張少甫 魯家豹 金俠

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

緊固件聯(lián)接是因其連接可靠、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在汽車零部件間的裝配。但在實際生產(chǎn)、制造和裝配過程中，各種異常因素會導(dǎo)致緊固件出現(xiàn)斷裂[1-4]、松動[5-7]、裝配滑牙[8]等失效。

塑料自攻螺釘是緊固件的1 種，其主要是應(yīng)用于各種塑料間的連接，如PA6-GF（尼龍6 塑膠原料加玻纖材料）、PBT-GF（聚對苯二甲酸丁二酯塑膠原料加玻纖）材料、POM-GF（聚甲醛塑膠原料加玻纖）材料等間的連接，其在實現(xiàn)聯(lián)接過程中是先在被連接件不預(yù)制螺紋的前提下，通過自攻螺釘在預(yù)制孔上鉆出螺紋孔，再實現(xiàn)擰緊的過程。為更好的攻入塑料和確保連接的可靠，塑料自攻螺釘?shù)难佬徒菫?0°，而非米制螺紋的60°牙型角。自攻螺釘?shù)牟馁|(zhì)硬度可達(dá)到10.9 級螺栓，為320～370 HV10，而相比螺釘，被連接的塑料強(qiáng)度較低。因此，塑料自攻螺釘擰緊失效常見有被連接件塑料出現(xiàn)開裂、被連接件零件不貼合和滑牙等失效[9-10]。有研究對影響自攻螺釘擰緊的失效因素進(jìn)行相對較詳細(xì)的論述[11]，但并深入考察過含水率的對尼龍吸水性材料擰緊扭矩的影響。

本文將深入研究含水率對擰緊扭矩的影響以及如何通過擰緊曲線的參數(shù)來重新設(shè)計擰緊扭矩。

2 概述

2.1 汽車緊固件擰緊工藝

目前主流的擰緊工藝主要分3 種。一是AD18擰緊法，該工藝采用的是扭矩法，擰緊點(diǎn)不過屈服，一般用于塑料自攻螺釘或者擰緊點(diǎn)對夾緊力精度要求不高的連接；二是AW11 擰緊方法，該擰緊方法為過屈服的角度擰緊方法，該類連接一般用于擰緊較少拆卸、連接的夾緊力精度和可靠性要求高的情況，螺栓利用率此時達(dá)到了100%；三是AW12 擰緊方法，該擰緊工藝采用轉(zhuǎn)角法，擰緊的螺栓最終不過屈服點(diǎn)，該類連接一般用于零件需經(jīng)常拆卸，螺栓需要重復(fù)使用和夾緊力要求相關(guān)較高的連接。AW12相對于AD18，擰緊過程中的螺栓利用率更高。

2.2 擰緊等級分類

根據(jù)VDI 2862 對擰緊點(diǎn)的等級進(jìn)行分類，主要為3 類，KAT A、KAT B 和KAT C。KAT A 的擰緊點(diǎn)等級最高，該類擰緊點(diǎn)均涉及人身安全，如發(fā)動機(jī)、底盤等重要連接點(diǎn)的位置，KAT B 的擰緊等級次之，該類擰緊點(diǎn)的缺陷會導(dǎo)致汽車故障等問題。如電器件、部分發(fā)動機(jī)件和車身件。KAT C 的擰緊等級要求最低，該類擰緊點(diǎn)的缺陷會導(dǎo)致用戶的抱怨，如內(nèi)飾零件的擰緊。

3 問題描述

零件裝配如圖1a 所示，將某發(fā)動機(jī)1 號零件精油通風(fēng)管通過自攻螺釘擰緊在2 號零件精油分離器上，零件的裝配工藝為AD18 4 N·m。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)按照AD18 4 N·m 擰緊自攻螺釘無法擰緊到底，如圖1b 所示，1#位置的間隙會較大。其中被連接件精油分離器材料為PA6GF30（尼龍6 塑料原料加30%玻纖），連接螺釘為自攻螺釘，型號TP6×22（螺紋的公稱直徑是6 mm）。

圖1 實物零件的裝配和失效位置

因為該位置的缺陷會導(dǎo)致功能失效，擰緊點(diǎn)需要按照KAT B 的擰緊要求控制，擰緊過程中需有擰緊曲線監(jiān)控。通過對發(fā)動機(jī)現(xiàn)場的擰緊曲線進(jìn)行調(diào)研，得到緊曲線如圖2 所示，圖2a 的曲線的貼合扭矩為2.5 N·m，圖2b 曲線的貼合扭矩為4.5 N·m。貼合扭矩差異很大，貼合扭矩為有效擰緊（產(chǎn)生夾緊力）的起始位置，表現(xiàn)在曲線上就是扭矩隨角度變化線性段的最低點(diǎn)，在該點(diǎn)之前，螺釘?shù)呐ぞ叵脑谠谒芰仙瞎ヂ菁y或克服間隙，無法有效產(chǎn)生夾緊力。

圖2 車間擰緊曲線

2 根擰緊曲線貼合扭矩不同也反應(yīng)了零件處于2 種不同的狀態(tài)。當(dāng)部分零件貼合扭矩為2.5 N·m 時，按照AD18 4 N·m 擰緊，自攻螺釘可擰緊到底，而當(dāng)部分零件的貼合扭矩為4.5 N·m，按照AD18 4 N·m 無法將自攻螺釘擰緊到底。零件間的貼合扭矩差異原因以及為保證擰緊效果采用的扭矩大小分析如下。

4 測試分析

4.1 影響因素分析

通過人、機(jī)、料、法、環(huán)多方面因素分析和排除，導(dǎo)致失效的可能的原因為精油分離器的結(jié)構(gòu)、孔徑及PA6GF30 的含水率。因為零件為同一批次，故排除結(jié)構(gòu)對貼合扭矩的影響。

實驗室對同一批次的精油分離器的供貨態(tài)零件的孔徑進(jìn)行了測試，測試的孔徑均滿足圖紙規(guī)定的范圍（4.75±0.1）mm，滿足圖紙要求。以PA6GF30為基材的零件體積會受含水率的影響，含水率越高，材料吸水，孔徑越??；當(dāng)含水率越低時，材料水分蒸發(fā)，孔徑越大。通過溫濕度箱和烘箱對零件的處理，獲得了干態(tài)和高濕態(tài)的零件，干態(tài)的含水率為0.22%～0.36%，孔徑為4.753～4.757 mm。高濕態(tài)零件的含水率為3.23%～3.92%，孔徑為4.813～4.828 mm。

對同一批次2 種狀態(tài)零件進(jìn)行裝配試驗，獲得擰緊至破壞模擬裝配曲線如圖3 所示。測試數(shù)值見表1，當(dāng)含水率為0.22%～0.36%時，貼合扭矩為5.32～5.94 N·m，當(dāng)含水率為3.23%～3.92%時，貼合扭矩為3.17～3.24 N·m。

表1 不同含水率狀態(tài)零件的孔徑和扭距參數(shù)

圖3 模擬裝配測試曲線

當(dāng)其它影響因素是一致時，孔徑越大，擰緊時的貼合扭矩和破壞扭矩越??；孔徑越小，擰緊時的貼合扭矩和破壞扭矩越大。當(dāng)含水率不同時，孔徑較大干態(tài)零件貼合扭矩和破壞扭矩較大，孔徑較小濕態(tài)零件貼合扭矩和破壞扭矩較小，這說明零件的孔徑不是影響扭矩的最重要因素。

4.2 含水率對扭矩的影響

根據(jù)以上測試結(jié)果，排除了被連接件孔徑是影響貼合扭矩和破壞扭矩的主要因素。通過干態(tài)和濕態(tài)扭矩結(jié)果對比，可基本確定含水率是影響扭矩的主要因素。為了進(jìn)一步驗證含水率對扭矩的影響，實驗室通過溫濕度箱和烘箱將零件的含水率分別處理在0～1%、1%～2%、2%～3%、3%～4%之間，零件含水率的調(diào)節(jié)過程如圖4 所示。對調(diào)至不同含水率的零件進(jìn)行模擬裝配試驗，讀取裝配曲線的結(jié)果見表2。貼合扭矩、線性最大扭矩和破壞扭矩隨含水率的增加而減小，隨含水率的減少而增大。貼合扭矩、線性最大扭矩和破壞扭矩隨含水率的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 貼合扭矩、線性最大扭矩和破壞扭矩隨含水率的變化

表2 不同含水率狀態(tài)的線性最大扭矩和破壞扭矩

圖4 塑料件PA6-GF30含水率調(diào)節(jié)過程

4.3 含水率與邵氏硬度D關(guān)系

試驗室也測試了精油通風(fēng)管材料PA6GF30的含水率和硬度的關(guān)系，測試結(jié)果見表3，即含水率越高，塑料的硬度越低，含水率越低，塑料硬度越高。因此可得出以下結(jié)論：當(dāng)含水率越高，貼合扭矩越低，其本質(zhì)的原因是含水率越高，塑料零件的硬度越低，零件更容易被自攻螺釘攻入，貼合扭矩就越低，線性最大扭矩和破壞扭矩也越低。

表3 干態(tài)和濕態(tài)塑料的邵氏硬度D

4.4 最佳工藝扭矩

自攻螺釘?shù)墓に嚺ぞ嘏c零件的貼合扭矩和破壞扭矩相關(guān)。當(dāng)自攻螺釘?shù)墓に嚺ぞ仄r，被連接件無法貼合，有效夾緊力不足；當(dāng)自攻螺釘?shù)墓に嚺ぞ仄髸r，接近被連接件的破壞扭矩，被連接件安全余量不足，易產(chǎn)生塑料的開裂。因此，合適的工藝扭矩對自攻螺釘?shù)臄Q緊至關(guān)重要。

本文對參考擰緊技術(shù)要求對不同含水率狀態(tài)的PA6GF30 的進(jìn)行工藝扭矩計算，經(jīng)驗計算公式見公式（1）。

式中，MA為工藝扭矩；MS為貼合扭矩；MO為破壞扭矩；k為工藝扭矩影響因子，取值為0.3～0.5。

為保證擰緊扭矩便于管理，標(biāo)準(zhǔn)扭矩工藝值推薦為：0.9 N·m、1.5 N·m、2 Nm、2.5 N·m、3 N·m、3.5 N·m、4.5 N·m、6N·m、8 N·m。

獲取含水率為0.08%～3.95%試樣的貼合扭矩破壞扭矩，按照公式（1）進(jìn)行計算，其中分別令公式中的k為0.3 和0.5。工藝扭矩MA計算數(shù)值原則為：MA（k=0.3）≤MA≤MA（k=0.5），MA≤0.6×MO。計算的結(jié)果如表4 所示，綜合考慮被連接件貼合的要求和塑料破壞的安全余量，最佳的工藝扭矩為6 N·m，同時應(yīng)該控制精油分離器的含水率不要過高或過低，建議的含水率狀態(tài)為1.5%～3%。

表4 不同含水率狀態(tài)扭矩計算數(shù)值表

通過將工藝扭矩從4 N·m 提高至6 N·m，車間再無精油分離器無法擰緊到底的抱怨。

5 結(jié)論

a.精油分離器擰不到底的主要原因是擰緊扭矩不足（圖紙定義4 N·m，部分貼合扭矩已>4 N·m）；

b.對于尼龍吸水性材料，擰緊的貼合和破壞扭矩隨零件含水率變化而變化。材料含水率越低，硬度越高，需要的擰緊扭矩越大；

c.參考擰緊技術(shù)要求進(jìn)行計算分析，工藝扭矩的最佳數(shù)值為6 N·m，同時應(yīng)控制精油分離器的含水率不要過高或過低，建議含水率控制范圍為1.5%～3%。通過將工藝扭矩從4 N·m提高至6 N·m，再無自攻螺釘無法擰緊到底的失效。