鋁合金襯套螺紋連接裝配曲線報警分析

摘要： 針對某車型副車架鋁合金襯套與車身連接螺栓裝配扭矩超過監(jiān)控窗口上限報警的問題，通過對螺栓裝配曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)報警的原因為裝配扭矩達到監(jiān)控窗口上限時，螺栓擰緊還未達到工藝角度（該位置為扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配）。裝配正常和報警的螺栓狀態(tài)對比結(jié)果表明：裝配報警的螺栓頭下防滑齒嵌入墊片，裝配正常螺栓的墊片防滑齒嵌入鋁合金襯套；螺栓頭下防滑齒嵌入墊片會帶動墊片發(fā)生跟轉(zhuǎn)，導(dǎo)致螺栓頭部摩擦直徑、摩擦因數(shù)和裝配扭矩增大，進而導(dǎo)致裝配曲線報警；螺栓頭下防滑齒嵌入墊片的原因是墊片熱處理不充分，硬度低于設(shè)計要求值。

關(guān)鍵詞：裝配曲線報警 墊片硬度低 鋁合金襯套

中圖分類號：U466" "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240165

Analysis of Thread Connection Assembly Curve Alarm for Aluminum

Alloy Bushing

Zhang Shaofu

（SAIC Volkswagen Automobile Co.， Ltd.， Shanghai 201805）

Abstract： Regarding the issue of the assembly torque of the aluminum alloy bushing of the subframe and the connecting bolts to the body of a certain model exceeding the upper limit of the monitoring window and triggering an alarm， through the analysis of the bolt assembly curve， it is found that the reason for alarm is that when the assembly torque reaches the upper limit of the monitoring window， the bolt tightening has not reached the process angle yet （this position is assembled by using the torque angle method）. The comparison results between the bolt states of normal assembly and alarm show that the anti-slip teeth under the bolt head of assembly alarm is embedded in the gasket， while the anti-slip teeth of the gasket of the normal assembly bolt is embedded in the aluminum alloy bushing. The anti-slip teeth embedded in the gasket under the bolt head of the assembly alarm will drive the gasket to rotate， resulting in an increase in the friction diameter， friction coefficient of the bolt head， and assembly torque， thereby causing the assembly curve alarm. The embedding of anti-slip teeth under the bolt head into the gasket is due to insufficient heat treatment of the gasket， resulting in a softer hardness that is lower than the design required value.

Key words： Assembly curve alarm， Low gasket hardness， Aluminum alloy bushing

1 前言

螺紋連接因可靠性高、可拆卸的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于汽車零部件裝配。但因零件質(zhì)量波動、生產(chǎn)過程異常等因素，也會出現(xiàn)螺栓斷裂[1-3]、滑牙[4]、松動[5]、無法正常擰緊[6]等失效模式。

緊固件裝配方法主要有扭矩法擰緊、扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊和屈服點法擰緊。螺紋緊固件裝配的扭矩和角度是影響質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。為了保證螺紋連接質(zhì)量，在螺紋緊固件的裝配過程中，需要對扭矩和角度進行監(jiān)控[7]。合理地設(shè)置裝配的扭矩和監(jiān)控窗口角度，可以有效識別裝配過程的異常問題[8]。當監(jiān)控窗口出現(xiàn)報警時，需要對問題進行排查分析[9]，如果因零件質(zhì)量不合格或裝配過程異常導(dǎo)致報警，需要對零件和裝配過程進行整改。如果零件和裝配過程正常，應(yīng)合理的調(diào)整監(jiān)控窗口。因此，設(shè)置監(jiān)控窗口是控制并保證裝配質(zhì)量的重要手段[10-11]。保證螺紋連接點裝配質(zhì)量，一方面是通過在裝配的終緊階段設(shè)置扭矩和角度監(jiān)控窗口，當裝配曲線的扭矩和角度超出監(jiān)控窗口時報警，可以有效識別裝配中的過程問題、零件問題等；另一方面是通過殘余扭矩的檢測，識別螺紋連接中的扭矩衰減。殘余扭矩的檢測方法有再擰緊法、檢測扭矩法、剩余扭矩法、擰松法和超聲波測量法，目前應(yīng)用較廣泛的是再擰緊扭矩法，該方法是在擰緊螺栓上進一步擰緊較小的角度獲得螺栓開始發(fā)生轉(zhuǎn)動的扭矩（螺栓從靜摩擦到動摩擦的轉(zhuǎn)化點），擰緊角度一般為10°～15°，無需破壞連接副，操作便利。

本文從螺栓摩擦因數(shù)、螺栓硬度、螺栓結(jié)構(gòu)、被連接件硬度等維度，測試和分析導(dǎo)致鋁合金襯套螺紋連接裝配曲線報警的原因，并通過模擬裝配試驗和整車路試評估連接點的風險。

2 問題描述

某車型副車架鋁合金襯套與車身連接的螺栓在裝配時，部分連接螺栓最終裝配扭矩超過監(jiān)控窗口上限報警（裝配工藝為扭矩轉(zhuǎn)角法：150 N·m+180°，最終扭矩監(jiān)控范圍：186～380 N·m）。

該螺栓基本信息如下：螺紋大徑為M14，螺距為1.5 mm，長度為63 mm，等級為10.9級，表面處理采用鋅鋁涂覆加潤滑，摩擦因數(shù)控制范圍為0.08～0.16。如圖1所示，該螺栓為法蘭組合螺栓，螺栓頭下防滑齒和墊片防滑齒為防松設(shè)計，其原理是墊片防滑齒嵌入被連接件鋁合金，螺栓頭下與墊片發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦。

圖2所示為車間裝配扭矩-轉(zhuǎn)角曲線，其中圖2a為裝配報警的擰緊曲線，擰緊至150 N·m后再轉(zhuǎn)動124°即達到監(jiān)控扭矩的上限380 N·m，因此被判定為不合格曲線。參考裝配曲線的變化趨勢作延長線，該螺栓擰緊至150 N·m+180°的最終扭矩可達480 N·m。圖2b所示為裝配合格的擰緊曲線，螺栓擰緊至150 N·m+180°的最終扭矩為244 N·m，扭矩值在監(jiān)控范圍186～380 N·m之間。

3 測試分析

3.1 宏觀分析

觀察墊片在螺栓裝配時產(chǎn)生的受力痕跡，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)裝配報警的螺栓頭部接觸面均為壓痕，而與副車架接觸面存在磨痕，且磨損嚴重，說明裝配時螺栓頭部下端面的防滑齒嵌入墊片中，帶動墊片跟轉(zhuǎn)，相對轉(zhuǎn)動發(fā)生在墊片與鋁合金襯套間。

如圖3b所示，對于裝配正常的螺栓，墊片與螺栓頭部接觸的面存在磨痕，墊片與副車架接觸的面存在壓痕，說明裝配時墊片的防滑齒嵌入鋁合金襯套中，相對轉(zhuǎn)動發(fā)生在螺栓與墊片之間。

3.2 摩擦因數(shù)計算分析

相比墊片不跟轉(zhuǎn)，當墊片發(fā)生跟轉(zhuǎn)時，具有更大的有效支撐面摩擦直徑[Dkm]。而且墊片的潤滑涂層被磨損時，使得頭部摩擦因數(shù)增大，頭部消耗扭矩增加，導(dǎo)致總扭矩超過監(jiān)控窗口上限。

總摩擦系數(shù)為：

[μtot=MA/FV-0.159?P0.577?d2+0.5?Dkm] （1）

式中：[MA]為擰緊扭矩，[FV]為夾緊力，[P]為螺距，[d2]為螺紋中徑。

由圖2和式（1）估算出2種狀態(tài)下的摩擦因數(shù)如表1所示，其中總摩擦因數(shù)標準值為0.08～0.16。

裝配不合格曲線的終緊總扭矩為480 N·m，該數(shù)值為按原裝配曲線趨勢的估計結(jié)果。

根據(jù)表1，可以估算出裝配不合格螺栓的摩擦因數(shù)為0.17～0.21，超出標準值0.08～0.16的要求。裝配合格螺栓的摩擦因數(shù)為0.09～0.12，滿足標準的要求。

3.3 墊片跟轉(zhuǎn)分析

螺栓墊片跟轉(zhuǎn)可能的原因為：墊片防滑齒的高度較低；硬度過低導(dǎo)致防滑齒難以嵌入鋁合金襯套中防止跟轉(zhuǎn)。

3.3.1 墊片防滑齒高度

如圖4所示，采用三豐精密量儀器（上海）有限公司的SV-C3100型輪廓儀進行墊片內(nèi)圈和外圈防滑齒高度測試。測試結(jié)果如表2所示，內(nèi)圈高度滿足設(shè)計要求，外圈高度低于標準值要求，但裝配合格螺栓的防滑齒高度也存在低于標準值的情況，因此，防滑齒高度不足并非墊片跟轉(zhuǎn)的主要原因。

3.3.2 零件硬度

按照設(shè)計要求，螺栓和墊片的硬度相當，副車架鋁襯套的硬度較低。所以裝配時墊片的防滑齒可以嵌入副車架鋁合金襯套內(nèi)，防止墊片跟轉(zhuǎn)，連接情況如圖5所示。

采用 Wilson UH750 型萬能硬度機進行零件硬度測試，測試結(jié)果如表3所示。實測螺栓和副車架的鋁合金襯套硬度均合格，裝配未出現(xiàn)報警的螺栓墊片硬度合格，而裝配出現(xiàn)報警的螺栓墊片硬度低于標準值，墊片的硬度明顯低于螺栓硬度。因此，在裝配時螺栓頭下的防滑齒先嵌入墊片，最終帶動墊片跟轉(zhuǎn)。墊片的硬度低是導(dǎo)致裝配扭矩超監(jiān)控窗口報警的主要原因。

3.4 墊片硬度低原因分析

采用蔡司Axiovert 200MAT型顯微鏡對裝配報警和未報警的螺栓墊片進行金相測試。測試結(jié)果如圖6所示，硬度較低的墊片熱處理不充分，組織中仍有較多的鐵素體，該組織為熱處理后的非正常組織。硬度合格的墊片金相組織為回火索氏體，該組織為熱處理后的正常組織。

為判斷墊片熱處理不充分的原因，螺栓制造商調(diào)取了該批次生產(chǎn)過程監(jiān)控錄像，發(fā)現(xiàn)該批次墊片違規(guī)中途加料，堆料過高，使墊片在熱處理中未充分熱透，最終導(dǎo)致墊片組織不正常，硬度偏低。

3.5 分析過程

問題分析導(dǎo)圖如圖7所示，部分墊片未熱透，硬度則較低，在裝配過程中，螺栓的頭下防滑齒嵌入墊片，而墊片的防滑齒無法嵌入鋁合金襯套。因此墊片在裝配過程中跟轉(zhuǎn)，導(dǎo)致螺栓有效支撐面直徑和頭部摩擦因數(shù)增大，并最終導(dǎo)致頭部扭矩和總扭矩增加，扭矩超上限報警。

4 風險評估和措施

（a）由于擰緊槍監(jiān)控設(shè)備設(shè)置了扭矩和角度監(jiān)控窗口，可以有效識別異常的裝配零件，因此總體風險可控。

（b）實驗室采用了偏軟的墊片（硬度165～185 HV10）進行模擬裝配測試，擰緊至工藝扭矩150 N·m+180°，未發(fā)現(xiàn)墊片有明顯的彎曲變形。

（c）使用偏軟墊片（硬度165～185 HV10）的螺栓裝配至實車上，共2臺。經(jīng)過10 000 km道路試驗后螺栓未出現(xiàn)松動，殘余扭矩（通過再擰緊扭矩法測試）均大于預(yù)緊扭矩的80%。詳細測試結(jié)果如表4所示，扭矩衰減比例低。

以上分析和驗證結(jié)果表明，采用該批次螺栓墊片的風險較低。

為避免問題再次發(fā)生，一方面應(yīng)加強員工作業(yè)標準化的培訓(xùn)；另一方面應(yīng)在熱處理爐口增加紅外線限高感應(yīng)器連接設(shè)備報警系統(tǒng)，防止堆料過高。

5 結(jié)論

a.鋁合金襯套螺栓裝配（擰緊工藝為150 N·m+180°）出現(xiàn)扭矩超過監(jiān)控窗口（186～380 N·m）報警的原因為螺栓頭下防滑齒嵌入墊片，裝配正常螺栓為墊片防滑齒嵌入鋁合金襯套。螺栓頭下防滑齒嵌入墊片會帶動墊片發(fā)生跟轉(zhuǎn)，導(dǎo)致螺栓頭部摩擦直徑增大、摩擦因數(shù)增加和裝配扭矩增加，最終導(dǎo)致終扭矩超監(jiān)控窗口上限報警。

b.螺栓頭下防滑齒嵌入墊片為異常過程，導(dǎo)致的原因為墊片硬度不足，組織中仍有較多的鐵素體。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于墊片堆料過高導(dǎo)致熱處理不充分，螺栓墊片出現(xiàn)非正常金相組織。

c.通過整車路試評估，裝配硬度偏軟墊片的螺紋連接位置殘余扭矩均大于預(yù)緊扭矩的80%，螺栓未出現(xiàn)松動；通過模擬裝配分析，扭矩衰減比例為7.3%～12.9%；總體評估裝配該批次螺栓墊片的風險較低。

綜上，本文通過對螺紋連接裝配曲線的報警分析，找出了導(dǎo)致擰緊失效的根本原因，通過整車路試評估了連接位置松動的風險。

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