螺栓擰緊失效分析及對(duì)策研究

李剛 羅慧琪

柳州賽克科技發(fā)展有限公司 廣西柳州市 545005

1 引言

螺栓擰緊作為一種連接方式具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、零部件標(biāo)準(zhǔn)化、裝配簡(jiǎn)單拆卸方便、效率高、成本低等特點(diǎn)，廣泛用于汽車零部件及發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及裝配過(guò)程中。它的原理是通過(guò)在螺栓頭施加扭矩將螺栓擰進(jìn)連接件的螺紋中，施加完扭矩產(chǎn)生的夾緊力將兩個(gè)連接件連接固定在一起。

某公司一臺(tái)做過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，拆解后重新返修上線擰緊過(guò)程中出現(xiàn)了報(bào)警，拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)后發(fā)現(xiàn)有有4 顆螺栓斷裂（排氣側(cè)第2 螺栓有2 顆斷裂，排氣側(cè)第4 螺栓有1顆斷裂，進(jìn)氣側(cè)第2 螺栓有1 顆斷裂），斷裂螺栓都有縮頸現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。

圖1 失效軸承形貌

凸輪軸軸承蓋螺栓的等級(jí)為8.8 級(jí)，材料牌號(hào)為SWRCH40K，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，硬度值要求為22HRC ～32HRC。通過(guò)對(duì)斷裂螺栓材質(zhì)的硬度和金相組織、斷面微觀形貌進(jìn)行分析，以及結(jié)合連桿螺栓的安裝過(guò)程進(jìn)行工藝分析，已找出螺栓斷裂的原因，并提出改進(jìn)措施。

2 螺栓擰緊失效原因分析

出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂的質(zhì)量事故，相關(guān)工程師第一時(shí)間到生產(chǎn)車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并結(jié)合5M1E 法進(jìn)行原因分析，調(diào)查分析結(jié)果如下：

2.1 人員分析

擰緊螺栓工序，工作人員未發(fā)生變動(dòng)，非影響因素。

2.2 設(shè)備分析

擰緊凸輪軸軸承蓋螺栓的十軸擰緊機(jī)已標(biāo)定校準(zhǔn)，其MSA過(guò)程能力分析也在合格范圍內(nèi)。

2.3 物料分析

由圖1 可知，斷裂的凸輪軸軸承蓋螺栓有縮頸現(xiàn)象，說(shuō)明螺栓產(chǎn)生了應(yīng)力集中變形情況，是屬于典型的韌性斷裂。在斷裂的凸輪軸軸承蓋螺栓距離螺紋末端1d（d 為螺栓直徑）處切取橫向試樣，螺栓樣塊經(jīng)過(guò)鑲嵌、粗磨、精磨、拋光，進(jìn)行理化檢測(cè)。（1）硬度檢測(cè)：使用洛氏硬度計(jì)對(duì)螺栓樣塊進(jìn)行硬度檢測(cè)，螺栓的硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。由表可知，螺栓硬度合格。（2）顯微組織分析：用4%硝酸酒精溶液腐蝕螺栓樣塊，放在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，螺栓的邊緣金相組織未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象，心部金相組織為回火索氏體，螺栓的金相組織未見(jiàn)異常，螺栓的金相組織形貌如圖2 所示。（3）斷口形貌分析：將已用超聲波清洗的一截傳動(dòng)軸斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌分析，斷口形貌均為剪切韌窩特征，螺栓的斷口形貌見(jiàn)圖3。綜上，分析認(rèn)為，凸輪軸軸承蓋螺栓發(fā)生了快速過(guò)載性斷裂。

圖2 螺栓金相組織形貌

圖3 螺栓斷口形貌

表1 斷裂凸輪軸軸承蓋螺栓硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.4 工藝分析

凸輪軸軸承蓋螺栓的擰緊工藝為：（1）所有螺栓都先擰緊至扭力2N.m，再反松180°；（2）第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓，先同時(shí)擰緊至扭力10N.m，再反松180°，最后同時(shí)擰緊至10N.m；（3）第1、3、5凸輪軸軸承蓋螺栓，同時(shí)擰緊至10N.m。由擰緊工藝可知，每次過(guò)擰緊站時(shí)，第2 和4凸輪軸軸承蓋螺栓都有2 次復(fù)擰，且出現(xiàn)凸輪軸軸承蓋螺栓縮頸和斷裂情況的均為第2和4 螺栓，見(jiàn)圖5。分析認(rèn)為，螺栓多次擰緊是造成螺栓斷裂的可疑原因。

2.5 環(huán)節(jié)分析

此外，還發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂的發(fā)動(dòng)機(jī)均是臺(tái)架試驗(yàn)不合格后、進(jìn)行二次裝配的返修件。做過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)，其軸承蓋的法蘭面及螺紋孔有殘油，若粘附在軸承蓋上的油脂未清理干凈，會(huì)導(dǎo)致軸承蓋和螺栓兩者間的摩擦系數(shù)變小、螺栓的夾緊力變大，達(dá)到同等擰緊扭矩的情況下，螺栓出現(xiàn)韌性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)加大。

螺栓擰緊的夾緊力計(jì)算公式為：FM=T÷（0.16P ＋（ug×0.58×d2）），其中FM—夾緊力，P—螺距，ug—螺紋副摩擦系數(shù)，d2—螺栓直徑。由公式可知，若螺栓表面帶油，在擰緊過(guò)程中螺栓的螺紋副摩擦系數(shù)變小、夾緊力過(guò)大，容易造成螺栓變形、屈服甚至斷裂。分析認(rèn)為，螺栓表面帶油是造成螺栓斷裂的可疑原因。

圖4 螺栓擰緊曲線圖

2.6 擰緊測(cè)試曲線分析

調(diào)出螺栓的擰緊測(cè)試曲線，見(jiàn)圖5，發(fā)現(xiàn)：（1）正常螺栓的擰緊曲線，扭矩從0N.m逐步上升至終扭矩10N.m；（2）斷裂螺栓擰緊曲線，扭矩在0N.m 至0.05N.m 之間波動(dòng)，無(wú)法上升到設(shè)定的目標(biāo)扭矩10N.m。說(shuō)明螺栓的擰緊測(cè)試曲線是可控的。

3 螺栓擰緊驗(yàn)證分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的原因調(diào)查分析，造成螺栓斷裂的可疑因素有：螺栓多次擰緊、螺栓表面帶油，現(xiàn)對(duì)兩因素進(jìn)行驗(yàn)證分析，進(jìn)一步確定螺栓斷裂的原因。

3.1 螺栓多次擰緊驗(yàn)證

按當(dāng)前的螺栓擰緊工藝，對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸軸承蓋螺栓進(jìn)行多次擰緊試驗(yàn)，螺栓第一次和第二次過(guò)擰緊站均未發(fā)現(xiàn)異常，但是螺栓第三次過(guò)擰緊站就發(fā)現(xiàn)第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓出現(xiàn)縮頸和斷裂情況，見(jiàn)圖5。說(shuō)明多次擰緊是螺栓斷裂的原因之一。

圖5 螺栓多次擰緊驗(yàn)證

3.2 螺栓表面帶油驗(yàn)證

按當(dāng)前的螺栓擰緊工藝，對(duì)表面狀態(tài)不同的螺栓進(jìn)行一次擰緊試驗(yàn)，3 顆表面無(wú)油螺栓的屈服扭力達(dá)到19N.m ～20N.m，4 顆表面帶油螺栓的屈服為11N.m ～15.5N.m，見(jiàn)表2，說(shuō)明螺栓表面是否帶油對(duì)其屈服扭力數(shù)值有明顯差異。取做過(guò)一次擰緊試驗(yàn)的①和⑤螺栓做形貌放大圖分析，圖6 和圖7 分別為①表面無(wú)油螺栓和⑤表面有油螺栓的放大圖，由圖6 和圖7 可知，①表面無(wú)油螺栓經(jīng)過(guò)一次擰緊后的螺牙完好、無(wú)缺陷，⑤表面有油螺栓經(jīng)過(guò)一次擰緊后的螺牙底部有裂紋，分析認(rèn)為，螺栓表面帶油，在擰緊過(guò)程中螺栓的螺紋副摩擦系數(shù)變小、夾緊力過(guò)大，造成螺栓屈服甚至斷裂。

圖6 ①表面無(wú)油螺栓放大圖

圖7 ⑤表面有油螺栓放大圖

表2 斷裂凸輪軸軸承蓋螺栓硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 螺栓擰緊對(duì)策

由螺栓分析結(jié)果可知，螺栓多次擰緊和表面帶油都是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因，如兩者同時(shí)存在，則螺栓會(huì)發(fā)生快速過(guò)載斷裂，針對(duì)分析結(jié)果，對(duì)螺栓擰緊工序做以下對(duì)策：

4.1 螺栓表面狀態(tài)定義

根據(jù)螺栓表面帶油驗(yàn)證的結(jié)果，表面有油螺栓經(jīng)過(guò)一次擰緊后的螺牙底部有裂紋，故禁止使用表面有油的螺栓使用擰緊次數(shù)為兩次，且在標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)文件里面注明要求。

4.2 螺栓使用擰緊次數(shù)定義

由螺栓多次擰緊驗(yàn)證的結(jié)果可知，螺栓第三次過(guò)擰緊站后出現(xiàn)屈服斷裂，說(shuō)明螺栓擰緊次數(shù)不能超過(guò)3 次。結(jié)合螺栓自身材質(zhì)，已知螺栓等級(jí)為8.8 級(jí)，其屈服強(qiáng)度只有320MPa。所以，定義螺栓的使用擰緊次數(shù)為2 次，第三次過(guò)線返修時(shí)需要更換螺栓；更新生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)文件，注明螺栓的使用擰緊次數(shù)。

4.3 工藝過(guò)程改進(jìn)

對(duì)第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓的擰緊工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：將第2 和4 螺栓過(guò)程扭矩從10N.m 降低到3N.m，可避免第2 和4凸輪軸承蓋螺栓出現(xiàn)2 次擰緊至目標(biāo)扭矩。

4.4 擰緊測(cè)量方式優(yōu)化及早期預(yù)警失效

目前，螺栓擰緊設(shè)備的角度≥300°則出現(xiàn)報(bào)警，調(diào)出車間的螺栓擰緊數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)近兩年的合格螺栓擰緊角度集中分布在42°以內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證30 件螺栓擰緊至16N.m 使螺栓擰緊屈服，查看曲線確認(rèn)螺栓屈服點(diǎn)，最小屈服角度為47.7°。通過(guò)以上大數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證將擰緊角度42°作為新的報(bào)警臨界值。

圖8 工藝改進(jìn)的螺栓擰緊扭矩圖

5 結(jié)語(yǔ)

凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂后，使用5M1E法原因分析和驗(yàn)證分析，可知，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸軸承蓋螺栓擰緊做以下對(duì)策：（1）禁止使用表面帶油的螺栓，（2）定義螺栓使用擰緊次數(shù)為兩次，（3）工藝上將第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓過(guò)程扭矩從10N.m 降低到3N.m，（4）將螺栓擰緊角度的預(yù)警閥值從300°調(diào)低到42°。上述改進(jìn)措施實(shí)施后，發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓未再出現(xiàn)屈服拉長(zhǎng)或斷裂情況，這說(shuō)明了改進(jìn)措施有效，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊的質(zhì)量安全隱患。

本文針對(duì)螺栓擰緊情況分析了其失效機(jī)理、原因和對(duì)策以供發(fā)動(dòng)機(jī)工藝制定實(shí)施做相應(yīng)的借鑒從而避免螺栓斷裂導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)等問(wèn)題對(duì)客戶造成的傷害和損失。