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螺栓连接与质量控制

螺栓连接的装配质量直接关系到产品的安全性和可靠性，可是我们如何评价螺栓连接的质量，即“效果检验”呢？
对螺栓连接装配质量的“效果检验”包括以下两项内容：执行螺栓拧紧工艺的电动拧紧枪（板子）的准确性和可靠性是否能满足要求；对已经拧紧的螺纹付、即产品上的螺栓连接能否通过正确的方法做出准确的评价。

对螺栓拧紧设备的评定
现在，多数企业侧重于对拧紧控制的准确性、即扭矩或转角的准确度进行评价。通过采用模拟工况的动态校准法将拧紧枪的输出值与用作测量标准的传感器的读数值加以比对。在汽车行业，通过传感器实施扭矩或转角控制的拧紧枪的准确度指标往往采取相对误差形式表示，一般为±5%，也有达到±3%的。
但必须指出，无论是简单的手持式扭矩扳手，或是复杂的半自动、自动拧紧设备，都既不属于检测器具，也不属于通常的制造设备（工具），而是兼有前者的计量特性和后者的装配功能。但就其本质而言，它们应该归于后者，因此，若只进行单纯的准确度评定是不够的。
现代机械制造业为提高批量生产企业的产品质量，已从昔日主要检验实物质量，转到如今强调对工艺过程的控制。所谓“工序质量”就是指在稳定状态下所具有的保证质量的能力，它取决于设备、材料、操作者、工艺方法和环境等5项相互独立因素的影响，以能力指数Cp和Cpk来表示。
而机器能力指数Cm和Cmk是指在工序稳定情况下，上述5项影响因素中的机器设备所具有的保证产品质量的能力，在技术上，它与工序能力分析一样，都建立在数据统计的基础上，以质量特性值的标准偏差S来表征。
求取机器能力指数Cm的具体做法为：将被评定的用于装配的拧紧机调整至规定状态，经过若干小时无故障运转，然后取50个连续生产出来的工件作为样本。至于对质量特性值的检测，一般利用附属于设备的在线测量仪器，或借助外界的精度更高的检测装置。由此获得一组或二组质量特性值的实测数据，并求出平均值和标准偏差Sm。如果是螺栓拧紧设备，这时扭矩作为质量特性值，其实测数据既可以通过拧紧枪自身配置的检测仪表获得，也能从用作测量标准的外接扭矩传感器的对应显示值中读取。Cm反映了机器制造设备自身所具有的满足产品质量的能力，与反映工序能力的过程能力指数Cp相似。
根据测算出的Cm或Cmk值对被检机械制造设备进行机器能力评定，各主要工业国家、各大企业集团执行的评定原则并不完全一致，德国大众汽车公司对螺栓拧紧设备应该具备的机器能力的要求如表1所示。
表1德国大众汽车公司对螺栓拧紧设备应该具备的机器能力的要求
被检设备的情况
              机器能力指数
Cm
Cmk
新设备验收
≥1.67
≥1.67
经过检修、改造后的设备
≥1.33
≥1.33
在用设备定期或不定期的评定
≥1.33
≥1.33
评价螺栓连接质量
在汽车制造业，大多数企业都在装配工序后利用指示式扭矩扳手以抽检的方式对相关的螺纹副进行拧紧扭矩测试，以评价螺栓连接的质量，其间出现各种各样的情况是很正常的现象，但前提是执行的方法必须正确，这是处理问题、解决问题的基础。
除了上述在工序间进行的扭矩测试外，还有一类是整车或总成（指发动机、变速箱等）经过连续运行、承受过负载后再对相关的螺栓连接质量进行评价。德国大众汽车公司把前一类测得的扭矩命名为Mna1，后一类为Mna2。但为了准确测得Mna1和Mna2，必须满足以下条件：
• 电动拧紧机的机器能力指数Cm、Cmk必须达到1.67或更高，即务必经过设备能力验证，要求过程能力指数Cpk≥1.33。
• 通过“事后法”进行拧紧扭矩测试时，必须采用紧固法，不能用松开法或标记法。执行紧固法时需注意拧动螺栓（或螺母）的角度应尽量小，最大不超过10°。
• 在测试过程中，由于摩擦作用，有时会出现一个不应算作Mna的峰值扭矩，即所谓的“起动扭矩”，因此，为准确地测出Mna值，不能使用那些只显示一个峰值的指示式扭矩扳手。
• 工序间的扭矩值Mna1的求取，必须在装配完成后的30min内进行。
• 不能、也不必要把测得的扭矩Mna1和Mna2的值与图纸或工艺上的额定值或控制值相联系、作比较。因为，在以紧固法再次拧紧期间，扭矩值的分布特性与装配工序的拧紧扭矩特性相比已有很大差别，故这种比对毫无意义。
• 对Mna1和Mna2值正确评价应该采用如下方式：通过采集至少100个实际扭矩测量值，然后借助统计分析的方法求出标准偏差s，再根据不同用户的实际情况以±2s或±3s作为控制范围的上、下极限，用作检验、评价螺栓连接拧紧效果的Mna1和Mna2值必须落在设定的界限范围之内。
扭矩监控窗口
先进的汽车制造业中，较重要的装配部位都采用扭矩-转角控制法，这是由其优越性所决定的。但须指出的一点是，此时的工艺参数只是起始扭矩和转角，这种情况下作评定所用到的特征值公差是转角公差。虽然当螺栓连接采用扭矩-转角控制法时，一些厂商对电动拧紧枪所显示的最终扭矩设置了一个“监控窗口”，即设定一个上、下限，但由厂商与用户根据以往经验和采集数据统计分析得出的这个监控范围，其含义与工艺参数的公差有本质的区别，事实上，根据实际情况，这个范围完全可以调整。
那么监控窗口的作用是什么呢？严格地说，“扭矩-转角控制法”应该称为“转角控制-扭矩监控法”，在执行这种方法时，先按扭矩法确定转角控制的起始点，电动拧紧枪达到这个点以后停顿1～2s或更短时间后速度变慢，然后边旋转边计算角度，直到达到要求的角度为止。在计算转角的同时记录扭矩，如果扭矩太大，则表明存在螺栓材料的抗拉强度太高或热处理后材料太硬的情况；扭矩太小则表明螺栓抗拉强度太低或热处理不好。因此，通过观察拧紧过程中的扭矩值变化可以达到监控螺栓连接中螺纹质量的目的。
实例分析
以发动机缸盖线某装配工位为例，该工位采用的螺栓规格为M6，强度等级9.8，原来表面采取发黑处理，后来为提高抗腐蚀能力改成表面镀锌，并换了一家供货厂，但在装配工艺完全不变的情况下，发生了下线总成中有少量的螺栓出现断裂的现象。断裂原因何在？我们经过了以下一些试验与分析：
1.对新螺栓的材料强度及其他一些主要理化指标是否符合要求的质疑
首先，我们提取了各三个样本对更换前后的两种紧固件进行了对比试验，结果如表2。
表2更换螺栓前后的对比试验结果

强度等级9.8要求
发黑螺栓（实测）
镀锌螺栓（实测）
抗拉强度σb
σb ≥900Mpa
1028 ～ 1063
1010 ～ 1096
硬度HV
HV30 = 290 ～ 336
339 ～ 345
339 ～ 341
金相组织

回火马氏体
回火马氏体
断口分析

韧性断裂
韧性断裂
     表2说明更换后的螺栓尽管表面处理由发黑改为镀锌，又出自另一家供货厂，但其机械性能完全符合要求，且与原来的紧固件差异很小，因此，完全可排除由于强度等材质原因引起螺栓断裂的可能。
2.分析摩擦系数对螺栓联接轴向预紧力的影响。
装配过程由多头电动拧紧机完成，采取扭矩法，工艺规定的装配扭矩为12+3Nm。众所周知，螺纹副连接实质上是依靠螺栓的轴向预紧力把紧固件和被连接件结合在一起的，而扭矩法是一种通过控制拧紧扭矩间接地实施对轴向预紧力控制的装配方法。
我们所使用的紧固件均由专业化工厂生产，后一组变量的散差较小，带来的影响也较小，而经验告知，在加工工艺相同的情况下，镀锌的表面相比发黑处理的表面摩擦系数将有明显下降，因此，针对前面两种联接螺栓，螺纹制造精度的影响可以忽略。
在这类螺纹副联接中，拧紧扭矩、螺栓的轴向预紧力及扭矩系数三者之间相互关联此消彼长。摩擦系数的减小导致了扭矩系数变小，在拧紧扭矩保持不变的情况下，必然将引起螺栓轴向预紧力的增大。连接螺栓的断裂是因作用在其上的拉力——轴向预紧力过大，超出了材料抗拉的强度造成的，而正是紧固件表面处理由发黑改成镀锌，致使摩擦系数减少才产生了这样的结果。
    3.替代试验及其工艺改进方向
要用实验方法测出真实状态下的摩擦系数值或螺栓受到的轴向拉力数值，在一般企业中不太可能。这里有一种较简单、也较直观的替代实验，能在一定程度上说明问题：
     取相同数量的两种螺栓，每组10 ～ 50件，用高精度指示式扭力扳手（指针式或数显式）逐个紧固在一个又一个的工件上。随着拧紧力矩的逐渐增加，螺栓承受的轴向拉力不断加大，当拉力达到材料的抗拉强度时，螺栓断裂。记下此时扭力扳手的指示值。从前面的介绍可知，尽管两种连接螺栓表面处理方式不同，但材质和主要机械性能相同，因此，当上述替代试验出现试件螺栓断裂时，它们受到的轴向预紧力是相同的，而此刻拧紧力矩的数值（平均值）分别为：发黑螺栓28.36Nm，镀锌螺栓17.02Nm，这两个平均值之间的差别实质上就反映了螺栓联接配合中摩擦系数不同所带来的影响。
以上实验结果也指出了装配工艺改进的方法：
若把摩擦系数视为常数，对于一个确定的螺栓轴向预紧力，它与拧紧力矩在理论上呈线性关系，但当轴向预紧力超过屈服点之后，随着拧紧力的增大，预紧力的增量将减少，甚至出现下降，因此，螺栓轴向预紧力与拧紧力之间的关系只有在螺栓预紧进入屈服状态之前才是线性的。
事实上，在采用扭矩法这一拧紧工艺时，考虑到扭矩控制精度、摩擦系数散差、紧固件机械性能波动和制造精度等影响因素，螺栓轴向预紧力的最大值通常只设计在其屈服极限的70%以下，也就是说，螺栓连接是工作在材料的弹性区域内，因此，替代试验的对比测试值并不能说明扭矩法工况下拧紧力矩与螺栓轴向预紧力间的真实比例关系，但还是指出了明确的趋势，而且提供了一种修正装配工艺后直截地评价改进效果的方法，以便于企业实施。
针对提高抗腐蚀性的目的，把螺栓由表面发黑改为镀锌后所采用的改进装配工艺的做法主要是降低装配扭矩值，此时可做若干基本假设，并选用一些经验数据，再代入公式，求出拧紧力矩，即装配扭矩值，作为改进依据。