基于鋁合金車體的自攻鋼螺套安裝工藝

■ 中車株洲電力機車有限公司 （湖南株洲 412001） 梁 濤 劉文科

自攻鋼螺套是一種加強螺紋強度的緊固件，其嵌入鋁合金材料內，可形成高強度的內螺紋孔，屬于異種金屬聯接。它通過專用旋進起子旋入已經鉆好并比其外徑小的底孔內，通過自身外徑上的切削螺紋在孔內壁上形成內螺紋，使母材與鋼螺套聯接在一起。

自攻鋼螺套在鋁合金車體上得到廣泛應用，材質為303或304不銹鋼。每臺車都有幾百個，小到底架上線纜支架安裝，大到車體之間的貫通道安裝，都通過它用螺栓聯接。鋼螺套的安裝如圖1所示，其安裝屬于“八防”工序中的“防離”，主要是防止鋼螺套安裝后出現松動或脫落。自攻鋼螺套安裝后應與母材表面平齊（或微低于母材表面），在規定的扭力值內無松動和脫落。

圖1 鋼螺套的安裝

1. 生產中面臨的問題

在實際生產中發現鋼螺套安裝存在以下現象：①鋼螺套未全部攻入。②與母材不垂直，出現歪斜。③鋼螺套打磨過多。④在總成進行設備安裝時出現松脫。如圖2所示。

圖2 鋼螺套安裝質量缺陷

自攻鋼螺套脫落后，因為鋁合金比鋼螺套強度低，母材底孔上的螺紋往往全部破損，返工時，只能采用補焊后重新安裝或擴孔后攻入異形鋼螺套兩種方法解決，耗費的時間至少是正常操作的幾百倍，其中第二種方法不利于將來的維護保養。同時，在車輛運行中出現鋼螺套松脫，將會使零部件脫落，造成行車安全事故。

2. 問題分析

如圖3所示，通過對安裝過程中經常出現的問題及造成的原因進行分析，得出其相互關系。

由圖3可以看出，底孔質量是問題產生的關鍵因素，其中底孔直徑過小和過大是主因，底孔或攻入時不垂直是次因。而生產中鉆底孔時使用的手風鉆和鉆頭直徑，對底孔直徑造成的影響需要進行驗證。

3. 工藝試驗

選用常用的M12×12mm自攻鋼螺套進行工藝試驗，試驗步驟如下。

1）如圖4所示，鉆底孔時，第一行使用φ14.9mm鉆頭，第二行使用φ15.0mm鉆頭，第三行使用φ15.1mm鉆頭。

圖3 安裝過程中出現的問題和原因之間的相互關系

2）測量并記錄底孔直徑。

3）安裝鋼螺套，其中A、B和C列使用樂泰膠243，D、E和F列使用樂泰膠277，各位置鋼螺套需檢驗并記錄外徑。

圖4 試驗樣板示意

4）常溫下干燥24h以上后，對所有鋼螺套進行扭力試驗，扭力值為53N·m，記錄扭力試驗情況。

5）對鋼螺套做防松標記。

6）使用普通扳手和8.8級螺栓對A、B、E和F列鋼螺套做拆卸試驗，并記錄拆卸次數。

7）考慮到車輛總組裝和使用期維護保養的需要，使用風動棘輪扳手和8.8級螺栓對C、D列鋼螺套做拆卸試驗，記錄拆卸次數。

試驗數據見表1。試驗結果分析如下。

1）使用一般的鉆孔方法，當分別用φ14.9mm、φ15.0mm和φ15.1mm鉆頭所鉆的底孔直徑＜15.27mm時，此種條件下安裝的鋼螺套均可耐受10次之內的反復拆裝。

2）分別涂抹樂泰膠243和277安裝的鋼螺套，在有限的拆裝次數（10次）內，未出現區別，均未脫落，可以滿足使用要求。

3）使用手動棘輪扳手和失速型風動棘輪扳手安裝和拆卸鋼螺套，未出現明顯區別，鋼螺套均未脫落。

4）A-3、C-3、D-3三顆鋼螺套使用φ15.1mm鉆頭所鉆的底孔直徑≥15.27mm，無論是使用手動棘輪扳手，還是使用失速型風動棘輪扳手安裝和拆卸，均出現了松動和脫落，能反復拆裝的次數顯著減少。

由分析可知，底孔直徑偏大是造成鋼螺套脫落的主要原因，如果鋼螺套安裝能按照工藝要求來做，則不同工況下鋼螺套可以承受反復的拆裝，能滿足使用要求。

4. 工藝改進措施

針對工藝試驗中出現的問題，在生產中采取了如下措施。

1）鉆底孔時，首先在車體表面劃出底孔定位中心線，打上樣沖眼后，先鉆出導孔，再選擇比自攻螺套外壁螺紋小徑小0.1～0.2mm的鉆頭擴完底孔。臺鉆選擇小0.1mm；手電（風）鉆垂直水平面鉆選擇小0.1mm，平行水平面鉆選擇小0.2mm。

2）用孔徑檢驗裝置（見圖5）檢測底孔。①當最小孔徑檢驗棒能插進而最大孔徑檢驗棒不能插進時，說明底孔直徑合格。②若最小孔徑檢驗棒和最大孔徑檢驗棒都能插進，則說明底孔不合格，孔徑偏大，自攻螺套安裝后會松脫。③若最小孔徑檢驗棒插不進，則說明底孔偏小，自攻螺套會攻不進，孔徑需要再擴大。

圖5 孔徑檢驗裝置結構

3）檢驗底孔垂直度。將最小孔徑檢驗棒插進孔直徑合格的底孔，將角尺基座與基材貼緊，另一直邊靠向基棒外表面就可測量垂直度。

4）測量抗拉抗扭力值。將抗拉抗扭力值測量裝置（見圖6）組裝好，六角頭螺栓旋入安裝好的自攻螺套，扭力扳手調到測量值后進行預緊，自攻螺套不產生周向轉動，則抗扭合格；將測量裝置中套筒3取出，重新將六角頭螺栓旋入安裝好的自攻螺套，扭力扳手調到測量值后進行預緊，達到測量值后自攻螺套未拉出，說明自攻螺套在此預緊力作用下抗拉合格。

圖6 抗拉抗扭力值測量裝置結構

5. 應用效果

將工藝措施應用于廣州三號線項目，對20臺車共704顆M12×12mm自攻鋼螺套安裝進行效果跟蹤，發現只有兩顆在未達到53N·m扭力值的情況下出現了松動，經查一顆出現歪斜，另一顆底孔直徑偏大。一次安裝合格率達到99.9%，比以前提高了3%，與以前相比每列車可節約損耗和返修成本3 000多元。

6. 結語

本次研究及總結出的工藝措施應用后達到了預定的目標，減少了返修量，提高了生產效率，改善了產品質量，為地鐵車輛的安全運行打下了堅實的基礎。

專家點評

文章對問題的分析比較透徹，利用工藝試驗中的數據和結果進行比較，得出底孔直徑偏大是造成自攻鋼螺套脫落的主要原因，并采取有效的改進措施予以控制和檢驗。力值測量中采用的預緊力裝置簡單、實用，大幅提高了地鐵車輛的行車安全系數。