高强度自攻螺栓紧固扭矩异常的控制方法

导读

作者：刘雨薇1 ，叶福浩2 ，孙园植1 ，武养卓1 ，王帅1 ( 1 中国矿业大学( 北京) 机电与信息工程学院，北京 100083; 2 华为机器有限公司，东莞 523808)

来源：《现代制造工程》2021年第1期

摘要：针对发动机上的自攻螺栓在拧紧过程中连接件出现黏着磨损问题，结合力学和摩擦学分析，发现过高的拧紧转速 是导致螺纹副发生黏着磨损和连接件紧固失效的主要原因。在拧紧过程中，不同阶段的拧紧转速不同，贴合阶段应采取200 r/min的转速，以降低自攻螺栓攻入过程的发热量，从而消除连接件材料受高温软化而导致的黏着磨损; 在拧紧阶段，应采取较低转速来保证拧紧的精度。结果表明，采用降低拧紧转速和分步拧紧的方法，可以解决连接副的黏着磨损问题，紧固扭矩稳定，满足技术要求。

采用扭矩控制法时，在连接螺栓的弹性变形范围内，夹紧力F与紧固扭矩MA理论上呈线性关系，即: 

MA =MG +MK (1) 

MG =F( 0.16P+0.58d2μG ) (2)

式中: MA为紧固扭矩( 目标扭矩) ; MG为螺纹扭矩; MK为摩擦力矩; F为轴向夹紧力; P为螺纹螺距; d2为螺纹公称直径; μG为螺纹摩擦系数; DK为螺栓头部摩擦圆等效直径; μK为螺栓头部承载区域连接件表面间的摩擦系数。

在连接件和紧固螺栓已经选定，摩擦系数、螺栓与连接件之间的接触压强不变的情况下，轴向夹紧力F与紧固扭矩MA呈线性关系［5-6］，即:

在实际生产中，螺纹紧固扭矩受到多种因素的影响，影响程度需要具体分析。紧固扭矩的异常反映出螺栓轴向夹紧力的异常，这可能会导致紧固连接失效，而拧紧过程对紧固扭矩有很大的影响。本文针对实际生产中出现的紧固扭矩异常问题进行分析，给出了改善方法，并对改善措施进行验证。 

在发动机装配过程中，主油道堵盖和正时前盖通过10.9级高强度镀锌M7×23自攻螺栓紧固连接在一起。其中，正时前盖的材质为铝合金ADC-12，正时前盖上有深度为25mm的盲孔; 主油道堵盖的通孔直径比正时前盖的盲孔直径大，因此，自攻螺栓仅与正时前盖形成摩擦副配合。自攻螺栓的拧紧过程采用扭矩控制法通过电动拧紧工具进行控制，紧固扭矩的工艺要求值为( 25±2.5) N·m，主油道堵盖与正时前盖螺栓连接示意如图1所示，自攻螺栓相关参数如表1所示，电动拧紧工具相关参数如表2所示。

紧固扭矩异常问题改进前，根据数据统计，自攻螺栓紧固连接有11%的概率出现螺纹紧固连接失效。失效形式主要表现为螺栓浮高，即电动拧紧工具已经达到设定扭矩停止后，自攻螺栓未全部旋入正时前盖贴合连接件，2个连接件之间没有形成轴向夹紧力，导致自攻螺栓紧固连接失效。同时，在拧紧结束后，自攻螺栓及其周围的连接件区域温度较高，经过红外温 度计测量，自攻螺栓的温度最高达到112 ℃。松开紧固连接失效的自攻螺栓，在其前端的外螺纹上黏有来自正时前盖的铝合金磨屑，磨屑表面光滑且嵌入螺纹当中，很难分离; 正时前盖上的盲孔被自攻螺栓攻成内螺纹，并且内螺纹牙型不完整，出现与黏着磨损相吻合的破坏; 因此，可以判定，自攻螺栓在拧入连接件的过程中，局部发生了金属黏着磨损［8］，自攻螺栓的黏着磨损磨屑如图2所示。

2．1 螺栓紧固扭矩异常分析 

根据式(1) 可知，自攻螺栓的紧固扭矩等于螺纹扭矩与摩擦力矩之和。由于2个连接件没有贴合形成夹紧力，因此，螺纹扭矩为零，摩擦力矩出现了异常增大的情况。自攻螺栓在攻入正时前盖的过程中，在盲孔上挤压出相应配合的内螺纹，该过程可以看作是2个粗糙表面相互间的摩擦运动。粗糙表面在微观上存在很多微凸体，微凸体的形状、大小以及空间分布 具有随机性。2个粗糙表面相互搓动，在微观表面上，局部会出现远远高于表面平均温度的闪点温度，过高的闪点温度会导致材料软化，造成拉伸强度降低，表面发生裂纹，裂纹进一步扩展形成磨屑，产生严重的黏着磨损［9-10］。在滑动摩擦状态下，接触表面单对微凸体接触的闪点温度的计算公式［11］为:

式中: Tmax为单对微凸体接触的闪点温度; Tave为平均温度; v为相对滑动速度; μ为摩擦系数; E*为复合弹性模量; d为2个微凸体相互接触过程中的最大贯穿 深度［12］; Kc为材料导热系数; k为热扩散率; Ｒ为微凸体半径。 

由图2可知，黏着磨损的磨屑呈光泽状，并且自攻螺栓的温度很高; 因此，可以初步判定，过高的闪点温度导致正时前盖的磨屑发生软化，材料强度降低。 

同时，由于自攻螺栓旋入的速度过快，挤压出的金属碎屑没有及时排出，螺纹与连接件之间的接触压力增大，导致摩擦力矩异常增大。摩擦力做功生热，从而导致摩擦副温度升高。根据式(6) 及文献［11］的结论可知，摩擦副局部的闪点温度与相对摩擦速度的平方根成正比，即:

式中: TK为螺栓拧紧过程中的闪点温度; n为电动拧紧工具的拧紧转速。 

2．2 螺栓紧固拧紧参数优化 

由式(7) 可知，在连接件和自攻螺栓相关参数不变的情况下，为了降低摩擦引起的温升，只需要降低电动拧紧工具的拧紧转速即可; 因此，将电动拧紧工具的拧紧过程分为2个阶段: 第1阶段为贴合阶段; 第2阶段为最终拧紧阶段。由于第2阶段的拧紧转速较低，仅为20r/min，因此，只需降低第1阶段的拧紧转速。经过试验，第1阶段的拧紧转速从600r/min 降至200r/min 后，可以取得较好的降温效果。同时，降低转速也有利于及时排出从盲孔中挤压出的金属碎屑。由式(7) 可得优化前、后闪点温度之间的关系为:

式中: TK0、TK1分别为优化前、优化后的闪点温度; n0、n1 分别为优化前、优化后电动拧紧工具的拧紧转速。 

将上述优化前、优化后的拧紧转速值600和200r/min 代入式(8) ，可得:

由于条件所限，无法精确测量出自攻螺栓和连接件之间的接触压强和局部闪点温度，在相同环境温度的条件下，测量降低拧紧转速后自攻螺栓及连接件周围的温度，自攻螺栓的最高温度降至35℃，基本符合本章以上分析。 

为了平衡装配的节拍时间和紧固连接质量，将拧紧过程分为贴合和拧紧这2个阶段。

1)在贴合阶段，自攻螺栓逐渐挤压旋入，扭矩逐渐增大。一般将电动拧紧工具设定为较高的转速，将终止扭矩设定为目标扭矩的50% ～70%，本文将优化后电动拧紧工具的拧紧转速设定为200r/min，将贴合阶段结束的扭矩阈值设定为目标扭矩( 工艺要求值25N·m) 的60%，即15N·m; 同时，为了识别出贴合阶段的异常状态，在500° ～ 1500°的拧紧角度范围内设置监控扭矩为12N·m。 

2) 在拧紧阶段，将电动拧紧工具的转速降低，扭矩进一步增大，并拧紧到目标扭矩。根据文献［8］的建议，将该阶段的转速设定为10～50r/min 为宜，本文设定优化后的转速为30r/min; 同时，为了识别拧紧过程中的异常状态，设置监控扭矩和角度范围，从贴合阶段的终止扭矩15N·m 增大到目标扭矩25N·m，自攻螺栓的旋入角度在20°～100°之间。

本文采用QS-torque数显扳手按照紧固法来测试螺纹副的扭矩值，QS-torque 数显扳手测试值取旋转3°时的扭矩。自攻螺栓的测试扭矩Ma与目标扭矩MA之间的关系［13］为:

式中: Cmin和Cmax分别为测试扭矩系数的最小值和最大值。 

经过上述优化后的拧紧参数设置如图3所示。

为验证改进效果，按照本文第2章改进后的参数设置进行自攻螺栓紧固试验。参数优化后，典型的紧固过程角度-扭矩关系曲线如图4所示。由图4可知，在贴合阶段，紧固扭矩稳步增大，无跳变，在500° ～ 1500°范围内小于12N·m 的监控扭矩( 见图4a) ; 在拧紧阶段，紧固扭矩基本呈线性快速增大，在65°范围内从贴合阶段终止扭矩15N·m 增大到目标扭矩25N·m( 见图 4b) ，在设置的20° ～ 100°的监控角度范围内。

根据VDI 2230—2003中所推荐的评定自攻螺栓拧紧质量的推荐值，测试扭矩系数的推荐值范围为0.85～1.30 ［14］。根据实际情况，针对本文正时前盖处的连接情况，选取测试扭矩系数取值范围为 0.90 ～ 1.30，由式(10) 并结合目标扭矩值可计算得出测试扭矩的合格范围为 22.5～32.5N·m。 

拧紧参数优化前、后，分别连续测量25组自攻螺栓的测试扭矩，并进行对比，如图5所示。从图5中可以看出，参数优化前，所测25组自攻螺栓测试扭矩值的均值x0 = 18.8N·m，标准差σ0 = 0.66，各组测试扭矩值均低于22.5 ～ 32.5 N·m 合格范围的下限( 见图5a) ; 参数优化后，所测25组自攻螺栓测试扭矩值均处于22.5 ～ 32.5N·m 的合格范围之内，其相应的均值x1= 24.9 N·m，标准差σ1 = 0.58，并且扭矩数据分布稳定，离散程度小( 见图 5b)。

从最终的试验结果中可知，拧紧参数优化后，没有出现螺栓浮高现象; 拧紧结束后，螺栓边缘连接件的温度为35℃，接近室温，且测试扭矩稳定，解决了紧固扭矩异常的问题，满足产品技术要求，取得了预期的结果。 

本文对自攻螺栓的紧固连接失效问题进行了力学和摩擦学分析，得出电动拧紧工具的转速过高是导致紧固连接失效的主要因素。从提高稳定性的角度出发，将拧紧过程划分为贴合阶段和拧紧阶段，在贴合阶段电动拧紧工具采用200r/min 的转速，结束的扭矩阈值设置为最终工艺扭矩的60%; 在拧紧阶段电动拧紧工具采用30r/min 的转速。通过阶段划分和拧紧转速调整，解决了紧固扭矩异常问题，取得了预期效果。

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