螺栓擰緊失效分析及對策研究

李剛 羅慧琪

柳州賽克科技發展有限公司 廣西柳州市 545005

1 引言

螺栓擰緊作為一種連接方式具有設計簡單、零部件標準化、裝配簡單拆卸方便、效率高、成本低等特點，廣泛用于汽車零部件及發動機的設計及裝配過程中。它的原理是通過在螺栓頭施加扭矩將螺栓擰進連接件的螺紋中，施加完扭矩產生的夾緊力將兩個連接件連接固定在一起。

某公司一臺做過臺架試驗的發動機，拆解后重新返修上線擰緊過程中出現了報警，拆開發動機后發現有有4 顆螺栓斷裂（排氣側第2 螺栓有2 顆斷裂，排氣側第4 螺栓有1顆斷裂，進氣側第2 螺栓有1 顆斷裂），斷裂螺栓都有縮頸現象，見圖1。

圖1 失效軸承形貌

凸輪軸軸承蓋螺栓的等級為8.8 級，材料牌號為SWRCH40K，熱處理工藝為調質處理，硬度值要求為22HRC ～32HRC。通過對斷裂螺栓材質的硬度和金相組織、斷面微觀形貌進行分析，以及結合連桿螺栓的安裝過程進行工藝分析，已找出螺栓斷裂的原因，并提出改進措施。

2 螺栓擰緊失效原因分析

出現發動機凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂的質量事故，相關工程師第一時間到生產車間進行現場調查，并結合5M1E 法進行原因分析，調查分析結果如下：

2.1 人員分析

擰緊螺栓工序，工作人員未發生變動，非影響因素。

2.2 設備分析

擰緊凸輪軸軸承蓋螺栓的十軸擰緊機已標定校準，其MSA過程能力分析也在合格范圍內。

2.3 物料分析

由圖1 可知，斷裂的凸輪軸軸承蓋螺栓有縮頸現象，說明螺栓產生了應力集中變形情況，是屬于典型的韌性斷裂。在斷裂的凸輪軸軸承蓋螺栓距離螺紋末端1d（d 為螺栓直徑）處切取橫向試樣，螺栓樣塊經過鑲嵌、粗磨、精磨、拋光，進行理化檢測。（1）硬度檢測：使用洛氏硬度計對螺栓樣塊進行硬度檢測，螺栓的硬度檢測數據如表1 所示。由表可知，螺栓硬度合格。（2）顯微組織分析：用4%硝酸酒精溶液腐蝕螺栓樣塊，放在金相顯微鏡下進行觀察，螺栓的邊緣金相組織未見脫碳現象，心部金相組織為回火索氏體，螺栓的金相組織未見異常，螺栓的金相組織形貌如圖2 所示。（3）斷口形貌分析：將已用超聲波清洗的一截傳動軸斷口置于掃描電鏡下進行微觀形貌分析，斷口形貌均為剪切韌窩特征，螺栓的斷口形貌見圖3。綜上，分析認為，凸輪軸軸承蓋螺栓發生了快速過載性斷裂。

圖2 螺栓金相組織形貌

圖3 螺栓斷口形貌

表1 斷裂凸輪軸軸承蓋螺栓硬度檢測數據

2.4 工藝分析

凸輪軸軸承蓋螺栓的擰緊工藝為：（1）所有螺栓都先擰緊至扭力2N.m，再反松180°；（2）第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓，先同時擰緊至扭力10N.m，再反松180°，最后同時擰緊至10N.m；（3）第1、3、5凸輪軸軸承蓋螺栓，同時擰緊至10N.m。由擰緊工藝可知，每次過擰緊站時，第2 和4凸輪軸軸承蓋螺栓都有2 次復擰，且出現凸輪軸軸承蓋螺栓縮頸和斷裂情況的均為第2和4 螺栓，見圖5。分析認為，螺栓多次擰緊是造成螺栓斷裂的可疑原因。

2.5 環節分析

此外，還發現，出現凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂的發動機均是臺架試驗不合格后、進行二次裝配的返修件。做過臺架試驗后的發動機，其軸承蓋的法蘭面及螺紋孔有殘油，若粘附在軸承蓋上的油脂未清理干凈，會導致軸承蓋和螺栓兩者間的摩擦系數變小、螺栓的夾緊力變大，達到同等擰緊扭矩的情況下，螺栓出現韌性斷裂的風險加大。

螺栓擰緊的夾緊力計算公式為：FM=T÷（0.16P ＋（ug×0.58×d2）），其中FM—夾緊力，P—螺距，ug—螺紋副摩擦系數，d2—螺栓直徑。由公式可知，若螺栓表面帶油，在擰緊過程中螺栓的螺紋副摩擦系數變小、夾緊力過大，容易造成螺栓變形、屈服甚至斷裂。分析認為，螺栓表面帶油是造成螺栓斷裂的可疑原因。

圖4 螺栓擰緊曲線圖

2.6 擰緊測試曲線分析

調出螺栓的擰緊測試曲線，見圖5，發現：（1）正常螺栓的擰緊曲線，扭矩從0N.m逐步上升至終扭矩10N.m；（2）斷裂螺栓擰緊曲線，扭矩在0N.m 至0.05N.m 之間波動，無法上升到設定的目標扭矩10N.m。說明螺栓的擰緊測試曲線是可控的。

3 螺栓擰緊驗證分析

根據現場的原因調查分析，造成螺栓斷裂的可疑因素有：螺栓多次擰緊、螺栓表面帶油，現對兩因素進行驗證分析，進一步確定螺栓斷裂的原因。

3.1 螺栓多次擰緊驗證

按當前的螺栓擰緊工藝，對同一臺發動機的凸輪軸軸承蓋螺栓進行多次擰緊試驗，螺栓第一次和第二次過擰緊站均未發現異常，但是螺栓第三次過擰緊站就發現第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓出現縮頸和斷裂情況，見圖5。說明多次擰緊是螺栓斷裂的原因之一。

圖5 螺栓多次擰緊驗證

3.2 螺栓表面帶油驗證

按當前的螺栓擰緊工藝，對表面狀態不同的螺栓進行一次擰緊試驗，3 顆表面無油螺栓的屈服扭力達到19N.m ～20N.m，4 顆表面帶油螺栓的屈服為11N.m ～15.5N.m，見表2，說明螺栓表面是否帶油對其屈服扭力數值有明顯差異。取做過一次擰緊試驗的①和⑤螺栓做形貌放大圖分析，圖6 和圖7 分別為①表面無油螺栓和⑤表面有油螺栓的放大圖，由圖6 和圖7 可知，①表面無油螺栓經過一次擰緊后的螺牙完好、無缺陷，⑤表面有油螺栓經過一次擰緊后的螺牙底部有裂紋，分析認為，螺栓表面帶油，在擰緊過程中螺栓的螺紋副摩擦系數變小、夾緊力過大，造成螺栓屈服甚至斷裂。

圖6 ①表面無油螺栓放大圖

圖7 ⑤表面有油螺栓放大圖

表2 斷裂凸輪軸軸承蓋螺栓硬度檢測數據

4 螺栓擰緊對策

由螺栓分析結果可知，螺栓多次擰緊和表面帶油都是導致螺栓斷裂的原因，如兩者同時存在，則螺栓會發生快速過載斷裂，針對分析結果，對螺栓擰緊工序做以下對策：

4.1 螺栓表面狀態定義

根據螺栓表面帶油驗證的結果，表面有油螺栓經過一次擰緊后的螺牙底部有裂紋，故禁止使用表面有油的螺栓使用擰緊次數為兩次，且在標準化作業文件里面注明要求。

4.2 螺栓使用擰緊次數定義

由螺栓多次擰緊驗證的結果可知，螺栓第三次過擰緊站后出現屈服斷裂，說明螺栓擰緊次數不能超過3 次。結合螺栓自身材質，已知螺栓等級為8.8 級，其屈服強度只有320MPa。所以，定義螺栓的使用擰緊次數為2 次，第三次過線返修時需要更換螺栓；更新生產現場的標準作業指導書文件，注明螺栓的使用擰緊次數。

4.3 工藝過程改進

對第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓的擰緊工藝進行優化改進：將第2 和4 螺栓過程扭矩從10N.m 降低到3N.m，可避免第2 和4凸輪軸承蓋螺栓出現2 次擰緊至目標扭矩。

4.4 擰緊測量方式優化及早期預警失效

目前，螺栓擰緊設備的角度≥300°則出現報警，調出車間的螺栓擰緊數據，發現近兩年的合格螺栓擰緊角度集中分布在42°以內，同時驗證30 件螺栓擰緊至16N.m 使螺栓擰緊屈服，查看曲線確認螺栓屈服點，最小屈服角度為47.7°。通過以上大數據分析和驗證將擰緊角度42°作為新的報警臨界值。

圖8 工藝改進的螺栓擰緊扭矩圖

5 結語

凸輪軸軸承蓋螺栓斷裂后，使用5M1E法原因分析和驗證分析，可知，對發動機凸輪軸軸承蓋螺栓擰緊做以下對策：（1）禁止使用表面帶油的螺栓，（2）定義螺栓使用擰緊次數為兩次，（3）工藝上將第2 和4 凸輪軸軸承蓋螺栓過程扭矩從10N.m 降低到3N.m，（4）將螺栓擰緊角度的預警閥值從300°調低到42°。上述改進措施實施后，發動機螺栓未再出現屈服拉長或斷裂情況，這說明了改進措施有效，消除了發動機螺栓擰緊的質量安全隱患。

本文針對螺栓擰緊情況分析了其失效機理、原因和對策以供發動機工藝制定實施做相應的借鑒從而避免螺栓斷裂導致發動機無法運轉等問題對客戶造成的傷害和損失。