螺栓擰緊失效原因與控制方法

石偉濤，卞慶廣，滕傳勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

螺栓連接在工業生產以及生活中隨處可見，因其裝配簡單、拆卸方便、效率高、成本低而被廣泛采用，通過螺栓擰緊可以使零部件組合起來，達到設計所想要的功能，在此過程中，螺栓擰緊的控制技術是很關鍵的，它是提高生產效率、降低成本的重要控制過程，也是保證零件在設計壽命內功能不失效的重要因素。

目前關于螺栓擰緊失效原因和控制方法大多基于理論分析，如《基于螺栓裝配技術中扭矩法/轉角法比較應用研究》，一文著重研究了扭矩法和轉角法的區別，《螺紋聯接及擰緊技術》、《螺栓擰緊控制方法及預緊力控制》著重講述了擰緊控制的技術。而實際面臨問題比較復雜，如何針對螺栓擰緊失效模式選擇有效的控制方法非常重要，本文基于發動機裝配過程中出現的一些螺栓擰緊失效原因，來闡述相關的控制方法，以供同行業參考。

1 螺栓擰緊原理概述

根據螺栓擰緊的過程以及力學原理，螺栓擰緊的力學公式如下[1，2]：

式中：T為力矩；F為夾緊力；L為力臂長。

另外，螺栓的擰緊規律遵從50-40-10規則，如圖1所示：

圖1 螺栓擰緊過程扭矩分配圖

從圖1中可以看出，90%的扭矩用于克服摩擦力，常說的螺栓擰緊是否牢固，也即是我們要獲得的一個重要參數，就是夾緊力F.因此在實際生產中，如何選擇擰緊工具、減小摩擦系數以及設計多大的扭矩來擰緊螺栓至關重要。

2 螺栓擰緊工具選擇

螺栓擰緊工具的選擇遵循以下幾點[3]：

（1）工藝要求精度。目前擰緊工具有兩大類：一類是氣動擰緊；另一類是電動擰緊，前者精度較后者精度低，發動機螺栓擰緊多用電動擰緊。

（2）被連接件安全等級。螺栓連接時，要確保夾緊力要高于外部載荷，必須具備一定的安全余量，螺栓安全余量的影響受連接副振動條件、摩擦力變化、擰緊精度、連接件尺寸變化的影響，一般可選的安全余量與擰緊精度與材料的等級有關。

（3）產品材料特性。取決于連接以及被連接對象是什么材料，一般跟材料的延展性有關，根據夾緊力的測量原理可知，材料的延展性越好，獲得的夾緊力也越大。

（4）空間要求。如發動機螺栓擰緊的電動擰緊工具有手持式和自動擰緊兩種，手持式相對自動擰緊工具便宜，發動機裝配工藝中，根據不同工位的安裝方式以及人機工程，手持式一般用于空間小，螺栓數少的工位，自動擰緊一般需要空間大，螺栓數多的工位。

（5）連接特性。分兩類:一類是軟連接，擰緊到達貼合點后，還需要繼續旋轉2圈以上才能到達目標扭矩值。另一類是硬連接，擰緊到達貼合點后，旋轉30度以內達到目標扭矩值，注：貼合點一般為目標扭矩的10%.

（6）生產效率等。效率的體現就是工具故障率以及合格率的表現，擰緊工具故障率低，合格率高，則生產效率就高，一般需要根據產品設計值以及所要監控的方法來選取，選取完后做相應的MSA（測量系統分析）分析（獲取數據，進行6西格瑪分析，取Cp≥2.0，Cpk≥ 1.67的工具），最終確定該擰緊工具是否合格生產效率的要求。

3 螺栓擰緊失效模式及原因分析

在實際生產中，經常遇到的螺栓擰緊失效模式歸納起來有以下幾點[1，2，4]：

（1）漏擰螺栓或者螺栓未擰緊貼合——螺栓漏擰主要是擰緊工具沒有認準螺帽，表現為擰緊位置變異，或擰緊套筒（軸）尺寸有偏差，或螺栓制造不符合要求；螺栓未擰緊貼合主要是指在擰緊槍（軸）按指定程序運行，只完成了其中某一步程序后，程序自動判別不合格報警，導致螺栓擰緊不到位，一般擰緊的控制方法有三種控制方法：扭矩控制法、角度控制法、時間控制法，這三種方法在擰緊程序中相互制控，因此，只要其中一種控制因子沒有達到條件，程序就會自動識別判斷為不合格，在實際生產中，這三種控制因子的設定要遵循一定量的數據分析來設定。

（2）擰壞螺栓——常見的擰壞螺栓表現為螺栓滑牙、扭斷。螺栓滑牙主要原因是擰緊擰緊扭矩達不到程序設定扭矩要求，導致過度擰緊導致；螺栓擰斷主要原因是螺栓安裝不正常，或螺栓本身強度不達標，達不到程序設定的扭矩要求就斷掉，在實際生產中，該失效風險并不高，偶爾有個別螺栓由于混入不合格物料造成。

（3）擰緊扭矩不對——常見表現為扭矩過低或過高，過低通常發生在擰緊的過程中，主要原因有擰緊時間不夠，或擰緊槍（軸）與螺栓的相對位置不對，或擰緊槍（軸）磨損，或螺栓與螺栓孔的配合不好；過高通常發生在擰緊程序終了的時候，也即是擰緊完成后，程序設定的終扭矩判斷時，表現為扭矩過載，多半是擰緊扭矩判斷條件設定不合理造成。

（4）擰緊角度不對——多用于監控擰緊扭矩異常時設定角度監控，一般放在程序的中間步和終扭矩步，用以控制螺栓不被擰壞。一般基于生產數據來設定，因此，為了保證角度監控的合理性，需要定期根據生產數據進行6西格瑪分析來優化角度監控范圍。

4 螺栓擰緊控制方法[4，5]

常見的螺栓擰緊控制方法有以下幾種：扭矩控制法、扭矩控制角度監控法、彈性區域內扭矩——轉角控制法、塑性區域內扭矩——轉角控制法、屈服極限控制法。

扭矩控制法適用于比較簡單的擰緊控制，常用的有手動定扭矩擰緊，返修時用的較多，其擰緊原理是擰緊扭矩大小與軸向預緊力存在一定的關系，通過將擰緊工具設定為一個具體的擰緊值來控制連接件的夾緊力。在前述的擰緊原理中，有90%的扭矩在克服摩擦力，僅10%來產生預緊力，加上外界因素的不穩定，因此，該方法，精度較低，容易出現螺栓未擰緊到位就達到目標扭矩的問題，使用時一定要做好靜態扭矩抽檢。

扭矩角度控制法是在扭矩控制法上增加了控制條件，一般從目標扭矩的50%開始監控，只到擰緊完成，因此在生產中得到廣發應用，精度也較高。

彈性區域內扭矩——轉角控制法，是將螺栓擰緊到彈性變形區域，在轉一定角度，通過控制螺栓伸長量來獲得想要的擰緊扭矩。因此扭矩控制法、扭矩控制角度監控法和彈性區域內扭矩——轉角控制法屬于彈性擰緊，塑性區域內扭矩——轉角控制法、屈服極限控制法屬于塑性擰緊，此兩種方法是基于螺栓擰緊的旋轉角度與螺栓的伸長量和被擰緊件松動量的總和大致成比例關系，即將螺栓擰緊拉伸到接近螺栓屈服點，然后旋轉一定的角度，將螺栓拉伸到塑性區域。這樣雖然克服了同樣的摩擦力，但最大限度的利用了材料的利用率，獲得了想要的夾緊力。后續三種方法對螺栓的性能及結構設計要求較高，控制難度較大，擰緊工具也比較貴。在生產中，基于成本，選擇彈性擰緊的方法較多，本文著重細述彈性擰緊控制法是如何解決生產實際問題。

5 案例應用

以某企業發動機擰緊為例，來說明上述擰緊失效以及所采用的擰緊控制方法。

案例1：缸蓋絲堵漏擰以及未擰緊到位問題，某企業缸蓋絲堵采用人工預擰，設備自動擰緊的方式安裝絲堵，前期設備運行穩定，出現問題較少，后期設備性能下降，絲堵在擰緊的過程中經常出現漏擰以及未未擰緊到位的問題。經檢查確認人員操作、設備硬件、環境變化均無問題。為解決此問題，只能從擰緊程序上優化，其擰緊程序如表1所示：

表1 絲堵優化前擰緊程序

從表1中，絲堵擰緊采用的是扭矩控制法，很難看出擰緊步驟中有不完善的地方，實際觀察擰緊過程發現，擰緊絲堵的擰緊頭是成自然下垂狀態，每次擰緊絲堵時，進入絲堵的內六角位置不一樣，若出現擰緊頭頂在絲堵的倒角上時，就會出現漏擰，或者擰緊不到位的問題，觀察發現擰緊軸都是以一個方向轉動來擰緊的，因此，通過驗證，假設程序優化前為正向認帽，則在正向認帽之后增加一步反向認帽，以保證擰緊頭能夠順利進入絲堵內六角底部，該方法通過一個月的驗證，切實有效，不認帽問題得到徹底解決。優化后程序如表2所示，采用扭矩加角度共同控制的方法：

表2 絲堵優化后擰緊程序

案例2：扭滑牙或扭斷螺栓問題，某企業發動機缸體缸蓋連接螺栓斷裂在孔中，檢查該工件的擰緊扭矩和角度都合格，工藝要求22±2（N·m）&82°±2°.采用的是扭矩和角度控制法，程序如表3；排查5萬臺發動機數據，發現正常情況下最大終扭矩在50 N·m~70 N·m之間，而該斷裂螺栓的終扭矩只有35.6 N·m，調出該螺栓的擰緊曲線如圖2所示。

表3 缸體缸蓋連接螺栓擰緊程序（優化前）

圖2 螺栓斷裂擰緊曲線圖

結合表3和圖2，可以發現螺栓預緊過程扭力有一次突變，反松1 440°時扭矩達到41 N·m，螺栓卡死在螺紋孔中，再次擰緊過程中造成螺栓斷裂，為此，可以將擰緊程序優化如表4所示。

表4 缸體缸蓋連接螺栓擰緊程序（優化后）

增加第一步擰緊4 500°，擰緊過程中扭矩超過5 N·m擰緊立即停止，防止螺紋副中存在雜質卡死螺紋；在反轉1 440°時增加限制條件，扭矩超過30 N·m擰緊立即停止，防止螺紋斷裂在缸體螺紋孔中，最后一步角度檢查增加扭矩50 N·m～80 N·m監控。

綜合以上案例分析（其他失效模式不在此熬述），螺栓擰緊失效的問題要最大限度的結合實際問題進行擰緊程序的完善。

6 總結

基于螺栓的擰緊原理，從六個方面闡述了擰緊工具的選擇方法，為螺栓擰緊工具的選擇提供了參考依據；結合實際的問題分析，詳述了螺栓擰緊過程中失效模式以及發生原因和對應的控制方法，其中著重詳述了幾種控制方法的區別及應用范圍。最后通過案例分析，講述了如何使用擰緊控制方法有效解決生產問題，以此供同行業參考。