紧固件滑牙问题分析

紧固件装配要满足装配牢固要求, 其中最重要的一点是紧固件不能滑牙。文章针对几种情况造成的螺钉滑牙问题分析处理, 为后续车型开发提供可借鉴经验。

在汽车生产装配过程中螺栓螺母配合为最常见的一种配合方式, 在实际的生产过程中, 经常会出现滑牙的现象。大家常将此现场归结为装配技能类, 实际上有些滑牙现场通过工程分析, 会发现工程实际不合理, 同样会导致出现一定概率的滑牙问题。

本文针对一些典型的螺栓螺母配合出现滑牙问题案例进行多方面进行分析, 并针对问题找出最合理的解决方案。

螺母

某车型异形螺母 (图1) 无法拧紧到目标扭矩螺栓即滑牙, 滑牙率为1%, 如图2所示。按照PFMEA (过程失效模式分析) 分析螺栓滑牙将造成功能无法使用, 严重度为10, 风险优先级为1, 必须将滑牙率降到0.01%。

图1

滑牙情况可以从几个方面开展分析:

(1) 工具合理性。

(2) 对手螺栓直径设计合理性。

(3) 设计扭矩合理性。

1.1 工具选用是否合理

图2

工具标定扭矩偏差全部小于设定值的5%, 工具合格;工具Cmk=1.55>1.33, 工具稳定性良好。从拧紧曲线分析, 见图3:

图3

螺栓从0到20Nm的上升曲率较快, 主要其他螺栓有弹垫;最终拧紧步骤高螺栓与其他螺栓无差异, 没有过冲现象。

综上所述:螺栓拧紧工具稳定性良好, 没有超出设定值5%范围;电枪程序设置合理, 最终拧紧步骤有明显的拧紧过程, 无过冲现象。螺栓无法到达目标扭矩、滑牙非工具波动或拧紧过程不合理造成。

结论:工具选用和设计合理, 不是造成滑牙的原因。

1.2 对手螺栓直径设计是否合理

按工艺要求, 六角螺栓等级均为8.8级、扭矩50±15N·m, 但从剖面图, 如图4所示看出上端异形螺母的螺纹直径φ9.4mm比下端螺栓的螺纹直径φ11.1mm明显小;相同材料/螺栓等级下, 直径小的螺栓可承受的扭矩更小。

结论:螺栓直径小是要因。

图4

1.3 螺母紧固扭矩设计是否合理

异形螺母的直径比其他位置的螺栓直径小, 但是却设计了相同的扭矩, 为此, 小组成员针对螺母的扭矩载荷进行测试, 供应商最初使用的是指针扳手进行测试, 如图5所示, 得出螺母能承受A+20N·m以上的扭矩, 理论OK。

但经过进一步分析, 指针扳手对紧固件施加扭矩是一个缓慢的过程、转速低, 与电枪施加扭矩的工况不同。

图5

对此, 小组成员对生产线上螺母安装进行跟踪, 仍然有5%的紧固件滑牙。对此, 生产线针对异形螺母安装点进行降扭矩试验。用设定值为A-10N·m的电枪装配后, 螺母均未滑牙, 且进过路试试验也未脱落。

结论:设计扭矩太大是要因。

方案选用:综上分析得出, 螺母滑牙主要原因螺栓直径小和设计扭矩太大, 考虑到成本和开发周期, 原因2螺栓直径小更改设计涉及到零件造型更改, 从主要原因3紧固扭矩上着手, 经小批量验证合格并用于生产。

自攻钉

某车型紧固自攻钉滑牙, 滑牙率高达5%, 增加车间返修时间;且车辆在路试过程出现自动脱落现象, 易造成异响问题。

设计上没有发布扭矩, 车间根据经验值使用BN·m的定扭电枪拧紧。

滑牙情况可以从几个方面开展分析:

(1) 工具是否合理。

(2) 工具设定扭矩是否合理。

(3) 自攻钉设计是否合理。

(4) 对手件钣金孔设计是否合理。

2.1 工具选用是否合理

对于十字螺钉, 目前车间采用的博世电枪常用的转速有400r/min、600r/min、900r/min、1100r/min, 通常情况为了保证装配效率和装配质量六角头螺栓好装配选用高转速的电枪, 十字枪头的紧固件易跳枪则选用低转速的电枪。经现场查看, 十字螺钉装配工位采用的是400r/min的电枪, 符合电枪选用原则。

2.2 工具设定扭矩是否合理

调查发现卷收器上固定点的十字螺钉无扭矩要求, 现场根据经验选了了选用了2.5N·m的设定值。为了验证此扭矩是否合理, 小组成员针对扭矩设定进行了钣金实验, 图6所示, 结果如表1所示。

图6

表1 螺钉扭矩验证

由此可见自攻钉在1N·m~1.6N·m设定值间螺钉不会滑牙, 2.0N·m~3N·m时滑牙风险逐步增大, 2.5N·m会造成较高的滑牙率。

结论:电枪扭矩设定值太高为要因。

2.3 自攻钉设计是否合理

由于自攻钉是随总成而来的零件, 由供应商确定, 主机厂对紧固件的材料、参数都无法监控。两家供应商提供的螺钉差异较大, 一种为带垫圈的螺钉, 一种为不带垫圈的螺钉, 如图7所示。

理论研究发现部分螺钉的弹簧垫圈在开口处错位, 在会导致自攻钉以某个倾角打入钣金中, 钣金孔被铰大, 以至紧固失效 (滑牙) 。

图7

为了进一步验证错位弹垫的影响, 小组成员用正常的螺钉和弹垫错位的螺钉分别使用不同的扭矩安装。结果如下, 如表2所示。

试验证明弹垫错位的螺钉即使扭矩在0.8N·m~2N·m之间也会滑牙。

表2 螺钉弹垫试验结果

结论:弹簧垫圈错位是要因。

2.4 对手钣金孔设计是否合理

自攻钉配合的钣金孔为φ3.6mm的光孔, 为验证目前钣金的孔是否有问题, 小组成员制作了直径φ3.6mm的钣金孔进行试验, 如图8所示。

图8

试验证明, φ3.6mm的钣金孔在2N·m之内的扭矩下都能有效紧固, 不会滑牙, 数据见表3。

表3 φ3.6mm钣金孔破坏扭矩

结论:钣金孔设计不合理非要因。

小结及方案选用:自攻钉滑牙主要原因是扭矩设定值过高和弹簧垫片错位, 团队决定对所有供应商全部选用无弹垫螺钉, 发布自攻螺钉为1.3±0.3N·m, 批量验证有效。

螺栓

A车型试生产阶段发现后螺栓滑牙频率很高, 如图9所示, 同一生产线其它车型同类安装点滑牙率很低, 增加车间返修时间, 攻牙安装质量难以保证, 成立攻关小组进行对标分析。

图9

经对比现有车型和A车型发现:

(1) 量产车型与A车型工具选用和设定一致, 工具和扭矩设计原因可以排除。

(2) 螺栓结构是否是主要原因:

量产车型螺栓端头带有倒角, 可以起导向作用, A车型无倒角, 如图10所示。

图10

经公司紧固专家技术分析:斜面安装对孔难度远大于平面, 斜面螺栓为了提高对孔率, 必须采用带导向螺栓, A车型螺栓选用未考虑到安装面是斜面因素, 螺栓选用错误是主要原因。

小结和方案选择:不同区域螺栓选用要求存在差异, 团队决定选用适合斜面安装的带导向螺栓, 滑牙问题消除。