誘因。

2 原因分析

針對螺紋出現(xiàn)毛刺質(zhì)量缺陷，從人、機、料、法、環(huán)進行分析及排查（見圖6）。 最終分析為：因螺紋絲錐超壽命使用，磨損嚴(yán)重，造成螺紋攻絲過程中出現(xiàn)毛刺，同時現(xiàn)場檢驗指導(dǎo)書對螺紋缺陷檢測無明確要求， 導(dǎo)致不合格品流出。

圖6 魚骨分析

（1）人員。 質(zhì)檢員在巡檢、抽檢過程中未能發(fā)現(xiàn)毛刺，分析為質(zhì)檢員未能充分理解相關(guān)質(zhì)量要求。 要求制造商組織內(nèi)部整改， 并組織舉一反三的質(zhì)量專題培訓(xùn)，針對螺紋毛刺等質(zhì)量缺陷，形成現(xiàn)場控制、指導(dǎo)文件。

（2）機。 檢查近期設(shè)備點檢表，參數(shù)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)異常； 檢查絲錐維護/更換記錄， 單一絲錐使用記錄在（5000～6600）件之間，由此推測部分絲錐超出使用壽命或受損 （經(jīng)確認(rèn)該品牌絲錐設(shè)計使用壽命在6500 件左右）。

（3）料。 生產(chǎn)材料排查，化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；檢查冷鐓過程保留的首、末件和現(xiàn)生產(chǎn)件，發(fā)現(xiàn)沖孔斷裂帶臺階均勻，狀態(tài)一致。

（4）法。 現(xiàn)場有作業(yè)指導(dǎo)書和檢查指導(dǎo)書，但對螺紋毛刺的質(zhì)量缺陷沒有明確檢驗要求和方法； 現(xiàn)場無外觀、螺紋毛刺質(zhì)量缺陷警示卡。

（5）環(huán)。 現(xiàn)場操作和外觀挑選工位有安裝照明燈，光照度符合產(chǎn)品檢查要求，目視可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋毛刺。

3 缺陷再現(xiàn)

3.1 缺陷驗證

首先清空自動化攻絲設(shè)備內(nèi)所有產(chǎn)品， 將壽命到期更換下的絲錐安裝到設(shè)備上， 按正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)5 件產(chǎn)品。將生產(chǎn)的產(chǎn)品和故障件進行對比分析，發(fā)現(xiàn)使用壽命到期的絲錐生產(chǎn)的螺母，螺紋均出現(xiàn)毛刺，與故障件位置相同，狀態(tài)如圖7 所示。

圖7 毛刺再現(xiàn)

3.2 缺陷產(chǎn)生時間驗證

按照正常生產(chǎn)工藝，使用全新絲錐開始加工，驗證生產(chǎn)過程中，螺紋毛刺產(chǎn)生的時間。 通過過程抽樣檢測，發(fā)現(xiàn)絲錐在加工至5500 件左右時，螺紋前三牙開始出現(xiàn)毛刺，狀態(tài)如圖8 所示，在加工至6000 件左右時，螺牙表面粗糙，毛刺增多，狀態(tài)如圖9 所示。

圖8 5500 件螺紋狀態(tài)

圖9 6000 件螺紋狀態(tài)

4 解決措施

（1）自動攻牙控制器設(shè)定絲錐攻牙生產(chǎn)上限數(shù)量，設(shè)備監(jiān)測到5000 件上限時自動停機、等待、報警，由專業(yè)人員更換新絲錐后，方可重新啟動設(shè)備作業(yè)，并做好絲錐更換記錄。

（2）制作現(xiàn)場質(zhì)量缺陷警示卡，對作業(yè)員和質(zhì)檢員進行質(zhì)量缺陷專題培訓(xùn)。

（3）更新現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)書和檢驗指導(dǎo)書，要求首/末件各檢測5 只，過程檢測5 只/h。

圖10 設(shè)備參數(shù)設(shè)定

圖11 指導(dǎo)書和警示卡

5 改進效果

經(jīng)改進后，螺母螺紋無不良缺陷，螺紋狀態(tài)如圖12所示。 措施實施后，跟蹤監(jiān)控生產(chǎn)2 個月，期間生產(chǎn)此螺母12 個批次，共計50 萬只，未發(fā)現(xiàn)螺紋毛刺等缺陷；監(jiān)控并記錄總裝車間1 個班次裝配導(dǎo)線端子工序中拆裝螺母情況，未出現(xiàn)螺柱斷裂情況，記錄見表3，后續(xù)持續(xù)跟蹤3 個月，未出現(xiàn)斷裂情況，證明改進措施有效。

圖12 改進后螺紋狀態(tài)

表3 總裝搭鐵螺母拆裝監(jiān)控記錄

6 結(jié)論

失效的焊接螺柱材料和性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

工裝夾具的質(zhì)量會直接影響緊固件質(zhì)量， 因此需要對螺紋緊固件生產(chǎn)中工裝夾具進行全生命周期的管理，確保產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

螺紋質(zhì)量影響緊固件的裝配效果， 緊固件生產(chǎn)中搓絲或攻絲作業(yè)指導(dǎo)書和檢驗指導(dǎo)書應(yīng)包含螺紋質(zhì)量缺陷的控制和檢驗， 防止不合格品流出。