淺談M4螺釘緊固力矩與三階互調關系

王普鋼 王大明 杜艷偉

摘 ?要：隨著通信行業從2G、3G到4G，再到未來的5G的發展，通信天線也隨之不斷地更新換代。高速高質量的通信需要高性能的天線來支持，高指標的三階互調天線不僅是未來通信質量和速度的保證，更是代表一個企業和一個公司工藝控制、研發水平甚至企業創造力的重要指標之一;本項目重點研究在通信天線制造過程中最常用最多的連接方式——M4螺釘緊固力矩與三階互調的關系。

關鍵詞：M4螺釘;緊固力矩;通信天線;三階互調

中圖分類號：TN929.5 ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0056-04

Abstract：With the development of communication industry from 2G，3G to 4G，and then to 5G in the future，the development of communications antenna also follow the constantly updated，at the same time，high speed high quality communication need high performance antenna to support，high indicators of third-order intermodulation antenna not only is the guarantee of the future communication quality and speed，but also on behalf of a business a company process control，research and development level and even enterprises an important indicator of creativity;This project focuses on the most commonly used connection mode in the manufacturing process of communication antenna——the relationship between M4 screw tightening torque and third-order intermodulation.

Keywords：M4 screw;tightening moment;communication antenna;third-order intermodulation

0 ?引 ?言

隨著通信快速發展，對作為通信中間聯絡樞紐的通信天線的指標要求越來越高。2G時代對天線的互調幾乎無要求，3G時代才引入互調的概念并對其做初步控制，4G時已經有一套成熟的控制分級機制，從2G、3G時代的三階互調為-90dBm級到目前普遍的-110dBm級，期間如何做到穩定的高互調指標要求的天線就是目前我們的研究重點。

1 ?實驗方案設計

1.1 ?概述

三階互調與螺釘的非線性接觸有直接的關系。以前在定義螺釘扭矩與擰緊轉速時，只是測量了產品靜態的三階互調表現，結論是：對于M4螺釘，扭緊力矩為18～22kgf.cm，擰緊轉速1200rpm時，便可保證螺釘連接部位不產生高互調。而在產品的生命周期內，總會不可避免地受到各種振動影響，所以需要評估產品擰緊后，在振動過程中的互調表現。

考慮到產品連接有多種方式，我們評估最極端的情況：只用一顆M4螺釘連接器件的情形。所以我們選用RK06振子作為驗證的樣本載體，測試產品1800MHz時的互調表現。

1.2 ?研究方向

驗證M4螺釘的擰緊轉速對產品互調的影響，同時驗證M4螺釘的擰緊力矩對產品互調的影響。

1.3 ?工具選型

由于不清楚螺釘轉速與螺釘力矩是否會獨立影響產品互調表現。所以采用完全要素驗證，即將現有的轉速與螺釘扭矩的表現水平歷遍。

現有的工具轉速有500rpm、900rpm，所以設置三種水平的轉速：30rpm（手擰）、500rpm（電批）、900rpm（氣批）。

1.4 ?扭矩精度

據三階互調的接觸非線性影響理論，我們知道扭矩越大（即接觸壓強越大），互調越好。但我們同時應該考慮到螺紋孔材質的塑性變形及蠕變，超過一定扭矩后，螺釘擰緊提供的接觸壓強會下降。我們現有的M4螺釘扭矩為18kgf.cm，所以計劃從18kgf.cm開始，逐步增大扭矩（步進3～5kgf.cm，此亦為緊固工具的扭矩精度），直到互調開始變差。

1.5 ?保證有效

另一方面，我們也要確認各種螺紋材質的破壞扭矩，以確認螺釘扭矩的安全性（一般安全系數為1.4～1.6），避免發生螺紋材質塑性變形及蠕變。

1.6 ?所需工具

實驗所需工具及數量如表1所示。

1.7 ?所需物料

實驗所需物料及數量如表2所示。

2 ?實驗步驟過程

2.1 ?測試不同扭矩下的互調值

Step1：校驗系統（互調儀點檢與扭矩點檢）;

Step2：設定扭力值，將振子裝配到底板上，并布好線;

Step3：測試振子互調;

Step4：振動產品，并記錄振動中的互調值;

Step5：記錄產品測試后的數據;

Step6：更新參數（扭矩、轉速、螺釘規格），重新從Step2開始;

Step7：每2小時，重復Step1。

2.2 ?測試常見材質的破壞扭矩

Step1：選定器件;

Step2：確認螺紋孔的公差;

Step3：準備好工具，并校驗確認工具狀態;

Step4：逐步加大扭矩，并記錄下螺紋破壞時的力矩值;

Step5：重復上述步驟，以取得足夠的樣本數據。

3 ?數據記錄與處理

3.1 ?螺紋破壞扭矩確認

為了其驗證的可靠性，我們要先取得不同材質螺釘的破壞扭矩，如表3所示，同時也要取得不同材質螺釘發生彈性變形時所對應的扭矩，如表4所示，以保證在驗證過程中各種螺釘在使用時是沒有失效的。

從表3、表4中可以看出：

（1）組合螺釘的失效扭矩為45kgf.cm，其失效形式為十字槽打滑。考慮安全系數應為1.5，則組合螺釘的安全工作扭矩為30kgf.cm。如果要繼續增加工作扭矩，則必須更換槽型。實際上，我們通過螺釘彈性變形的情況可知，螺釘的最大安全工作扭矩為57kgf.cm;

（2）對于耐落螺釘，其破壞扭矩為62～68kgf.cm，失效形式為螺紋孔滑牙。考慮安全系數應為1.5，則耐落螺釘的最大安全工作扭矩為41～45kgf.cm;

（3）對于使用星形槽的普通螺釘，其破壞扭矩為63～68kgf.cm，失效形式為螺釘頭斷。同耐落螺釘，其正常工作的最大安全扭矩為41～45kgf.cm。如果要繼續增大扭矩，需要考慮提升螺釘材質的強度。

3.2 ?組合螺釘互調測試

為了得到30kgf.cm以上的數據，在試驗過程中扭滑了很多十字槽螺釘，尤其是在進行40kgf.cm扭矩的試驗時，擰了22顆螺釘，才得到4顆沒有滑牙的，以完成數據的收集，試驗得到的組合螺釘互調動態驗證結果如表5所示，其中，深色區域表示此條件下互調值相對穩定。

從表5中可以看出幾個結論：

（1）組合螺釘的最佳互調表現依賴于螺釘緊固扭矩與緊固轉速。轉速越高，則需要越大的扭矩才能保證低互調表現;

（2）500rpm時，互調整體表現優于其他兩種轉速水平。且其在扭矩為28kgf.cm時就能夠得到比較穩定的互調水平;

（3）當螺釘在用900rpm轉速扭緊時，為達到低互調水平，需要保證扭矩大于33kgf.cm;

（4）我們認為對于M4的組合螺釘，以500rpm轉速扭 緊，保證扭矩為30±2kgf.cm，便可得到優異的低互調表現。

組合螺釘在不同扭矩和不同工具轉速下互調值變化表現如圖1所示。圖中圓點位置表示互調初始水平，圓點大小表示動態互調穩定性。圓點越靠上，互調值越優;圓點越小，互調越穩定，圓點的淺色代表理想值，深色代表較差值。圖中的實線代表通信行業的標準，三階互調指標<-115dBm的天線為精品。

3.3 ?耐落螺釘互調測試

耐落螺釘互調動態驗證結果如表6所示，其中，深色區域表示此條件下互調值相對穩定。

從表6中可以看出幾個結論：

（1）耐落螺釘的最佳互調表現依賴于螺釘緊固扭矩與緊固轉速。其最佳工作轉速為500rpm;

（2）500rpm時，互調整體表現優于其他兩種轉速水平。且其在扭矩為35kgf.cm時就能夠得到比較穩定的互調水平;

（3）當螺釘在用900rpm轉速扭緊時，產品互調表現較差，且互調平均波動達到1.8dBm;

（4）我們認為，現階段條件下，如果不考慮產品的防松，現有耐落螺釘不是一個最佳的緊固件選擇。

耐落螺釘在不同扭矩和不同工具轉速下互調值變化表現如圖2所示。

4 ?結 ?論

（1）螺釘的互調表現水平與螺釘緊固的速度和緊固的扭矩同時相關。在不同的轉速下，要達到優異互調表現水平所需要的扭矩各不相同。簡單的對照表如表7所示。

（2）如果我們僅考慮轉速的維度，在低轉速下有利于實現低互調水平。結合表1—表5，同時評估作業效率，我們認為，螺釘緊固的最佳工作轉速為500rpm。

（3）螺釘不同扭矩時，其互調表現水平是有差異的。所以實際中，需要嚴格控制扭矩的波動。一般緊固工具的扭矩精度為3%～5%。因此，扭矩誤差可按±2kgf.cm來要求。結合此可以得到：

1）對于組合螺釘，其最佳工作扭矩范圍為30±2kgf.cm，工作轉速500rpm;

2）對于耐落螺釘，其最佳工作扭矩范圍為35±2kgf.cm，工作轉速500rpm。

參考文獻：

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作者簡介：王普鋼（1982-），男，漢族，湖北隨州人，工程師，研究方向：產品結構設計、產品工藝研究。