機(jī)械類產(chǎn)品裝配中,零件與零件之間主要依靠緊固件聯(lián)接。其中螺紋緊固件應(yīng)用最為廣泛,緊固件的性能及聯(lián)接效果直接影響到產(chǎn)品的性能和安全以及使用壽命。緊固件的失效是常見機(jī)械類產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因,因此螺紋緊固件失效模式的潛在原因分析,對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提升有重要的意義。

1 螺紋緊固件常見的失效模式

在我們工作中遇到的螺紋緊固件主要的失效模式看分為:

①裝配擰拉斷裂;

②螺紋受剪切力擰斷;

③應(yīng)力集中部位使用后斷裂;

④疲勞斷裂;

⑤延時(shí)斷裂;

⑥零件扭矩報(bào)警;

⑦螺紋滑牙。

2 常見失效模式的原因分析

2.1 裝配擰拉斷裂

擰拉斷裂特征為斷裂部位明顯縮頸伸長(zhǎng),造成擰拉斷裂的常見原因主要是由于聯(lián)接面摩擦系數(shù)過(guò)小;擰緊或預(yù)緊時(shí)施加的扭矩過(guò)大、施加扭矩時(shí)套筒與螺紋不同軸、施加扭矩時(shí)速度過(guò)快;零件本身的性能強(qiáng)度不夠以及緊固面與螺紋中心線垂直度超差。

2.2 螺紋受剪切力擰斷

受剪切力擰斷的斷口部位一般有螺旋狀,無(wú)明顯縮頸,造成螺紋受剪切力擰斷的常見原因是由于螺紋在擰緊過(guò)程中被卡死,例如:螺紋變形、相互聯(lián)接的牙型不一致、螺紋有焊渣燈情況;螺栓擰進(jìn)的斷面被頂住,如螺母為盲孔的有效螺紋深度不夠。

2.3 應(yīng)力集中部位使用后斷裂

應(yīng)力集中部位使用后斷裂常見表現(xiàn)在螺栓頭部及頭部與螺紋桿過(guò)度的直角部位,造成應(yīng)力集中部位斷裂的常見原因?yàn)轭^部與螺紋桿過(guò)度的直角部位圓角過(guò)小;螺栓冷鐓成型時(shí)在頭部的塑性流線存在缺陷。被聯(lián)接面與螺栓垂直度超差。

2.4 疲勞斷裂

在螺栓連接后使用的過(guò)程中主要的斷裂為疲勞斷裂,造成疲勞斷裂的常見原因有:預(yù)緊力不足;夾緊力衰減過(guò)大;螺栓尺寸、性能不合格;零件之間的相互配合、裝配環(huán)境、使用工況不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 延時(shí)斷裂

延時(shí)斷裂常見原因?yàn)闅浯?氫脆是在生產(chǎn)過(guò)程(如電鍍、焊接)中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫,在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。常見易發(fā)生氫脆的緊固件有:自攻釘/彈性墊圈/8級(jí)以上的經(jīng)過(guò)電鍍表面處理的螺栓。

2.6 零件扭矩報(bào)警

零件扭矩報(bào)警常見發(fā)生在通過(guò)角度法控制扭矩的螺栓裝配過(guò)程中。造成緊固件扭矩報(bào)警失效模式及原因有:在裝配完成后,零件的最終扭矩,高于控制上限或低于控制下限:原因?yàn)榱慵难b配扭矩控制范圍不合理,表現(xiàn)為設(shè)定控制范圍過(guò)小、控制范圍往上或往下偏移,如圖1所示,其中f上、f下為摩擦系數(shù)。

沒(méi)有預(yù)緊到預(yù)設(shè)角度,扭矩達(dá)到上限報(bào)警:原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超上限、零件配合摩擦系數(shù)超上限、零件之間干涉,造成裝配扭矩急劇上升。

正常裝配,扭矩下限報(bào)警:原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超下限或零件配合摩擦系數(shù)超下限,零件擰入時(shí)貼合扭矩大于初始扭矩(也即擰入力矩消耗過(guò)大),常見于鎖緊螺母的擰緊。

2.7 螺紋滑牙

螺紋連接常常出現(xiàn)螺紋滑牙,造成螺紋滑牙的主要原因有螺紋脫碳:常見現(xiàn)象為裝配時(shí)感覺(jué)扭矩加不上,螺栓拆下后,發(fā)現(xiàn)螺紋全部或部分被磨平,以及螺栓螺紋或者螺母孔表面硬度低;內(nèi)外螺紋尺寸配合:相配合的聯(lián)接付接觸面積小,有兩種情況:一是接齒合的螺紋扣數(shù)少,二是螺紋與螺紋不在中徑以內(nèi)接觸(即精度配合不好,螺栓螺紋和螺母的螺紋接觸不夠)。

同時(shí),在裝配方法上如果裝配不對(duì)孔,強(qiáng)擰也會(huì)造成螺紋滑牙;螺紋摩擦系數(shù)過(guò)小:表面涂層、表面粗糙度、表面潤(rùn)滑劑不合理和螺栓螺紋或者螺紋孔有異物,損壞螺紋以及螺栓跟螺母的螺距、角度變異都會(huì)導(dǎo)致螺紋滑牙。

3 緊固件失效案例分析

3.1 案例描述

2015年3~4月某總裝反饋累計(jì)5件某車型后減震器固定螺栓在打扭力時(shí)縮頸、斷裂,如圖2所示,該螺栓使用要求扭矩110+/-15 N.m,設(shè)備設(shè)定值為110 N.m,螺紋規(guī)格為M12×1.75-6h,性能等級(jí)10.9,表面處理按GMW3359。

3.2 擰緊力矩的構(gòu)成

螺旋副的擰緊力矩為螺旋副之間的摩擦阻力矩和螺母環(huán)形面與被聯(lián)接件支承面間的摩擦阻力距之和,計(jì)算如下公式:

T1為螺旋副間的摩擦力矩;T2為螺栓環(huán)形面與支承面之間的摩擦阻力距;

F0為預(yù)緊力;

對(duì)于M10~M64粗牙普通螺紋的鋼質(zhì)螺栓,螺紋升角1°42′-3°2′,螺旋副當(dāng)量摩擦角ψv≈arctan1.155f(f為摩擦系數(shù),無(wú)潤(rùn)滑取0.1~0.2);

d2為螺紋中徑;

d0為螺栓孔直徑,D0為螺母(螺栓)與被聯(lián)接支承面接觸受力的環(huán)形外圓直徑;

fc為螺母(螺栓)與支承面的摩擦系數(shù)。

3.3 分析過(guò)程

外觀檢查:斷裂螺栓頭部支承面有殘留黑色油污,油污來(lái)源為被聯(lián)接件安裝面被粘到油污。

斷裂螺栓尺寸測(cè)量:測(cè)量斷裂螺栓大徑φ10.4 mm(未使用的產(chǎn)品實(shí)測(cè)螺紋大徑為φ11.85 mm符合標(biāo)準(zhǔn)),斷裂螺栓總長(zhǎng)89.8 mm(未使用螺栓實(shí)測(cè)總長(zhǎng)為85.5 mm,規(guī)定85.9 max),零件其它尺寸未發(fā)生異常。

斷裂螺栓扭矩記錄接近中值,未出現(xiàn)偏上差或超差;圖紙硬度要求:32~39 HRC:斷裂螺栓實(shí)測(cè)硬度:36 HRC、35 HRC、36 HRC、36 HRC、37HRC,合格;檢測(cè)斷裂螺栓的金相組織未發(fā)現(xiàn)異常,如圖3所示;抽檢在用的2個(gè)批次各2件零件檢測(cè)抗拉強(qiáng)度,結(jié)果合格。

抽檢在用的2個(gè)批次共3件檢測(cè)摩擦系數(shù):0.13、0.13、0.12,符合圖紙要求0.10~0.16。根據(jù)斷裂螺栓及抽檢螺栓的檢測(cè)結(jié)果,初步判斷螺栓零件符合設(shè)計(jì)要求;結(jié)合螺旋副的擰緊力矩分析,初步判定為由于聯(lián)接面有油污導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低,在同樣裝配扭矩情況下,螺栓承受的軸向力增加,導(dǎo)致螺栓斷裂。把減震器安裝支承面按100%把拭擦干凈再裝配后,該問(wèn)題沒(méi)有再發(fā)生。