機(jī)械類產(chǎn)品裝配中，零件與零件之間主要依靠緊固件聯(lián)接。其中螺紋緊固件應(yīng)用最為廣泛，緊固件的性能及聯(lián)接效果直接影響到產(chǎn)品的性能和安全以及使用壽命。緊固件的失效是常見機(jī)械類產(chǎn)品質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因，因此螺紋緊固件失效模式的潛在原因分析，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提升有重要的意義。

　　1 螺紋緊固件常見的失效模式

　　在我們工作中遇到的螺紋緊固件主要的失效模式看分為：

　　①裝配擰拉斷裂；

　?、诼菁y受剪切力擰斷；

　　③應(yīng)力集中部位使用后斷裂；

　　④疲勞斷裂；

　　1、制動(dòng)鉗載荷計(jì)算校核

　　制動(dòng)鉗螺栓連接處如果有相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)，可以按照VDI2230-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。

圖 1 制動(dòng)鉗與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配

圖 2 制動(dòng)鉗用端面帶齒（滾花）螺栓

圖 3 制動(dòng)螺栓安裝孔M14X1.5

　　校核制動(dòng)鉗螺栓需要的輸入數(shù)據(jù)為：車輪制動(dòng)力FLF、車輪滾動(dòng)半徑R、制動(dòng)鉗螺栓的數(shù)量n、制動(dòng)鉗安裝螺栓軸線到車輪旋轉(zhuǎn)軸線的距離r。還需提供制動(dòng)鉗安裝螺栓處的設(shè)計(jì)數(shù)模、與螺栓連接相關(guān)的被連接件的材料參數(shù)（包括材料的牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、彈性模量、最小抗拉、屈服強(qiáng)度）。

　　計(jì)算輸出包括所選螺栓是否滿足汽車設(shè)計(jì)的制動(dòng)力要求，螺栓的初步擰緊工藝及擰緊參數(shù)以及螺栓的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求（包括螺栓的螺紋及端面摩擦系數(shù)、表面處理方式、螺栓的長度）、螺栓的最小嚙合長度等。

　　最終的擰緊工藝參數(shù)需要通過實(shí)際樣件進(jìn)行試驗(yàn)確定。制動(dòng)鉗安裝螺栓一般要求增加防松方式，優(yōu)先選用涂膠防松方式，涂膠類型為precote85，涂膠后的性能滿足DIN 267-27標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于球墨鑄鐵車輪支架/轉(zhuǎn)向節(jié)連接用螺栓，可以選用螺栓頭法蘭面下帶筋/壓花的防松方式。但對(duì)于鋁合金車輪支架/轉(zhuǎn)向節(jié)連接用螺栓不建議用法蘭面下帶筋/壓花的防松方式。

　　如果沒有連接處相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)，可以通過整車的質(zhì)量及尺寸參數(shù)按照表1的計(jì)算方法得出前后輪的制動(dòng)力FLF數(shù)據(jù)作為計(jì)算載荷的輸入。

表 1 前后輪制動(dòng)力載荷數(shù)據(jù)

　　通過上述輸入數(shù)據(jù)即可計(jì)算出螺栓所需的最小夾緊力：

　　根據(jù)表2、表3最小夾緊力F0與FF0比較確認(rèn)選用螺栓規(guī)格型號(hào)及性能等級(jí)、擰緊方式是否滿足制動(dòng)載荷要求。

表 2 扭矩法擰緊時(shí)螺栓的擰緊扭矩及最小、最大夾緊力

　　表 3 過屈服扭矩法轉(zhuǎn)角法擰緊時(shí)螺栓的最小、最大擰緊扭矩及最小、最大夾緊力

　　2、計(jì)算螺栓所能承受的剪切力Ff

　　計(jì)算過程中根據(jù)結(jié)合面之間的材料，確定結(jié)合面之間的摩擦系數(shù)μ，通常，對(duì)于鋼-鋼、鑄鐵-鋼之間的連接按照摩擦系數(shù)μ為0.15選取，如果有實(shí)際結(jié)合面之間的摩擦系數(shù)μ實(shí)測數(shù)據(jù)可以按照實(shí)測數(shù)據(jù)選取。

　　根據(jù)螺栓的最小夾緊力F0以及結(jié)合面之間的摩擦系數(shù)μ可以計(jì)算出螺栓所能承受的最大剪切力Ff：

　　3、螺栓的最小嚙合長度校核

　　制動(dòng)鉗螺栓一般要擰入制動(dòng)鉗螺紋孔中，因此，需要校核螺栓的最小嚙合長度（制動(dòng)鉗螺紋孔的有效厚度），同樣，螺栓最小嚙合長度可以按照軸承螺栓最小嚙合長度的計(jì)算校核方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　由于螺栓的斷裂是突然發(fā)生的比較容易發(fā)現(xiàn)，而螺紋脫扣滑牙是逐漸發(fā)生的，很難發(fā)現(xiàn)，故螺紋連接件強(qiáng)度匹配設(shè)計(jì)原則是，在出現(xiàn)超擰時(shí)的失效型式應(yīng)是螺栓斷裂，而不是螺紋的脫扣滑牙。

　　螺栓的強(qiáng)度主要是由材料及熱處理工藝決定，標(biāo)準(zhǔn)螺栓的等級(jí)有3.6、4.6、4.8、5.6.、5.8、8.8、9.8、10.9、12.9等。但內(nèi)螺紋的強(qiáng)度不僅僅與材料及熱處理的工藝有關(guān)，同時(shí)還與螺紋嚙合長度有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)螺母的強(qiáng)度等級(jí)有4、5.、6、8、9、10、12等。

　　對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)螺母的選擇，需要螺母的保證載荷大于螺栓的保證載荷，按照表4來選擇。

表 4 螺栓/螺母等級(jí)匹配

　　軸承螺栓一般要擰入軸承螺紋孔中，因此，需要校核螺栓的最小嚙合長度（軸承螺紋孔的有效厚度）。對(duì)于在內(nèi)螺紋孔的設(shè)計(jì)，需要合理的設(shè)計(jì)螺紋的嚙合長度，以保證裝配螺栓時(shí)，內(nèi)螺紋有足夠的強(qiáng)度來匹配。具體設(shè)計(jì)連接長度時(shí)，可以參照圖4曲線根據(jù)內(nèi)螺紋材料的剪切強(qiáng)度進(jìn)行選取。也可以根據(jù)表5參照內(nèi)螺紋材料的最小抗拉強(qiáng)度Rm進(jìn)行選取。詳細(xì)計(jì)算螺紋最小嚙合長度可以按照VDI2230標(biāo)準(zhǔn)5.5.5節(jié)進(jìn)行，一般設(shè)計(jì)時(shí)按照表5和圖1選取最小嚙合長度即可滿足要求。

圖 4 內(nèi)螺紋連接長度選取曲線

表 5 各種內(nèi)螺紋材料所需的最小連接長度

　　4、螺栓頭表面壓力的校核

　　螺栓裝配狀態(tài)作用下，螺栓頭和螺母表面壓力（實(shí)際為接觸壓強(qiáng)）pmax都不應(yīng)超過材料的接觸壓力。

　　螺栓頭或螺母接觸壓力pmax為

式中：F為裝配狀態(tài)作用下最大夾緊力

　　Apmin為螺栓頭或螺母與被連接件表面最小接觸面積

　　材料的接觸壓力極限應(yīng)根據(jù)實(shí)際選用材料確定，在沒有準(zhǔn)確材料接觸壓力極限數(shù)據(jù)時(shí)，可以參照表6選用相近的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

表 6 材料的性能參數(shù)

　　總之，任何一個(gè)螺栓的計(jì)算，都需要考慮載荷（選用的螺栓規(guī)格是不是滿足要求）、嚙合長度（螺紋嚙合長度是不是滿足強(qiáng)度要求，預(yù)緊力要求），螺栓頭表面壓力（表面壓應(yīng)力是否滿足材料的表面極限接觸強(qiáng)度的要求）等。雖然，在螺栓本身即是的時(shí)候不需要考慮被連接件壓緊時(shí)候被連接是否會(huì)有塑性變形的可能，但是，在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和有限元的計(jì)算過程中必須要考慮被連接件的塑性變形。這個(gè)情況，后面我們可以詳細(xì)的討論，如何制定被連接件永久壓縮變形的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法。

　　⑤延時(shí)斷裂；

　　⑥零件扭矩報(bào)警；

　　⑦螺紋滑牙。

　　2 常見失效模式的原因分析

　　2.1 裝配擰拉斷裂

　　擰拉斷裂特征為斷裂部位明顯縮頸伸長，造成擰拉斷裂的常見原因主要是由于聯(lián)接面摩擦系數(shù)過?。粩Q緊或預(yù)緊時(shí)施加的扭矩過大、施加扭矩時(shí)套筒與螺紋不同軸、施加扭矩時(shí)速度過快；零件本身的性能強(qiáng)度不夠以及緊固面與螺紋中心線垂直度超差。

　　2.2 螺紋受剪切力擰斷

　　受剪切力擰斷的斷口部位一般有螺旋狀，無明顯縮頸，造成螺紋受剪切力擰斷的常見原因是由于螺紋在擰緊過程中被卡死，例如：螺紋變形、相互聯(lián)接的牙型不一致、螺紋有焊渣燈情況；螺栓擰進(jìn)的斷面被頂住，如螺母為盲孔的有效螺紋深度不夠。

　　2.3 應(yīng)力集中部位使用后斷裂

　　應(yīng)力集中部位使用后斷裂常見表現(xiàn)在螺栓頭部及頭部與螺紋桿過度的直角部位，造成應(yīng)力集中部位斷裂的常見原因?yàn)轭^部與螺紋桿過度的直角部位圓角過??；螺栓冷鐓成型時(shí)在頭部的塑性流線存在缺陷。被聯(lián)接面與螺栓垂直度超差。

　　2.4 疲勞斷裂

　　在螺栓連接后使用的過程中主要的斷裂為疲勞斷裂，造成疲勞斷裂的常見原因有：預(yù)緊力不足；夾緊力衰減過大；螺栓尺寸、性能不合格；零件之間的相互配合、裝配環(huán)境、使用工況不能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.5 延時(shí)斷裂

　　延時(shí)斷裂常見原因?yàn)闅浯?，氫脆是在生產(chǎn)過程（如電鍍、焊接）中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫，在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。常見易發(fā)生氫脆的緊固件有：自攻釘/彈性墊圈/8級(jí)以上的經(jīng)過電鍍表面處理的螺栓。

　　2.6 零件扭矩報(bào)警

　　零件扭矩報(bào)警常見發(fā)生在通過角度法控制扭矩的螺栓裝配過程中。造成緊固件扭矩報(bào)警失效模式及原因有：在裝配完成后，零件的最終扭矩，高于控制上限或低于控制下限：原因?yàn)榱慵难b配扭矩控制范圍不合理，表現(xiàn)為設(shè)定控制范圍過小、控制范圍往上或往下偏移，如圖1所示，其中f上、f下為摩擦系數(shù)。

　　沒有預(yù)緊到預(yù)設(shè)角度，扭矩達(dá)到上限報(bào)警：原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超上限、零件配合摩擦系數(shù)超上限、零件之間干涉，造成裝配扭矩急劇上升。

　　正常裝配，扭矩下限報(bào)警：原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超下限或零件配合摩擦系數(shù)超下限，零件擰入時(shí)貼合扭矩大于初始扭矩（也即擰入力矩消耗過大），常見于鎖緊螺母的擰緊。

　　2.7 螺紋滑牙

　　螺紋連接常常出現(xiàn)螺紋滑牙，造成螺紋滑牙的主要原因有螺紋脫碳：常見現(xiàn)象為裝配時(shí)感覺扭矩加不上，螺栓拆下后，發(fā)現(xiàn)螺紋全部或部分被磨平，以及螺栓螺紋或者螺母孔表面硬度低；內(nèi)外螺紋尺寸配合：相配合的聯(lián)接付接觸面積小，有兩種情況：一是接齒合的螺紋扣數(shù)少，二是螺紋與螺紋不在中徑以內(nèi)接觸（即精度配合不好，螺栓螺紋和螺母的螺紋接觸不夠）。

　　同時(shí)，在裝配方法上如果裝配不對(duì)孔，強(qiáng)擰也會(huì)造成螺紋滑牙；螺紋摩擦系數(shù)過?。罕砻嫱繉?、表面粗糙度、表面潤滑劑不合理和螺栓螺紋或者螺紋孔有異物，損壞螺紋以及螺栓跟螺母的螺距、角度變異都會(huì)導(dǎo)致螺紋滑牙。

　　3 緊固件失效案例分析

　　3.1 案例描述

　　2015年3～4月某總裝反饋累計(jì)5件某車型后減震器固定螺栓在打扭力時(shí)縮頸、斷裂，如圖2所示，該螺栓使用要求扭矩110+/-15 N.m，設(shè)備設(shè)定值為110 N.m，螺紋規(guī)格為M12×1.75-6h，性能等級(jí)10.9，表面處理按GMW3359。

　　3.2 擰緊力矩的構(gòu)成

　　螺旋副的擰緊力矩為螺旋副之間的摩擦阻力矩和螺母環(huán)形面與被聯(lián)接件支承面間的摩擦阻力距之和，計(jì)算如下公式：

　　T1為螺旋副間的摩擦力矩；T2為螺栓環(huán)形面與支承面之間的摩擦阻力距；

　　F0為預(yù)緊力；

　　對(duì)于M10～M64粗牙普通螺紋的鋼質(zhì)螺栓，螺紋升角1°42′-3°2′，螺旋副當(dāng)量摩擦角ψv≈arctan1.155f（f為摩擦系數(shù)，無潤滑取0.1～0.2）；

　　d2為螺紋中徑；

　　d0為螺栓孔直徑，D0為螺母（螺栓）與被聯(lián)接支承面接觸受力的環(huán)形外圓直徑；

　　fc為螺母（螺栓）與支承面的摩擦系數(shù)。

　　3.3 分析過程

　　外觀檢查：斷裂螺栓頭部支承面有殘留黑色油污，油污來源為被聯(lián)接件安裝面被粘到油污。

　　斷裂螺栓尺寸測量：測量斷裂螺栓大徑φ10.4 mm（未使用的產(chǎn)品實(shí)測螺紋大徑為φ11.85 mm符合標(biāo)準(zhǔn)），斷裂螺栓總長89.8 mm（未使用螺栓實(shí)測總長為85.5 mm，規(guī)定85.9 max），零件其它尺寸未發(fā)生異常。

　　斷裂螺栓扭矩記錄接近中值，未出現(xiàn)偏上差或超差；圖紙硬度要求：32～39 HRC：斷裂螺栓實(shí)測硬度：36 HRC、35 HRC、36 HRC、36 HRC、37HRC，合格；檢測斷裂螺栓的金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，如圖3所示；抽檢在用的2個(gè)批次各2件零件檢測抗拉強(qiáng)度，結(jié)果合格。

　　抽檢在用的2個(gè)批次共3件檢測摩擦系數(shù)：0.13、0.13、0.12，符合圖紙要求0.10～0.16。根據(jù)斷裂螺栓及抽檢螺栓的檢測結(jié)果，初步判斷螺栓零件符合設(shè)計(jì)要求；結(jié)合螺旋副的擰緊力矩分析，初步判定為由于聯(lián)接面有油污導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，在同樣裝配扭矩情況下，螺栓承受的軸向力增加，導(dǎo)致螺栓斷裂。把減震器安裝支承面按100%把拭擦干凈再裝配后，該問題沒有再發(fā)生。

　　4 結(jié) 語

　　文章通過對(duì)生產(chǎn)中常見的螺紋緊固件聯(lián)接問題進(jìn)行分析并列舉解決實(shí)例，對(duì)零件生產(chǎn)、裝配的工藝制定具有參考意義，對(duì)常見質(zhì)量問題有預(yù)防作用，可減少質(zhì)量問題的發(fā)生。

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