摘 要:在對電子產品進行振動篩選時,其緊固螺釘經常出現松動、松脫等故障。對螺釘松脫的 原因進行分析,明確了影響螺紋聯接松脫的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,并在實踐案例中進行了應用,結果可為提高產品的可靠性提供理論支持。 

關鍵詞:螺紋聯接;螺釘;預緊力;松脫;原因判定 

中圖分類號:TB30                       文獻標志碼:A                         文章編號:1001-4012(2023)05-0016-04  

螺紋結構在電子產品中的應用較廣泛,因此螺 紋聯接的可靠性至關重要。在產品結構設計時,需 要根據被固定件的載荷條件,選擇合適規格的螺釘。 在生產裝配過程中,需要根據螺釘及被固定件的材 料力學特性、載荷條件確定螺釘的鎖緊力矩,并采用 合適的方法盡量減小力矩偏差。 

為避 免 生 產 過 程 的 工 藝 缺 陷,按 照 GJB 9001C—2017《質量管理體系要求》,在完成整部件 裝配后,需按 GJB1032A—2020《電子產品環境應 力篩選方法》進行環境應力篩選,并根據篩選出的故 障提出改進和預防措施。如何快速、準確地對篩選 出的故障進行分析和原因判定是提高產品可靠性的 基礎。在篩選振動后出現松動、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行分析,并 提出了原因判定方法,結果可為提高產品的可靠性 提供理論支持。 

1 螺紋聯接的基本概念 

1.1 螺紋聯接目的 

典型螺紋聯接結構如圖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,固定件上加工內螺紋。螺紋聯接的目的 是獲得軸向力,螺釘在受到工作載荷前預先受到的 軸向力也稱為預緊力。利用預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。螺紋聯接松動指的是螺紋聯接預緊力的 衰減,松脫指的是預緊力完全消失。

1.2 預緊力 

螺紋聯接擰緊時的簡化力學模型如圖2所示, ?為螺旋升角,旋轉螺釘的推力會產生軸向力,即初 始預緊力。在初始預緊力的作用下,斜面內的分力 無法克服最大靜摩擦力,螺釘會靜止于螺母之上,不 會發生相對滑動。

螺釘旋轉推力由安裝螺釘的擰緊扭矩產生,螺 釘預緊力F 和擰緊扭矩T 的關系如式(1)所示[1]。

式中:K 為扭矩系數;d 為螺釘的公稱直徑。

2 螺紋聯接松脫的影響因素 

螺紋聯接具有安裝和拆卸方便、制造簡單、互換 性強和外形尺寸小等優點,應用十分廣泛。螺紋聯接 松脫影響因素包括初始預緊力、摩擦系數、螺紋旋合 長度等[2],螺紋旋合長度會影響螺釘的防松性能,原 因是承載螺紋圈數增多,摩擦面積變大,從而使防松 性能變好。螺紋的結構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 素擴大成摩擦面積更合理。綜上,螺紋聯接松脫影響 因素包括初始預緊力、摩擦系數、摩擦面積等。 

3 螺釘松脫原因的判定方法 

3.1 預緊力 

3.1.1 排查初始預緊力 

理論上,在不超過螺紋破壞載荷的前提下,初始 預緊力越大越好,初始預緊力與破壞載荷的比值為 預緊力系數S,其計算方法如式(2)所示。

式中:σ0.2 為螺紋材料的屈服強度;As 為螺釘公稱 應力截面積。 

預緊力系數大于50%且不超過屈服強度時能夠 保證螺紋有效聯接。σ0.2 選擇時取螺釘和緊固件的最小值,可以通過查詢相關手冊得到,為了簡便計算,扭 矩系數K 取0.2 [3],一般認為扭矩法安裝螺釘存在 ±25%的偏差。由式(1)和式(2)可知,當預緊力系數 為0.625~1時,可以排除初始預緊力的原因。

3.1.2 排查殘余預緊力 

當被壓件在完成螺紋聯接后,又受軸向的載荷 壓力F1 時,其簡化力學模型如圖3所示。螺釘和 被聯接件都是彈性體,在F1 的作用下,被壓件再次 被壓縮,螺釘長度發生變化,導致預緊力F 也隨之 發生變化,變為F',F'為殘余預緊力,受軸向的載荷 壓力F1 下殘余預緊力的計算方法如式(3)所示。

式中:K1 為螺釘的剛度系數;K2 為被壓件的剛度 系數。從式(3)中可以看出,在初始預緊力一定的情 況下,載荷壓力F1 越大,殘余預緊力F'越小。

殘余預緊力計算過程相對繁瑣,在排查載荷壓 力作用下的殘余預緊力時,建議直接通過測量擰松 扭矩來推導。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%。 根據螺紋聯接擰緊扭矩和擰松扭矩的計算模型[2], 并結合上述分析結果,當受載荷壓力后實測螺釘擰 松扭矩的預緊力系數小于0.375時,應將載荷壓力 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]。有效旋合長度達到3扣后,可以 有效防止螺紋聯接失效[5]。GB/T197—2003 《普 通螺紋公差》規定中等旋合長度N 的最小值基本與 3倍螺距對應,即與有效旋合3扣長度對應。當螺 釘有效旋合長度不小于3倍螺距時,可以排除旋合 長度原因導致的螺紋聯接失效。

3.2.2 排查螺紋結構尺寸 

使用對應的螺紋塞規和螺紋環規對工件內、外螺紋進行檢測,當止端螺紋塞規與工件內螺紋旋合 深度大于2倍螺距,或止端螺紋環規與工件外螺紋 旋合長度大于2倍螺距時,說明螺紋結構尺寸異常, 螺紋聯接后的摩擦面積減小,需將螺紋結構尺寸異 常歸為導致螺紋聯接失效的原因。

3.2.3 排查螺紋基本牙型完整性 

目視檢查內、外螺紋,如存在脫扣、牙面缺損等 現象,需將螺紋基本牙型完整性納入導致螺紋聯接 失效的原因。

3.3 摩擦系數 

摩擦系數由零件表面狀態確定,不同表面的摩 擦系數如表1所示[3],加工完成后摩擦系數基本固 定。裝入螺釘時,通常會進行潤滑處理,裝入螺釘 后,潤滑介質會揮發,因此摩擦系數會增大。摩擦系 數的增大有利于螺釘防松,因此在隨機振動過程中, 可以排除摩擦系數原因導致螺釘松脫。

4 方法應用 

4.1 故障現象 

某加固筆記本電腦產品在篩選振動過程中,95 臺產品中有13臺產品機箱靠近把手側的固定螺釘 掉落,螺釘松脫位置如圖4所示。

4.2 原因判定 

4.2.1 設備結構組成 

加固筆記本電腦由機箱、液晶屏等組件組成(見 圖5)。機箱由上蓋和下蓋通過螺釘聯接而成,螺紋 設置在機箱上蓋處;液晶屏由屏前框和屏后蓋通過 螺釘聯接而成,螺紋設置在屏后蓋處;液晶屏通過鉸 鏈以及鉸鏈墊塊安裝到機箱下蓋處(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、外螺紋,未 發現脫扣、牙面缺損等現象,排除該原因。 

(2)旋合長度:機箱下蓋固定螺釘的螺距為 0.45mm,穿過機箱后螺釘外露長度為3mm,機箱 上蓋內螺紋深度為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)螺紋結構尺寸:使用對應的螺紋塞規和螺 紋環規對螺釘以及機箱下蓋內的螺紋進行復檢,未 發現結構尺寸異常現象,排除該原因。 

(4)初始預緊力:加固筆記本電腦固定螺釘 的材 料 為 06Cr19Ni10 不 銹 鋼,其 屈 服 強 度 為 205MPa。螺釘的擰入方式為擰入6063鋁質零 件螺紋,鋁質零件的屈服強度為180 MPa。為了 防止螺紋出現滑絲或脫扣,需要按照屈服強度較 小的材料確定螺釘的擰緊扭矩。螺釘的應力截 面積為3.39mm2,緊固扭力設置為0.3N·m,將 以上數據代入式(1)和式(2),可得預緊力系數為 0.983。 

根 據 計 算 結 果,如 果 螺 釘 安 裝 扭 力 達 到 0.3N·m,可排除初始預緊力原因。為此進行了兩 組排查:A組是對同批次未發生螺釘松脫產品同位 置螺 釘 測 試 擰 松 扭 力;B 組 是 在 相 同 位 置 按 0.3N·m重新安裝同規格螺釘,測試擰松扭力。兩組排查結果如表2所示,發現測得的擰松扭力均不 小于0.25N·m,可以排除初始預緊力原因。

(5)殘余預緊力: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,需進行殘 余預緊力分析。

經過調查,為防止加固筆記本電腦在振動過程 與振動臺平面發生水平方向位移,螺母緊固扭力為 6.5N·m,計算可知,殘余預緊力系數為0.33,說明 螺釘聯接不再可靠[2]。 

4.3 故障復現 

可知該加固筆記本電腦螺釘的緊固扭力不大于 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箱下蓋螺釘。 在相同的振動指標下,下蓋螺釘出現了松動或松脫, 故障得到復現。 

4.4 糾正措施 

降低絲桿螺母的扭力,提高殘余預緊力。將絲 桿螺母固定扭力降低到1.5~2N·m,此時機箱下蓋 上的螺釘殘余預緊力約為0.25N·m,殘余預緊力系 數大于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,不發生相對移動, 加固筆記本電腦機箱下蓋的固定螺釘不發生松動或 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,使得螺釘殘余預緊力大幅降低,螺釘聯接 不可靠。降低螺釘被聯接件的正向壓力,以減少對 螺釘殘余預緊力的影響,可消除故障現象。

5 結語 

(1)螺紋聯接的目的是獲得軸向預緊力,當受 軸向載荷壓力時,殘余預緊力是最終決定螺紋聯接 可靠性的因素。 

(2)螺紋聯接松動影響因素包括初始預緊力、 摩擦系數、摩擦面積。對影響螺紋聯接松動的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,并在實踐案例中進行了應用,快速、 準確地對故障原因進行了判定。

參考文獻: 

[1] 聞邦椿.機械設計手冊(第二冊)[M].北京:機械工業 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].現代制造工程,2018(4):138-143. 

[3] 蘇東偉,王學志.船舶常用螺栓預緊力和擰緊力矩的 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果的影 響[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50(5):315-352.

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 5期 (pp:16-19)>