【知识干货】螺栓拧紧失效分析及对策研究

导读

作者：李刚、罗慧琪（柳州赛克科技发展有限公司，广西柳州市　545005）

来源：《时代汽车》2022年6月

摘要：某公司发动机做热试试验后，返修发现螺栓断裂。对失效螺栓的所有工序使用 5M1E 法进行原因分析、 及做对应的螺栓拧紧验证和对策，结果表明：（1）螺栓拧紧次数 3 次就出现变形、断裂，（2）螺栓 表面带油，导致螺栓在拧紧过程中的螺纹副摩擦系数变小，容易造成螺栓变形、屈服甚至断裂。所以， 螺栓多次拧紧和表面带油是导致螺栓韧性断裂的根本原因。本文详细分析了螺栓断裂的失效原因并针 对性地通过数据分析和实际验证提供相应的工艺和拧紧测量优化对策从而保证螺栓拧紧断裂失效模式 得到有效识别和控制。

1　引言 

    螺栓拧紧作为一种连接方式具有设计简 单、零部件标准化、装配简单拆卸方便、效 率高、成本低等特点，广泛用于汽车零部件 及发动机的设计及装配过程中。它的原理是 通过在螺栓头施加扭矩将螺栓拧进连接件的 螺纹中，施加完扭矩产生的夹紧力将两个连 接件连接固定在一起 [1]。 

    某公司一台做过台架试验的发动机，拆 解后重新返修上线拧紧过程中出现了报警， 拆开发动机后发现有有 4 颗螺栓断裂（排气 侧第 2 螺栓有 2 颗断裂，排气侧第 4 螺栓有 1 颗断裂，进气侧第 2 螺栓有 1 颗断裂），断 裂螺栓都有缩颈现象 [2]，见图 1。 

    凸轮轴轴承盖螺栓的等级为 8.8 级，材 料牌号为 SWRCH40K，热处理工艺为调质处 理，硬度值要求为 22HRC ～ 32HRC。通过 对断裂螺栓材质的硬度和金相组织、断面微 观形貌进行分析，以及结合连杆螺栓的安装 过程进行工艺分析，已找出螺栓断裂的原因，并提出改进措施。

2　螺栓拧紧失效原因分析 

    出现发动机凸轮轴轴承盖螺栓断裂的质 量事故，相关工程师第一时间到生产车间进 行现场调查，并结合 5M1E 法进行原因分析， 调查分析结果如下： 

2.1　人员分析 

    拧紧螺栓工序，工作人员未发生变动， 非影响因素。

2.2　设备分析 

    拧紧凸轮轴轴承盖螺栓的十轴拧紧机已标 定校准，其MSA过程能力分析也在合格范围内。2.3　物料分析 由图 1 可知，断裂的凸轮轴轴承盖螺栓 有缩颈现象，说明螺栓产生了应力集中变形 情况，是属于典型的韧性断裂 [3]。在断裂的凸 轮轴轴承盖螺栓距离螺纹末端 1d（d 为螺栓 直径）处切取横向试样 [4]，螺栓样块经过镶嵌、 粗磨、精磨、抛光，进行理化检测。（1）硬 度检测：使用洛氏硬度计对螺栓样块进行硬 度检测 [5]，螺栓的硬度检测数据如表 1 所示。由表可知，螺栓硬度合格。（2）显微组织分析：用 4% 硝酸酒精溶液腐蚀螺栓样块，放在金相 显微镜下进行观察 [6]，螺栓的边缘金相组织未 见脱碳现象，心部金相组织为回火索氏体， 螺栓的金相组织未见异常 [7]，螺栓的金相组织 形貌如图 2 所示。（3）断口形貌分析：将已 用超声波清洗的一截传动轴断口置于扫描电 镜下进行微观形貌分析，断口形貌均为剪切韧窝特征，螺栓的断口形貌见图 3。综上，分 析认为，凸轮轴轴承盖螺栓发生了快速过载 性断裂。

2.4　工艺分析 

    凸轮轴轴承盖螺栓的拧紧工艺为：（1） 所有螺栓都先拧紧至扭力 2N·m，再反松 180°；（2）第 2 和 4 凸轮轴轴承盖螺栓， 先同时拧紧至扭力 10N·m，再反松 180°， 最后同时拧紧至 10N·m；（3）第 1、3、5 凸轮轴轴承盖螺栓，同时拧紧至 10N·m。由拧紧工艺可知，每次过拧紧站时，第 2 和 4 凸轮轴轴承盖螺栓都有 2 次复拧，且出现凸 轮轴轴承盖螺栓缩颈和断裂情况的均为第 2 和 4 螺栓，见图 5。分析认为，螺栓多次拧紧 是造成螺栓断裂的可疑原因。 

2.5　环节分析 

    此外，还发现，出现凸轮轴轴承盖螺栓 断裂的发动机均是台架试验不合格后、进行 二次装配的返修件。做过台架试验后的发动 机，其轴承盖的法兰面及螺纹孔有残油，若 粘附在轴承盖上的油脂未清理干净，会导致 轴承盖和螺栓两者间的摩擦系数变小、螺栓 的夹紧力变大，达到同等拧紧扭矩的情况下， 螺栓出现韧性断裂的风险加大。 

    螺栓拧紧的夹紧力计算公式为：FM=T÷ （0.16P ＋（ug×0.58×d2）），其中 FM— 夹紧力，P—螺距，ug—螺纹副摩擦系数，d2—螺栓直径 [8]。由公式可知，若螺栓表面 带油，在拧紧过程中螺栓的螺纹副摩擦系数 变小、夹紧力过大，容易造成螺栓变形、屈 服甚至断裂。分析认为，螺栓表面带油是造 成螺栓断裂的可疑原因。

2.6　拧紧测试曲线分析 

    调出螺栓的拧紧测试曲线，见图 5，发现：（1）正常螺栓的拧紧曲线，扭矩从 0N·m 逐步上升至终扭矩 10N·m；（2）断裂螺栓 拧紧曲线，扭矩在 0N·m 至 0.05N·m 之间 波动，无法上升到设定的目标扭矩 10N·m。说明螺栓的拧紧测试曲线是可控的。

3　螺栓拧紧验证分析 

    根据现场的原因调查分析，造成螺栓断 裂的可疑因素有：螺栓多次拧紧、螺栓表面 带油，现对两因素进行验证分析，进一步确 定螺栓断裂的原因。 

3.1　螺栓多次拧紧验证 

    按当前的螺栓拧紧工艺，对同一台发动 机的凸轮轴轴承盖螺栓进行多次拧紧试验， 螺栓第一次和第二次过拧紧站均未发现异常， 但是螺栓第三次过拧紧站就发现第 2 和 4 凸 轮轴轴承盖螺栓出现缩颈和断裂情况，见图 5。说明多次拧紧是螺栓断裂的原因之一。

3.2　螺栓表面带油验证 

    按当前的螺栓拧紧工艺，对表面状态不 同的螺栓进行一次拧紧试验，3 颗表面无油螺 栓的屈服扭力达到 19N.m ～ 20N.m，4 颗表 面带油螺栓的屈服为 11N.m ～ 15.5N.m， 见表 2，说明螺栓表面是否带油对其屈服扭力 数值有明显差异。取做过一次拧紧试验的① 和⑤螺栓做形貌放大图分析，图 6 和图 7 分 别为①表面无油螺栓和⑤表面有油螺栓的放 大图，由图 6 和图 7 可知，①表面无油螺栓 经过一次拧紧后的螺牙完好、无缺陷，⑤表 面有油螺栓经过一次拧紧后的螺牙底部有裂纹，分析认为，螺栓表面带油，在拧紧过程 中螺栓的螺纹副摩擦系数变小、夹紧力过大， 造成螺栓屈服甚至断裂。

4　螺栓拧紧对策 

    由螺栓分析结果可知，螺栓多次拧紧和 表面带油都是导致螺栓断裂的原因，如两者 同时存在，则螺栓会发生快速过载断裂，针对分析结果，对螺栓拧紧工序做以下对策： 

4.1　螺栓表面状态定义 

    根据螺栓表面带油验证的结果，表面有 油螺栓经过一次拧紧后的螺牙底部有裂纹，故禁止使用表面有油的螺栓使用拧紧次数为 两次，且在标准化作业文件里面注明要求。 

4.2　螺栓使用拧紧次数定义 

    由螺栓多次拧紧验证的结果可知，螺栓 第三次过拧紧站后出现屈服断裂，说明螺栓 拧紧次数不能超过 3 次。结合螺栓自身材质， 已知螺栓等级为 8.8 级，其屈服强度只有 320MPa。所以，定义螺栓的使用拧紧次数为 2 次，第三次过线返修时需要更换螺栓；更新 生产现场的标准作业指导书文件，注明螺栓 的使用拧紧次数。

4.3　工艺过程改进 

    对第 2 和 4 凸轮轴轴承盖螺栓的拧紧工 艺进行优化改进：将第 2 和 4 螺栓过程扭矩 从 10N ﹒ m 降低到 3N ﹒ m，可避免第 2 和 4 凸轮轴承盖螺栓出现 2 次拧紧至目标扭矩。 

4.4　拧紧测量方式优化及早期预警失效 

    目前，螺栓拧紧设备的角度≥ 300°则出 现报警，调出车间的螺栓拧紧数据，发现近 两年的合格螺栓拧紧角度集中分布在 42°以 内，同时验证 30 件螺栓拧紧至 16N ﹒ m 使螺 栓拧紧屈服，查看曲线确认螺栓屈服点，最 小屈服角度为 47.7°。通过以上大数据分析和验证将拧紧角度 42°作为新的报警临界值。

5　结语 

    凸轮轴轴承盖螺栓断裂后，使用 5M1E 法原因分析和验证分析，可知，对发动机凸 轮轴轴承盖螺栓拧紧做以下对策：（1）禁止 使用表面带油的螺栓，（2）定义螺栓使用拧 紧次数为两次，（3）工艺上将第 2 和 4 凸 轮轴轴承盖螺栓过程扭矩从 10N ﹒ m 降低到 3N ﹒ m，（4）将螺栓拧紧角度的预警阀值从 300°调低到 42°。上述改进措施实施后，发 动机螺栓未再出现屈服拉长或断裂情况，这 说明了改进措施有效，消除了发动机螺栓拧 紧的质量安全隐患。    本文针对螺栓拧紧情况分析了其失效机 理、原因和对策以供发动机工艺制定实施做 相应的借鉴从而避免螺栓断裂导致发动机无 法运转等问题对客户造成的伤害和损失。

参考文献：

[1]、[8] 魏兵 . 实用紧固件手册 [M]. 北京：机 械工业出版社，2018.

[2]-[3] 陶春虎，郭倩旎 . 紧固件的失效分析及 其预防 [M]. 北京：航空工业出版社，2013.

[4] 中机生产力促进中心 .GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 [S]. 北 京：中国标准出版社，2010.

[5] 朱 林 茂， 高 怡 斐， 刘 卫 平， 等 .GB/T 230.1-2009 金属材料洛氏硬度试验 [S]. 北 京：中国标准出版社，2009.

[6]-[7] 李炯辉，林德成，丁惠麟，等 . 金属材料 金相图谱 [M]. 北京：机械工业出版社，2006

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