自攻螺釘攻入困難原因分析及預防

張衛新 唐朋 吳騰豐 雷奎

摘要：標準件生產企業缺少對自攻螺釘攻入困難的根本原因的分析和認識。本文結合生產實際中長期存在的此類問題，以分析自攻釘攻入通孔困難的原因為研究課題。進行充分的原因分析，發現導致攻人困難的原因有裝配因素和螺釘本身的因素。對影響因素做對比試驗，通過模擬裝配得出不同的扭矩值，發現摩擦系數、配合尺寸是影響自攻釘攻入困難的重要因素，并提出產品表面浸泡比例為1：1的干膜潤滑劑、大徑減小的方案，以提高攻入效果;提出增加鉆孔檢測，測試攻入扭矩和觀察螺紋磨損程度的方案，以預防不合格品流出。

關鍵詞：自攻螺釘;擠壓攻絲;內螺紋;攻絲扭矩;振動擠壓

中圖分類號：THl62.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0110-06

張衛新

畢業于太原理工大學材料工程專業，獲得工程碩士學位。現就職于浙江華遠汽車零部件有限公司，任質量工程師，已發表論文數篇。

自攻螺釘，為鋼制經表面鍍鋅鈍化的快裝緊固件，多用于薄的金屬板之間的連接。當自攻螺釘擰人無內螺紋孔時，自擠壓形成內螺紋。它是一種不需要事先攻內螺紋的螺紋緊固件。擠壓力使受壓材料更容易流動和擠入自攻螺釘螺紋的牙側和牙底。因此，自攻螺釘具有較好的擰入控制和緊固扭矩，可以極大地改善連接強度和整體牢固性。

針對自攻釘攻入困難的問題，相關作者主要描述了裝配扭矩和通孔的影響，沒有實質性的從產品受力、表處理狀態、尺寸等影響因素進行深入分析，且缺少螺釘攻入困難的相關研究文獻。對此，由于自攻螺釘攻入困難現象普遍存在，而防范過程中產品用量大，影響汽車正常生產節拍，所以不能一直進行防范。作者結合生產實際裝配方式，充分分析影響自攻螺釘攻入的相關影響因素，進行現場驗證，從根本上為企業提出關鍵性的預防措施，可以直接或間接的為企業節省數萬元以上運營成本。

1問題描述

2019年10月17日，合肥某汽車座椅公司的裝配人員發現十字槽自攻螺釘無法正常攻入座椅滑軌處的鈑金孔，該批次產品不良率占總數的90%，嚴重影響正常的裝配節拍，且該問題已被多次投訴。現場裝配位置如圖1所示。其它件號的多款自攻釘，也存在裝配困難的現象，經過檢測，自攻釘的性能尺寸都符合圖紙要求。因無法確定根本影響因素，該問題已持續半年。本文以該批次產品作為研究性課題，對主要影響因素進行深入的分析。產品檢測數據如表1所示，圖紙尺寸要求如圖2所示。

宏觀觀察螺紋表面，有嚴重的磨損現象，攻入牙至第三扣牙磨損嚴重，螺紋磨損情況如圖3所示。

2攻入困難原因分析

自攻釘在攻人通孔過程中會受到摩擦力、擠壓力以及外界作用在螺釘上的扭矩力的影響。本文主要從兩個方面進行理論性分析，然后通過試驗判斷出主要的影響因素。

2.1自攻時受力分析

自攻釘攻入金屬通孔時，通過冷擠壓內壁，發生塑性變形后形成內螺紋。在旋入的同時，擠壓力會導致牙尖表面粘結、擦傷，增加摩擦阻力。螺紋的摩擦阻力大小受金屬形變壓力和螺紋磨損的粗糙程度影響。摩擦力公式使用式（1）表示：

2.2.2外部因素

螺釘攻入通孔中時，底孔直徑增大，金屬應變量減小，塑性變形流變應力減小，扭矩值降低。

設定扭矩和速度都會對螺釘的攻入效果產生影響。王麗華指出，高轉速具有高的動能，當緊固后，極短時間停下，會產生瞬時大于設定值的扭矩。何偉東等對設定扭矩進行現場試驗，使用指針扳手施加于緊固件一個緩慢、低轉速的扭矩，出現5%的緊固件滑牙，但降低設定扭矩后，未發生滑牙，且路試未脫落。

3試驗

影響攻人扭矩阻力的宏觀因素有摩擦力、材料變形能力。通過受力分析和影響因素的研究指出，螺紋中徑、材料硬度、摩擦系數、牙型角、螺紋升角、通孔直徑、螺紋錐度、設定扭矩、扭矩速度會影響螺釘的裝配效果。

本試驗選取通孔直徑、螺紋大徑、扭矩設定值、轉速、螺紋錐度、摩擦系數因素進行驗證分析。模擬裝配試驗使用德國Zwiek螺紋緊固分析系統，設備型號為5413-2777/03。

3.1試驗設計

從影響扭矩的內部因素和外部因素考慮，設計實驗方案如下：

為分析轉速、扭矩、配合尺寸對裝配扭矩值的影響，使用Q420鈑金件，硬度175HV，厚度2mm，鉆孔φ4.1、φ4.2、φ4.3mm，參數設定1N·m、2N·m、3N·m扭矩分別配合100rpm、300rpm轉速，試驗設計如表2所示。

為分析摩擦系數、螺紋大徑、螺紋錐度對裝配扭矩值的影響，使用孔徑φ4.2mm、厚度3mm、硬度300HV的0460鈑金件，參數3N·m、300rpm的電槍，產品表面經過未拋丸、拋丸、鍍鋅、三價鉻藍白鈍化封閉、黑色鈍化DK4122封閉、615干膜潤滑狀態的表處理。表處理設計如表3所示，其中，序號4螺紋錐角為39°，其它試樣為45°。

3.2試驗結果

選取表3試樣1狀態的自攻螺釘，設定表2參數，螺釘未能攻入，設定扭矩值5N·m，重新攻入，得到該條件下扭矩值，結果如表4所示。模擬裝配如圖6所示。表3狀態的自攻螺釘，模擬裝配結果如表5所示，螺釘模擬裝配如圖7所示，客戶現場裝配結果如表6所示，現場使用設定4N·m的氣動扭矩槍。

3.3結果分析

3.3.1裝配因素

試驗中通過設計轉速、扭矩、配合尺寸3個因素的水平，得出不同的裝配扭矩值。頭部滑槍是指在攻入過程中頭部與槍頭的配合阻力小于螺釘的攻入阻力，造成槍頭從十字槽中跳出。

分析轉速因素，由表4知，設定扭矩5N·m，對比分析不同轉速下φ4.1的攻入扭矩值，設定轉速100rpm的攻入扭矩為3.85N·m，設定轉速300rpm的平均攻入扭矩為4.25N·m，扭矩值增加0.4N·m;對比分析不同轉速下φ4.3的攻入扭矩值，設定轉速100rpm時，頭部滑槍，設定轉速300rpm的平均攻入扭矩為3.08N·m;對比數據，裝配轉速100rpm提高至300rpm，攻入螺釘的摩擦阻力增加，當孔徑由φ4.1變為φ4.3時，低轉速會影響螺釘的垂直導向，增加攻人阻力，造成螺釘頭部滑槍。

分析裝配扭矩因素，扭矩設定1N·m、2N·m、3N·m，螺釘不能攻人全部試驗孔，設定5N·m，螺釘可攻入通孔，說明裝配扭矩的大小會直接影響螺釘的攻入效果。

分析配合尺寸因素，φ4.1、φ4.2、φ4.3相同轉速300rpm的平均攻入扭矩分別為4.25N·m、滑槍、3，08 N·m;孔徑增加0.2mm，攻入扭矩減少1.17 N·m;孔徑增加0.1mm，攻入阻力增加導致滑槍;說明在螺釘與通孔配合垂直的情況下，孔徑的增加才會降低攻入扭矩值，接觸的第一扣牙不能垂直導向，會增加攻入阻力。觀察序號10與12攻入后螺紋表面狀態，如圖8所示，10號φ4.1mm的攻入扭矩為4.7 N·m，為最大值，12號φ4.3ram的攻人扭矩為2.78 N·m，為最小值，10號比12號表面磨損嚴重。

3.3.2產品因素

實驗中研究了摩擦系數、螺紋大徑、螺紋錐度的產品因素。按照表3的設計得到試樣1-6的螺釘。

分析摩擦系數的影響，對比試樣2、試樣3、試樣5，增加1：1和1：3的干膜潤滑劑，攻入扭矩由4.07 N·m降低至2.58 N·m和2.83 N·m，增加潤滑劑可以降低攻入扭矩值，潤滑劑濃度越高攻入扭矩越低，干膜潤滑后的螺紋表面磨損狀態如圖1l所示。對比試樣3和試樣6，黑色鈍化、DK4122封閉改為三價鉻藍白鈍化封閉，攻入扭矩降低0.89 N·m。

分析螺紋大徑的影響，對比試樣1和試樣3，拋丸后螺紋大徑減小，攻入扭矩降低0.62 N·m，且螺紋磨損程度降低。

分析螺紋末端錐度的影響，由表6的裝配結果知，試樣2、試樣5、試樣6存在相同的結果;表中氣槍不斷氣跟轉，指設定4 N·m扭矩后，攻入螺釘的頭部與鈑金貼合，且頭端桿部螺紋短缺，阻力降低，形成與氣槍聯動;試樣4與其它試樣對比分析，螺紋末端錐度由45°減小至39°可以有效提高螺釘攻入率，螺紋末端的角度可以改善與通孔的過盈程度。

試樣1、試樣3、試樣6螺紋表面狀態對比如圖10所示。結合圖9對比，螺紋表面磨損程度大，攻入扭矩值大，磨損程度小，攻人扭矩值小。

4小結

觀察不合格品的表面磨損狀態，并對螺釘攻入扭矩大的原因進行分析，對比不同轉速、扭矩、配合尺寸、摩擦系數、螺紋大徑、螺紋錐度對裝配結果的影響，得出以下結論：

（1）螺釘表處理狀態會影響到摩擦系數的大小，摩擦系數是影響攻入扭矩的重要因素，而鍍層表面的粗糙度成為影響摩擦系數的關鍵要因;

（2）與螺釘的配合孔徑會影響攻入扭矩，在螺釘能自然垂直配合孔徑的前提下，孔徑越大，所需要的攻入扭矩值越小;針對該批次狀態產品，通過改變錐形角度，可以改變攻入螺紋的過盈量，可有效改善攻入扭矩。

（3）針對該批次不合格產品，返工方式，可以通過增加產品拋丸，電鍍封閉后使用615干膜潤滑劑1：1的比例進行潤滑，減小產品的攻入扭矩。

（4）螺釘不合格品控制，可通過鉆板試驗，查看攻入扭矩及螺紋表面磨損程度，判斷產品是否合格。攻入扭矩小于裝配扭矩，螺紋表面磨損不超過一扣牙，產品便可以正常使用。