摘 要:在對電子產(chǎn)品進(jìn)行振動篩選時,其緊固螺釘經(jīng)常出現(xiàn)松動、松脫等故障。對螺釘松脫的 原因進(jìn)行分析,明確了影響螺紋聯(lián)接松脫的3個因素的排查方法和排除條件,建立了螺釘松脫原因 判定方法,并在實踐案例中進(jìn)行了應(yīng)用,結(jié)果可為提高產(chǎn)品的可靠性提供理論支持。
關(guān)鍵詞:螺紋聯(lián)接;螺釘;預(yù)緊力;松脫;原因判定
中圖分類號:TB30 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)05-0016-04
螺紋結(jié)構(gòu)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用較廣泛,因此螺 紋聯(lián)接的可靠性至關(guān)重要。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需 要根據(jù)被固定件的載荷條件,選擇合適規(guī)格的螺釘。 在生產(chǎn)裝配過程中,需要根據(jù)螺釘及被固定件的材 料力學(xué)特性、載荷條件確定螺釘?shù)逆i緊力矩,并采用 合適的方法盡量減小力矩偏差。
為避 免 生 產(chǎn) 過 程 的 工 藝 缺 陷,按 照 GJB 9001C—2017《質(zhì)量管理體系要求》,在完成整部件 裝配后,需按 GJB1032A—2020《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng) 力篩選方法》進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選,并根據(jù)篩選出的故 障提出改進(jìn)和預(yù)防措施。如何快速、準(zhǔn)確地對篩選 出的故障進(jìn)行分析和原因判定是提高產(chǎn)品可靠性的 基礎(chǔ)。在篩選振動后出現(xiàn)松動、松脫是緊固螺釘比 較常見的故障,筆者對螺釘松脫的原因進(jìn)行分析,并 提出了原因判定方法,結(jié)果可為提高產(chǎn)品的可靠性 提供理論支持。
1 螺紋聯(lián)接的基本概念
1.1 螺紋聯(lián)接目的
典型螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括螺釘、一個 固定件和一個被壓件,被壓件上開通孔,孔徑大于螺 紋的外徑,固定件上加工內(nèi)螺紋。螺紋聯(lián)接的目的 是獲得軸向力,螺釘在受到工作載荷前預(yù)先受到的 軸向力也稱為預(yù)緊力。利用預(yù)緊力將被壓件緊緊地 壓在固定件上,并在受到工作載荷后,保證殘余預(yù)緊 力仍然能將被壓件壓在固定件上,以滿足各種工況 下的需求。螺紋聯(lián)接松動指的是螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的 衰減,松脫指的是預(yù)緊力完全消失。
1.2 預(yù)緊力
螺紋聯(lián)接擰緊時的簡化力學(xué)模型如圖2所示, ?為螺旋升角,旋轉(zhuǎn)螺釘?shù)耐屏a(chǎn)生軸向力,即初 始預(yù)緊力。在初始預(yù)緊力的作用下,斜面內(nèi)的分力 無法克服最大靜摩擦力,螺釘會靜止于螺母之上,不 會發(fā)生相對滑動。
螺釘旋轉(zhuǎn)推力由安裝螺釘?shù)臄Q緊扭矩產(chǎn)生,螺 釘預(yù)緊力F 和擰緊扭矩T 的關(guān)系如式(1)所示[1]。
式中:K 為扭矩系數(shù);d 為螺釘?shù)墓Q直徑。
2 螺紋聯(lián)接松脫的影響因素
螺紋聯(lián)接具有安裝和拆卸方便、制造簡單、互換 性強(qiáng)和外形尺寸小等優(yōu)點,應(yīng)用十分廣泛。螺紋聯(lián)接 松脫影響因素包括初始預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、螺紋旋合 長度等[2],螺紋旋合長度會影響螺釘?shù)姆浪尚阅?原 因是承載螺紋圈數(shù)增多,摩擦面積變大,從而使防松 性能變好。螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸和基本牙型是否完整也 是影響摩擦面積的因素,所以將螺紋旋合長度這一因 素擴(kuò)大成摩擦面積更合理。綜上,螺紋聯(lián)接松脫影響 因素包括初始預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、摩擦面積等。
3 螺釘松脫原因的判定方法
3.1 預(yù)緊力
3.1.1 排查初始預(yù)緊力
理論上,在不超過螺紋破壞載荷的前提下,初始 預(yù)緊力越大越好,初始預(yù)緊力與破壞載荷的比值為 預(yù)緊力系數(shù)S,其計算方法如式(2)所示。
式中:σ0.2 為螺紋材料的屈服強(qiáng)度;As 為螺釘公稱 應(yīng)力截面積。
預(yù)緊力系數(shù)大于50%且不超過屈服強(qiáng)度時能夠 保證螺紋有效聯(lián)接。σ0.2 選擇時取螺釘和緊固件的最小值,可以通過查詢相關(guān)手冊得到,為了簡便計算,扭 矩系數(shù)K 取0.2 [3],一般認(rèn)為扭矩法安裝螺釘存在 ±25%的偏差。由式(1)和式(2)可知,當(dāng)預(yù)緊力系數(shù) 為0.625~1時,可以排除初始預(yù)緊力的原因。
3.1.2 排查殘余預(yù)緊力
當(dāng)被壓件在完成螺紋聯(lián)接后,又受軸向的載荷 壓力F1 時,其簡化力學(xué)模型如圖3所示。螺釘和 被聯(lián)接件都是彈性體,在F1 的作用下,被壓件再次 被壓縮,螺釘長度發(fā)生變化,導(dǎo)致預(yù)緊力F 也隨之 發(fā)生變化,變?yōu)镕',F'為殘余預(yù)緊力,受軸向的載荷 壓力F1 下殘余預(yù)緊力的計算方法如式(3)所示。
式中:K1 為螺釘?shù)膭偠认禂?shù);K2 為被壓件的剛度 系數(shù)。從式(3)中可以看出,在初始預(yù)緊力一定的情 況下,載荷壓力F1 越大,殘余預(yù)緊力F'越小。
殘余預(yù)緊力計算過程相對繁瑣,在排查載荷壓 力作用下的殘余預(yù)緊力時,建議直接通過測量擰松 扭矩來推導(dǎo)。普通螺釘在未加防松措施和擰緊后立 刻擰松時,擰松扭矩和擰緊扭矩的比例約為80%。 根據(jù)螺紋聯(lián)接擰緊扭矩和擰松扭矩的計算模型[2], 并結(jié)合上述分析結(jié)果,當(dāng)受載荷壓力后實測螺釘擰 松扭矩的預(yù)緊力系數(shù)小于0.375時,應(yīng)將載荷壓力 納入螺釘松脫原因。
3.2 摩擦面積
3.2.1 排查螺紋旋合長度
對于螺紋受力及旋合長度,螺紋前3扣將承載 80%以上的力[4]。有效旋合長度達(dá)到3扣后,可以 有效防止螺紋聯(lián)接失效[5]。GB/T197—2003 《普 通螺紋公差》規(guī)定中等旋合長度N 的最小值基本與 3倍螺距對應(yīng),即與有效旋合3扣長度對應(yīng)。當(dāng)螺 釘有效旋合長度不小于3倍螺距時,可以排除旋合 長度原因?qū)е碌穆菁y聯(lián)接失效。
3.2.2 排查螺紋結(jié)構(gòu)尺寸
使用對應(yīng)的螺紋塞規(guī)和螺紋環(huán)規(guī)對工件內(nèi)、外螺紋進(jìn)行檢測,當(dāng)止端螺紋塞規(guī)與工件內(nèi)螺紋旋合 深度大于2倍螺距,或止端螺紋環(huán)規(guī)與工件外螺紋 旋合長度大于2倍螺距時,說明螺紋結(jié)構(gòu)尺寸異常, 螺紋聯(lián)接后的摩擦面積減小,需將螺紋結(jié)構(gòu)尺寸異 常歸為導(dǎo)致螺紋聯(lián)接失效的原因。
3.2.3 排查螺紋基本牙型完整性
目視檢查內(nèi)、外螺紋,如存在脫扣、牙面缺損等 現(xiàn)象,需將螺紋基本牙型完整性納入導(dǎo)致螺紋聯(lián)接 失效的原因。
3.3 摩擦系數(shù)
摩擦系數(shù)由零件表面狀態(tài)確定,不同表面的摩 擦系數(shù)如表1所示[3],加工完成后摩擦系數(shù)基本固 定。裝入螺釘時,通常會進(jìn)行潤滑處理,裝入螺釘 后,潤滑介質(zhì)會揮發(fā),因此摩擦系數(shù)會增大。摩擦系 數(shù)的增大有利于螺釘防松,因此在隨機(jī)振動過程中, 可以排除摩擦系數(shù)原因?qū)е侣葆斔擅摗?
4 方法應(yīng)用
4.1 故障現(xiàn)象
某加固筆記本電腦產(chǎn)品在篩選振動過程中,95 臺產(chǎn)品中有13臺產(chǎn)品機(jī)箱靠近把手側(cè)的固定螺釘 掉落,螺釘松脫位置如圖4所示。
4.2 原因判定
4.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成
加固筆記本電腦由機(jī)箱、液晶屏等組件組成(見 圖5)。機(jī)箱由上蓋和下蓋通過螺釘聯(lián)接而成,螺紋 設(shè)置在機(jī)箱上蓋處;液晶屏由屏前框和屏后蓋通過 螺釘聯(lián)接而成,螺紋設(shè)置在屏后蓋處;液晶屏通過鉸 鏈以及鉸鏈墊塊安裝到機(jī)箱下蓋處(見圖6)。
4.2.2 原因判定過程
(1)螺紋牙面完整性:目視檢查內(nèi)、外螺紋,未 發(fā)現(xiàn)脫扣、牙面缺損等現(xiàn)象,排除該原因。
(2)旋合長度:機(jī)箱下蓋固定螺釘?shù)穆菥酁? 0.45mm,穿過機(jī)箱后螺釘外露長度為3mm,機(jī)箱 上蓋內(nèi)螺紋深度為4mm,有效旋合長度約為6倍 螺距,符合旋合長度要求,排除該原因。
(3)螺紋結(jié)構(gòu)尺寸:使用對應(yīng)的螺紋塞規(guī)和螺 紋環(huán)規(guī)對螺釘以及機(jī)箱下蓋內(nèi)的螺紋進(jìn)行復(fù)檢,未 發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸異常現(xiàn)象,排除該原因。
(4)初始預(yù)緊力:加固筆記本電腦固定螺釘 的材 料 為 06Cr19Ni10 不 銹 鋼,其 屈 服 強(qiáng) 度 為 205MPa。螺釘?shù)臄Q入方式為擰入6063鋁質(zhì)零 件螺紋,鋁質(zhì)零件的屈服強(qiáng)度為180 MPa。為了 防止螺紋出現(xiàn)滑絲或脫扣,需要按照屈服強(qiáng)度較 小的材料確定螺釘?shù)臄Q緊扭矩。螺釘?shù)膽?yīng)力截 面積為3.39mm2,緊固扭力設(shè)置為0.3N·m,將 以上數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2),可得預(yù)緊力系數(shù)為 0.983。
根 據(jù) 計 算 結(jié) 果,如 果 螺 釘 安 裝 扭 力 達(dá) 到 0.3N·m,可排除初始預(yù)緊力原因。為此進(jìn)行了兩 組排查:A組是對同批次未發(fā)生螺釘松脫產(chǎn)品同位 置螺 釘 測 試 擰 松 扭 力;B 組 是 在 相 同 位 置 按 0.3N·m重新安裝同規(guī)格螺釘,測試擰松扭力。兩組排查結(jié)果如表2所示,發(fā)現(xiàn)測得的擰松扭力均不 小于0.25N·m,可以排除初始預(yù)緊力原因。
(5)殘余預(yù)緊力:加固筆記本電腦在振動臺上 的固定方式如圖7所示,簡化力學(xué)模型如圖8所示, 可見加固筆記本電腦受軸向的載荷壓力,需進(jìn)行殘 余預(yù)緊力分析。
經(jīng)過調(diào)查,為防止加固筆記本電腦在振動過程 與振動臺平面發(fā)生水平方向位移,螺母緊固扭力為 6.5N·m,計算可知,殘余預(yù)緊力系數(shù)為0.33,說明 螺釘聯(lián)接不再可靠[2]。
4.3 故障復(fù)現(xiàn)
可知該加固筆記本電腦螺釘?shù)木o固扭力不大于 0.125N·m,因此先采用6.5N·m扭力固定絲桿螺母,將加固筆記本電腦固定到振動臺上,然后采用 0.125N·m扭力安裝加固筆記本電腦機(jī)箱下蓋螺釘。 在相同的振動指標(biāo)下,下蓋螺釘出現(xiàn)了松動或松脫, 故障得到復(fù)現(xiàn)。
4.4 糾正措施
降低絲桿螺母的扭力,提高殘余預(yù)緊力。將絲 桿螺母固定扭力降低到1.5~2N·m,此時機(jī)箱下蓋 上的螺釘殘余預(yù)緊力約為0.25N·m,殘余預(yù)緊力系 數(shù)大于0.66,大部分為0.83以上。該方法可使加固 筆記本電腦在振動臺上可靠固定,不發(fā)生相對移動, 加固筆記本電腦機(jī)箱下蓋的固定螺釘不發(fā)生松動或 松脫。
4.5 原因分析
加固筆記本電腦篩選振動后,螺釘松動或松脫 的原因是,加固筆記本電腦在振動臺上固定時,壓杠 壓力太大,使得螺釘殘余預(yù)緊力大幅降低,螺釘聯(lián)接 不可靠。降低螺釘被聯(lián)接件的正向壓力,以減少對 螺釘殘余預(yù)緊力的影響,可消除故障現(xiàn)象。
5 結(jié)語
(1)螺紋聯(lián)接的目的是獲得軸向預(yù)緊力,當(dāng)受 軸向載荷壓力時,殘余預(yù)緊力是最終決定螺紋聯(lián)接 可靠性的因素。
(2)螺紋聯(lián)接松動影響因素包括初始預(yù)緊力、 摩擦系數(shù)、摩擦面積。對影響螺紋聯(lián)接松動的3個 因素明確了排查方法和排除條件,建立了螺釘松脫 原因分析方法,并在實踐案例中進(jìn)行了應(yīng)用,快速、 準(zhǔn)確地對故障原因進(jìn)行了判定。
參考文獻(xiàn):
[1] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊(第二冊)[M].北京:機(jī)械工業(yè) 出版社,2010.
[2] 劉傳波,孫靜明,莫易敏.螺紋緊固件防松性能影響因 素研究[J].現(xiàn)代制造工程,2018(4):138-143.
[3] 蘇東偉,王學(xué)志.船舶常用螺栓預(yù)緊力和擰緊力矩的 確定[J].船海工程,2019,48(2):127-130.
[4] 張振祥.螺紋前三扣受力及防松能力探討[J].金屬世 界,2014(1):44-46.
[5] 譚曉舟.螺紋有效旋合長度對螺栓拉力試驗結(jié)果的影 響[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50(5):315-352.