 螺纹副联接是汽车、内燃机、压缩机等众多机械行业裝配作业所广泛采用的一种方法，为确保装配的质量，必须对螺纹副的拧紧状态予以控制。  01 拧紧工艺的介绍及选择 现今用于控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法，扭矩-转角法，屈服点法及螺栓伸长法等四种。其中，螺栓伸长法虽然最为准确可靠，但由于难以在实际的装配机械上实现,故至今尚未用于生产。 相比之下，扭矩法因简单易行，长期以来一直是螺纹副装配中最常用的方法。但随着对装配质量要求的不断提高，扭矩法的不足也越来越多地暴露出来。 因此，近十年来，重要场合下螺栓联接所采用的拧紧工艺基本由扭矩-转角法所取代，大大提高了产品的装配质量。 02 拧紧工艺理论开发 事实上，扭矩-转角法主要通过将螺栓拉长在超弹性极限，达到屈服点，以实现既充分利用材料强度，又完成了髙精度拧紧控制的目的。以轿车发动机为例，在现代汽车厂的发动机裝配线上，关键键螺栓联接，如主轴承盖、缸盖、机油滤清器支架、曲轴轴头等的拧紧工艺都为扭矩-转角法。 其中以连杆螺栓为例，连杆螺栓初始轴向预紧力设计为23kN min，螺栓为磷化全螺纹螺栓。 为了研究夹紧力的变化，通过实验测得该螺栓的拧紧扭矩和螺栓旋转角度的关系曲线，如图2所示。 图2螺栓扭矩和转角关系曲线 根据图2该螺栓实测的扭矩和螺栓旋转角度的关系曲线，以及转角法拧紧工艺的控制原则，即将螺栓拧紧拉伸进入屈服阶段，制定了3种扭紧方案，具体见表1: 通过扭紧试验，3种方案均满足理论计算时要求的23kN,按方案1、方案2扭紧工艺安装的螺栓均进入屈服状态，单个螺栓产生的夹持力28kN-30kN之间，按方案2扭紧工艺下扭紧安装的螺栓在屈服点附近，单个产生夹持力为25kN-27kN，3种方案夹持力对比见图3,伸长量对比曲线见图4。 螺栓的轴向预紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，方案3轴向力小于方案1、方案2，且该方案扭紧的螺栓在就屈服点附近，存在一定的不稳定因素，所以方案3放弃。 并根据这一原则优先选择方案1，但根据螺栓拧紧试验绘制曲线，见图5。方案1:18N.m 90°螺栓的预紧力在29.25-30.175KN之间，螺栓在该预紧力的作用下存在一定的过屈服风险。为进一步验证该风险，使用方案1的拧紧参数装配，进行发动机台架及整车耐久试验。 03 耐久试验验证验证分析 搭载采用方案1装配的连杆，进行整车及台架耐久试验，经过多轮耐久试验，出现3台车辆实验时发动机前段异响，检查发现连杆断裂，其中断裂螺栓见图6。 搭载采用方案2装配的连杆，进行整车及台架耐久试验，经过多轮耐久试验，未出现发动机异响等问题。 首先对未断裂螺栓本体质量进行检查，硬度、金相组织和化学成分皆符合设计要求。用扫描电镜观察故障件断口，裂纹源位于圆周，呈多源特征，放大后，具有环状疲劳辉纹。 综上，方案1拧紧的螺栓属过载疲劳断裂，由于连杆总成一侧螺栓因工作过程中出现过屈服显现，导致轴向预紧力降低发生蠕变松动，导致该侧螺栓疲劳断裂，进而使另一侧螺栓折断，导致连杆总成失效。 连杆螺栓采用“转角法”拧紧工艺进行拧紧较传统的扭矩法扭紧工艺，能够更加有效的将扭矩转化为稳定的夹持力，保证连杆能够承受复杂的交变载荷冲击。 运用理论计算、螺栓性能试验及台架耐久试验等综合手段，对三种拧紧方案进行优选，最终确定方案2:15Nm 80°满足使用要求。 04 总 结 装配拧紧的实质是通过螺栓的轴向预紧力将两个工件可靠地联接在起，因此，对轴向预紧力的准确控制是保证装配质量的基础。 通过控制拧紧扭矩间接地实施预紧力控制的扭矩法由于受到摩擦系数等多种不确定因素的影响，导致对轴向预紧力控制精度低。此外，出于安全考虑,最大轴向力在设计时一般设在其屈服强度的70%以下，实际值往往只有30%~50%。 轴向预紧力小而分散,必然造成材料利用率低、结构笨拙和可靠性差而扭矩一转角法的实质是控制螺栓的伸长量，在螺栓贴合以后的整个拧紧范围，伸长量始终与转角成正比。 在弹性范围内，轴向预紧力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力，螺栓开始塑性变形后，虽然两者已不再成正比关系，但杆件受拉伸时的力学性能表明，只要保持在一定范围以内，轴向预紧力就能稳定在屈服载荷附近。 高端紧固件智能“智”造千人大会 |
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