防止螺栓斷裂的工藝與質量控制

陳宏斌

摘要：本文以國產某款發動機為研究對象，以模擬缸蓋狀態下為背景，缸蓋螺栓斷裂作為現象，對其進行的研究。對比國內外在研究螺栓斷裂報告以及理論基礎，從而設計出防止該款發動機在缸蓋螺栓斷裂缺陷的工程數據以及解決方法，最后通過實際的工業生產結果，后續的整車以及售后反饋，去評價此優化方法的優越性。

Abstract： According to the engine as the research object， and the cylinder honing head? process on aluminum cylinder block as the background and the fracture of the cylinderhead bolt as phenomenon. Contrasts he research of bolt fracture in domestic and foreign. and according to the research way of them. We can design the way of the solving the fracture problem. Finally， the superiority of this optimization method is evaluated by the actual industrial production results， the follow-up vehicle and after-sales feedback.

關鍵詞：發動機;螺栓斷裂;工藝優化;模擬缸蓋螺栓技術;二次使用

Key words： engine;cylinder honing head process;secondary use;bolt fracture;process optimization

中圖分類號：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0038-02

0? 引言

發動機企業為了達到“降本增效”的目標，很多零件都已經考慮從零件成本以及使用次數上進行優化，因此缸蓋螺栓作為發動機使用率最低，成本最高且最重要的螺栓已經受到很多企業的關注與研究。由于在生產過程中，引入了模擬缸蓋這一技術理念來解決發動機缸孔圓柱度偏移問題，同時為了還能夠解決缸蓋螺栓利用率低的事實，目前采用了二次回用的方法，因此二次使用過程中的螺栓的質量控制就成為了關鍵。

1? 缸蓋二次回用螺栓的斷裂的問題分析結果

模擬缸蓋螺栓斷裂是由于螺栓疲勞失效造成的，裂紋的產生、擴展和撕裂與螺栓材料性能、螺栓結構，裝配應力狀態，擰緊方法策略等因素（二次使用螺栓）有關。而且由于目前工藝中缸蓋螺栓又是二次使用的螺栓，所以使用起來在應力狀態上的要求比一次使用的缸蓋螺栓更嚴格，更容易脆性斷裂，所以對螺栓的品質，螺栓的使用過程，螺栓使用環境都有非常嚴格的要求疲勞失效原因有三大方面，其一為缸體內部螺紋原因，其二為螺栓原因，其三為擰緊工藝原因，見圖1。

2? 優化方法介紹以及效果

影響模擬缸蓋螺栓二次回用后斷裂的原因[1]有本身的螺栓加工工藝缺陷，螺紋加工刀具損壞或磨損，以及裝配擰緊工藝策略，所以要采用這三方面中的主要原因對其進行優化，優化方式如表1。判斷螺栓性能好壞的標準是螺栓最終的應力載荷大小，而判斷螺紋狀態的一個標準是螺紋的“魚嘴”[2]。圖2為螺紋頭部雙牙尖（“魚嘴”）的示意圖，結合國際標準VW01178-2016對于螺栓牙尖的標準，H1代表的是加工螺紋深度，而較高的那個螺牙不能高于總牙高（即螺紋加工深度）H1的1/3高度，即“魚嘴”比要小于33%）。

2.1 優化刀具涂層的效果

選用Hard Carbon涂層的加工螺紋用的絲錐觀察各種條件下的試驗下的螺紋狀態絲錐的涂層以及拋光進行如圖3的試驗，實驗效果如下：

總截面高度（牙高）：692μm/694μm;

切削后高度：224μm/220μm;

螺紋“魚嘴”比例：32%/31%。

顯然在使用了Hard Carbon涂層后，“魚嘴”比例都很平穩的在31%左右，螺紋效果非常良好。

2.2 優化絲錐外徑大小

將原來“魚嘴”比例較差的絲錐外徑增加0.07～0.1mm，更改之后，進行試切，并對其進行比較。

在增加了原本的絲錐外徑0.07～0.1mm（符合公差范內）之后發現“魚嘴”的效果越來越好，即只要在合理的范圍內增加外徑尺寸，“魚嘴”的效果就會改變。

2.3 優化螺栓擰緊參數

缸蓋螺栓的擰斷扭矩在85Nm左右，采用AW11方法，此方法能夠更好地利用螺栓，同樣能夠同時在擰緊控制柜調整螺栓的擰緊策略[3][4][5]，并將擰緊參數輸入進控制程序中，擰緊完成之后對缸體螺紋進行觀察，觀察螺紋是否已經破壞。實驗之后發現螺紋在30Nm+90°*2這樣一種扭矩加轉角的基礎上擰出的效果會比較好，見圖4。其螺紋“魚嘴”比例在32.91%，符合螺紋使用標準。

2.4 優化裝配流程以及工藝

擰緊完成之后需保證缸體與螺栓分離，缸體的需要增加清洗機進行清洗，確保無鋁絲遺留在缸體內，同時螺栓需要通過缸體線的清洗機對螺栓表面的進行清理，員工將滿箱放至指定區域，空箱由上線處拿取，且包裝必須完好，這是為了保證螺栓表面的清潔度。模擬缸蓋拆卸后，由于經過了清洗過程中所殘留下來的乳化液以及各種珩磨液以及擰緊時產生的鋁屑等。這些表面的殘留會對后續的擰緊等使用帶來影響，因此為了能夠后期更好的對螺栓進行回用，必須按要求對螺栓進行清潔。目前采用的是壓縮空氣進行吹掃，來回往復進行（根據生產線的節拍定義吹掃的時間和頻次，目前我司采用的10秒的吹掃時間）以確保螺栓的螺紋區域內無殘留鋁屑，無殘液，無生銹、表面損傷等情況。

3? 結論

為了防止模擬缸蓋二次回用螺栓斷裂，總結以下幾點：

①模擬缸蓋二次回用螺栓的選擇以及使用要求是非常嚴格的，必須注意螺栓表面的清潔度以及磕碰傷;

②在刀具參數的優化與選擇上，在加工缸體螺紋的時候，必須采用的合理的涂層;目前采用的是Hard Carbon，這種涂層，硬度極高，磨擦系數很低，拋光處理后摩擦系數<0.1，涂層厚度很薄，與基本附著力非常好，適合加工有色金屬;對絲錐大徑的要求是必須在中差，并且利用CPK檢查手法以及軟件對絲錐的尺寸進行檢查以及核實，目前建議每班都需要有對加工刀具進行的檢查，檢查的尺寸要在原尺寸的80%上限即報警;

③在裝配以及擰緊的工藝上，在擰緊程序選用的是擰緊程序：30Nm+90°*2。

參考文獻：

[1]廖健偉.氣缸蓋螺栓斷裂原因分析[J].機床與液壓，2006（06）：249-250，206.

[2]邢韜，姜曉晨.鋁缸體螺紋U型牙尖解決措施研究[J].汽車工藝師，2019（07）.

[3]鄭勁松.柴油機缸蓋螺栓擰緊工藝試驗開發[J].機械工程師，2012（04）：46-48.

[4]張瓊敏.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝研究[J].汽車科技，2003（02）：19-22.

[5]趙禮飛，胡必謙，鄭久林，劉芯娟.缸蓋螺栓轉角法擰緊工藝的設計[J].內燃機，2016，4（05）：12-14.