張衛(wèi)新 唐朋 吳騰豐 雷奎

摘要：標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)企業(yè)缺少對(duì)自攻螺釘攻入困難的根本原因的分析和認(rèn)識(shí)。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際中長(zhǎng)期存在的此類問(wèn)題，以分析自攻釘攻入通孔困難的原因?yàn)檠芯空n題。進(jìn)行充分的原因分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致攻人困難的原因有裝配因素和螺釘本身的因素。對(duì)影響因素做對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)模擬裝配得出不同的扭矩值，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)、配合尺寸是影響自攻釘攻入困難的重要因素，并提出產(chǎn)品表面浸泡比例為1：1的干膜潤(rùn)滑劑、大徑減小的方案，以提高攻入效果;提出增加鉆孔檢測(cè)，測(cè)試攻入扭矩和觀察螺紋磨損程度的方案，以預(yù)防不合格品流出。

關(guān)鍵詞：自攻螺釘;擠壓攻絲;內(nèi)螺紋;攻絲扭矩;振動(dòng)擠壓

中圖分類號(hào)：THl62.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）04-0110-06

張衛(wèi)新

畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料工程專業(yè)，獲得工程碩士學(xué)位。現(xiàn)就職于浙江華遠(yuǎn)汽車零部件有限公司，任質(zhì)量工程師，已發(fā)表論文數(shù)篇。

自攻螺釘，為鋼制經(jīng)表面鍍鋅鈍化的快裝緊固件，多用于薄的金屬板之間的連接。當(dāng)自攻螺釘擰人無(wú)內(nèi)螺紋孔時(shí)，自擠壓形成內(nèi)螺紋。它是一種不需要事先攻內(nèi)螺紋的螺紋緊固件。擠壓力使受壓材料更容易流動(dòng)和擠入自攻螺釘螺紋的牙側(cè)和牙底。因此，自攻螺釘具有較好的擰入控制和緊固扭矩，可以極大地改善連接強(qiáng)度和整體牢固性。

針對(duì)自攻釘攻入困難的問(wèn)題，相關(guān)作者主要描述了裝配扭矩和通孔的影響，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的從產(chǎn)品受力、表處理狀態(tài)、尺寸等影響因素進(jìn)行深入分析，且缺少螺釘攻入困難的相關(guān)研究文獻(xiàn)。對(duì)此，由于自攻螺釘攻入困難現(xiàn)象普遍存在，而防范過(guò)程中產(chǎn)品用量大，影響汽車正常生產(chǎn)節(jié)拍，所以不能一直進(jìn)行防范。作者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際裝配方式，充分分析影響自攻螺釘攻入的相關(guān)影響因素，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，從根本上為企業(yè)提出關(guān)鍵性的預(yù)防措施，可以直接或間接的為企業(yè)節(jié)省數(shù)萬(wàn)元以上運(yùn)營(yíng)成本。

1問(wèn)題描述

2019年10月17日，合肥某汽車座椅公司的裝配人員發(fā)現(xiàn)十字槽自攻螺釘無(wú)法正常攻入座椅滑軌處的鈑金孔，該批次產(chǎn)品不良率占總數(shù)的90%，嚴(yán)重影響正常的裝配節(jié)拍，且該問(wèn)題已被多次投訴?，F(xiàn)場(chǎng)裝配位置如圖1所示。其它件號(hào)的多款自攻釘，也存在裝配困難的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，自攻釘?shù)男阅艹叽缍挤蠄D紙要求。因無(wú)法確定根本影響因素，該問(wèn)題已持續(xù)半年。本文以該批次產(chǎn)品作為研究性課題，對(duì)主要影響因素進(jìn)行深入的分析。產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，圖紙尺寸要求如圖2所示。

宏觀觀察螺紋表面，有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，攻入牙至第三扣牙磨損嚴(yán)重，螺紋磨損情況如圖3所示。

2攻入困難原因分析

自攻釘在攻人通孔過(guò)程中會(huì)受到摩擦力、擠壓力以及外界作用在螺釘上的扭矩力的影響。本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行理論性分析，然后通過(guò)試驗(yàn)判斷出主要的影響因素。

2.1自攻時(shí)受力分析

自攻釘攻入金屬通孔時(shí)，通過(guò)冷擠壓內(nèi)壁，發(fā)生塑性變形后形成內(nèi)螺紋。在旋入的同時(shí)，擠壓力會(huì)導(dǎo)致牙尖表面粘結(jié)、擦傷，增加摩擦阻力。螺紋的摩擦阻力大小受金屬形變壓力和螺紋磨損的粗糙程度影響。摩擦力公式使用式（1）表示：

2.2.2外部因素

螺釘攻入通孔中時(shí)，底孔直徑增大，金屬應(yīng)變量減小，塑性變形流變應(yīng)力減小，扭矩值降低。

設(shè)定扭矩和速度都會(huì)對(duì)螺釘?shù)墓ト胄Чa(chǎn)生影響。王麗華指出，高轉(zhuǎn)速具有高的動(dòng)能，當(dāng)緊固后，極短時(shí)間停下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大于設(shè)定值的扭矩。何偉東等對(duì)設(shè)定扭矩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用指針扳手施加于緊固件一個(gè)緩慢、低轉(zhuǎn)速的扭矩，出現(xiàn)5%的緊固件滑牙，但降低設(shè)定扭矩后，未發(fā)生滑牙，且路試未脫落。

3試驗(yàn)

影響攻人扭矩阻力的宏觀因素有摩擦力、材料變形能力。通過(guò)受力分析和影響因素的研究指出，螺紋中徑、材料硬度、摩擦系數(shù)、牙型角、螺紋升角、通孔直徑、螺紋錐度、設(shè)定扭矩、扭矩速度會(huì)影響螺釘?shù)难b配效果。

本試驗(yàn)選取通孔直徑、螺紋大徑、扭矩設(shè)定值、轉(zhuǎn)速、螺紋錐度、摩擦系數(shù)因素進(jìn)行驗(yàn)證分析。模擬裝配試驗(yàn)使用德國(guó)Zwiek螺紋緊固分析系統(tǒng)，設(shè)備型號(hào)為5413-2777/03。

3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從影響扭矩的內(nèi)部因素和外部因素考慮，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下：

為分析轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸對(duì)裝配扭矩值的影響，使用Q420鈑金件，硬度175HV，厚度2mm，鉆孔φ4.1、φ4.2、φ4.3mm，參數(shù)設(shè)定1N·m、2N·m、3N·m扭矩分別配合100rpm、300rpm轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

為分析摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度對(duì)裝配扭矩值的影響，使用孔徑φ4.2mm、厚度3mm、硬度300HV的0460鈑金件，參數(shù)3N·m、300rpm的電槍，產(chǎn)品表面經(jīng)過(guò)未拋丸、拋丸、鍍鋅、三價(jià)鉻藍(lán)白鈍化封閉、黑色鈍化DK4122封閉、615干膜潤(rùn)滑狀態(tài)的表處理。表處理設(shè)計(jì)如表3所示，其中，序號(hào)4螺紋錐角為39°，其它試樣為45°。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

選取表3試樣1狀態(tài)的自攻螺釘，設(shè)定表2參數(shù)，螺釘未能攻入，設(shè)定扭矩值5N·m，重新攻入，得到該條件下扭矩值，結(jié)果如表4所示。模擬裝配如圖6所示。表3狀態(tài)的自攻螺釘，模擬裝配結(jié)果如表5所示，螺釘模擬裝配如圖7所示，客戶現(xiàn)場(chǎng)裝配結(jié)果如表6所示，現(xiàn)場(chǎng)使用設(shè)定4N·m的氣動(dòng)扭矩槍。

3.3結(jié)果分析

3.3.1裝配因素

試驗(yàn)中通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸3個(gè)因素的水平，得出不同的裝配扭矩值。頭部滑槍是指在攻入過(guò)程中頭部與槍頭的配合阻力小于螺釘?shù)墓ト胱枇Γ斐蓸岊^從十字槽中跳出。

分析轉(zhuǎn)速因素，由表4知，設(shè)定扭矩5N·m，對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下φ4.1的攻入扭矩值，設(shè)定轉(zhuǎn)速100rpm的攻入扭矩為3.85N·m，設(shè)定轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩為4.25N·m，扭矩值增加0.4N·m;對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下φ4.3的攻入扭矩值，設(shè)定轉(zhuǎn)速100rpm時(shí)，頭部滑槍，設(shè)定轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩為3.08N·m;對(duì)比數(shù)據(jù)，裝配轉(zhuǎn)速100rpm提高至300rpm，攻入螺釘?shù)哪Σ磷枇υ黾?，?dāng)孔徑由φ4.1變?yōu)棣?.3時(shí)，低轉(zhuǎn)速會(huì)影響螺釘?shù)拇怪睂?dǎo)向，增加攻人阻力，造成螺釘頭部滑槍。

分析裝配扭矩因素，扭矩設(shè)定1N·m、2N·m、3N·m，螺釘不能攻人全部試驗(yàn)孔，設(shè)定5N·m，螺釘可攻入通孔，說(shuō)明裝配扭矩的大小會(huì)直接影響螺釘?shù)墓ト胄Ч?/p>

分析配合尺寸因素，φ4.1、φ4.2、φ4.3相同轉(zhuǎn)速300rpm的平均攻入扭矩分別為4.25N·m、滑槍、3，08 N·m;孔徑增加0.2mm，攻入扭矩減少1.17 N·m;孔徑增加0.1mm，攻入阻力增加導(dǎo)致滑槍;說(shuō)明在螺釘與通孔配合垂直的情況下，孔徑的增加才會(huì)降低攻入扭矩值，接觸的第一扣牙不能垂直導(dǎo)向，會(huì)增加攻入阻力。觀察序號(hào)10與12攻入后螺紋表面狀態(tài)，如圖8所示，10號(hào)φ4.1mm的攻入扭矩為4.7 N·m，為最大值，12號(hào)φ4.3ram的攻人扭矩為2.78 N·m，為最小值，10號(hào)比12號(hào)表面磨損嚴(yán)重。

3.3.2產(chǎn)品因素

實(shí)驗(yàn)中研究了摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度的產(chǎn)品因素。按照表3的設(shè)計(jì)得到試樣1-6的螺釘。

分析摩擦系數(shù)的影響，對(duì)比試樣2、試樣3、試樣5，增加1：1和1：3的干膜潤(rùn)滑劑，攻入扭矩由4.07 N·m降低至2.58 N·m和2.83 N·m，增加潤(rùn)滑劑可以降低攻入扭矩值，潤(rùn)滑劑濃度越高攻入扭矩越低，干膜潤(rùn)滑后的螺紋表面磨損狀態(tài)如圖1l所示。對(duì)比試樣3和試樣6，黑色鈍化、DK4122封閉改為三價(jià)鉻藍(lán)白鈍化封閉，攻入扭矩降低0.89 N·m。

分析螺紋大徑的影響，對(duì)比試樣1和試樣3，拋丸后螺紋大徑減小，攻入扭矩降低0.62 N·m，且螺紋磨損程度降低。

分析螺紋末端錐度的影響，由表6的裝配結(jié)果知，試樣2、試樣5、試樣6存在相同的結(jié)果;表中氣槍不斷氣跟轉(zhuǎn)，指設(shè)定4 N·m扭矩后，攻入螺釘?shù)念^部與鈑金貼合，且頭端桿部螺紋短缺，阻力降低，形成與氣槍聯(lián)動(dòng);試樣4與其它試樣對(duì)比分析，螺紋末端錐度由45°減小至39°可以有效提高螺釘攻入率，螺紋末端的角度可以改善與通孔的過(guò)盈程度。

試樣1、試樣3、試樣6螺紋表面狀態(tài)對(duì)比如圖10所示。結(jié)合圖9對(duì)比，螺紋表面磨損程度大，攻入扭矩值大，磨損程度小，攻人扭矩值小。

4小結(jié)

觀察不合格品的表面磨損狀態(tài)，并對(duì)螺釘攻入扭矩大的原因進(jìn)行分析，對(duì)比不同轉(zhuǎn)速、扭矩、配合尺寸、摩擦系數(shù)、螺紋大徑、螺紋錐度對(duì)裝配結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）螺釘表處理狀態(tài)會(huì)影響到摩擦系數(shù)的大小，摩擦系數(shù)是影響攻入扭矩的重要因素，而鍍層表面的粗糙度成為影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵要因;

（2）與螺釘?shù)呐浜峡讖綍?huì)影響攻入扭矩，在螺釘能自然垂直配合孔徑的前提下，孔徑越大，所需要的攻入扭矩值越小;針對(duì)該批次狀態(tài)產(chǎn)品，通過(guò)改變錐形角度，可以改變攻入螺紋的過(guò)盈量，可有效改善攻入扭矩。

（3）針對(duì)該批次不合格產(chǎn)品，返工方式，可以通過(guò)增加產(chǎn)品拋丸，電鍍封閉后使用615干膜潤(rùn)滑劑1：1的比例進(jìn)行潤(rùn)滑，減小產(chǎn)品的攻入扭矩。

（4）螺釘不合格品控制，可通過(guò)鉆板試驗(yàn)，查看攻入扭矩及螺紋表面磨損程度，判斷產(chǎn)品是否合格。攻入扭矩小于裝配扭矩，螺紋表面磨損不超過(guò)一扣牙，產(chǎn)品便可以正常使用。