为汽车制造业大批量生产过程中的轻金属外壳设计螺纹自成形螺丝

概述标准情况下，汽车制造业所使用的轻金属外壳都通过使用公制螺丝接合。在设计过程中，人们更多的依赖于长期依赖积累的知识和经验，部分也会采用模拟的方法或者参考标准，例如VDI2230。在被观察的离合器以及发动机组件典型应用中可以看到，螺丝接合一方面要经受机械负荷，另一方面还要经受高温负荷所带来的考验。由于不断增加的成本压力以及紧固件及其应用在整个生产过程中是成本支出的重头这一事实，人们一直试图采用创新的工艺技术例如螺纹自成形螺丝接合。而这些技术不仅能降低成本，在技术上也具有一定的优势。包括预应力，防松特性，张弛和可反复接合性在内，这些都是螺纹自成形螺丝接合设计过程中所要考虑的因素。而对于大批量生产，更重要的则是装配过程能力和可维护性。全球领先的汽车分动器制造商MAGNAPowertrainAG&CoKG的AdvancedTechnologyEngineering和欧洲领先的先进接合解决方案提供商阿诺德成型技术的产品管理一起共同开发了一套方案，通过强度等级为10.9的TAPTITE2000系列螺纹自成形螺丝，分析研究AlSi9Cu3合金的螺丝接合参数。汽车离合器的螺丝接合对螺丝及其接合虽然在技术上要求极高，但它们毕竟属于次要的机械组件。同样的，在结构设计过程中，它也会相应被作为次要的机械组件进行处理。而对于典型的汽车离合器应用，螺纹接合则被广泛采用，尺寸从M4到M12，且螺丝长度也不尽相同。螺旋传动装置和螺纹盘的选择一方面依据的是相应的离合器设计以及涂层，而更多的则是考虑客户的要求。因此，随着客户数量的增加，螺丝接合的方式也就相应变得越来越多样，不可避免的导致成本的增加。不断增大的成本压力和新的方案研究在紧固结合工艺领域催生出创新的技术，而其中之一就是由螺丝本身自攻成形螺纹。螺丝的材料成本虽然仅占到一款典型的4x4汽车离合器总成本的约0.5%，但螺纹成形的成本以及相应所需的投入却要大出数倍。另外，在拉伸特性和耐磨性方面，冷压成型的螺纹更具技术优势。为了在大批量生产过程中确保螺丝接合的过程稳定性，必须将螺丝接合系统，生产以及装配工序所施加的影响充分考虑在内。另外，产品以及工艺技术的价格也是一项重要的因素，必须尽可能维持在一个较低的水平。应尽量避免装配和生产过程中由于额外开销所产生的附加成本，否则，它们将负面地影响到通过创新的工艺技术节省的成本。表格1中清楚地列明了各项主要参数以及它们相应对螺丝接合所产生的影响。为汽车制造业大批量生产过程中的轻金属外壳设计螺纹自成形螺丝成本节约装配成本加工成本（螺纹成形）材料成本（螺丝）24,0%18,5%21,3%60,2%60,2%15,8%20406080100120螺纹自成形螺丝接合公制螺丝接合百分比[%]插图1：成本结构比较ExperiencetheDifference!eEffectivProgrmmea新闻稿1|0现如今，在离合器生产过程中，轻金属外壳的螺丝接合一般都是通过公制螺丝实现的。因此，一般情况下，螺丝接合的设计参照的是VDI指令2230。但该VDI指令并不完全适用于螺纹自成形紧固件的设计。其原因则是螺纹自成形扭矩与螺纹摩擦扭矩的相互重叠。因此，在螺纹自成形紧固件的设计过程中，结构方面必须首先确定下列要求：•最小预应力•最小始动扭矩•张弛导致的预应力减小范围•同客户协商确定对可反复接合性的要求•定义最大允许的自攻扭矩，以便确保装配稳定性通过静态螺丝接合试验，可以对首次接合以及重复接合等多种情况下的各项重要螺丝接合参数进行检验。必须检验重复接合情况下的相关参数，但需要注意的是，紧固扭矩必须与芯孔公差相互匹配，防止在重复接合过程中自攻的螺帽螺纹出现塑化。广泛的拧入试验以及相应的预应力测定（插图2）显示，对于首次以及重复接合，都能保持相对均匀的预应力表现。而其中主要的挑战则在于，一方面，要确保铸造工能够方便地保证芯孔符合公差的要求；而另一方面，要确保对于最大和最小公差的情况，无论是首次结合还是重复结合、最小预应力、始动扭矩和装配稳定性等方面的结构要求仍能被满足。表格1：轻金属螺丝接合设计参数参数芯孔直径芯孔脱模角度螺丝类型要求公差大脱模角度大自攻扭矩小自攻扭矩/失效扭矩间的比例大拧入深度小始动扭矩大兼容公制螺丝螺丝质量好影响装配过程能力预应力可反复接合性大公差铸造模具使用寿命预应力可反复接合性成本方便维护保养装配过程能力可反复接合性插图2：静态螺丝接合试验ExperiencetheDifference!eEffectivProgrmmea新闻稿2|螺纹自成形螺丝同公制螺丝间的预应力比较根据VDI2230，为钢结构设计的螺丝接合，在摩擦系数μ=0.14，装配扭矩为34牛米，强度为10.9的情况下，预应力会将达到24.2千牛。插图3显示，对于AlSi9Cu3铝合金以及相应用于自成形螺丝的螺帽设计，无论螺帽螺纹的直径如何，其预应力仅为根据VDI设计的米制螺丝预应力的三分之二。而在此需要引起注意的是，这种设计的初衷是确保装配稳定性。而装配稳定性意味着，螺帽材料在铸造芯孔部分的铸造组织以及铸造几何外形必须保持正常。在测定米制螺丝所能达到的预应力时，同样的趋势也得以显现。在实际的离合器应用中，虽然能满足VDI2230要求的预应力，但不具备过程稳定性。始动扭矩ML与紧固扭矩间的比例关系根据VDA235–203，始动扭矩（ML）与紧固扭矩（MA）间的比例关系（ML/MA）不得大于0.4。在使用强度为10.9的螺纹自成形Taptite2000螺丝CEM8x40作为紧固件的GD-AlSi9Cu3材质的离合器外壳上进行的螺丝接合试验显示，对于预成形的螺纹，螺丝接合重复次数越多，始动扭矩会趋于减小。相应请参见插图4。同最小螺纹重合度相比，在螺纹重合达到最大的情况下，始动扭矩将趋向增大。在插图4中，对最大芯孔公差（最小螺纹重合度）情况下的芯孔进行了测定，而相应的始动扭矩仍处于相对可接受的范围内。预紧力[KN]302520151050abcd1自成型螺丝公制螺丝光孔自成型螺丝和公制螺丝的预紧力比较手动每分钟200转每分钟350转MLB1/MAMLB2/MAMLB3/MAMLB4/MAMLB5/MA0,660,640,620,600,580,560,540,520,500,480,46MLB/MA[NM/NM]MLB=松脱扭矩MA=紧固扭矩插图4：始动扭矩与紧固扭矩间的比例关系ExperiencetheDifference!eEffectivProgrmmea新闻稿3|静态和动态张弛在配合相应温度（-40至+120摄氏度）的情况下，通过动态抗振强度测试，可以模拟装配时的负荷。由于离合器外壳的刚性不尽相同，装配负荷在各螺丝上的分布也不尽相同。插图5显示了某螺丝接合在试验过程中预应力的变化曲线。在插图5的底部描绘的是试验过程中的温度变化情况。动态试验显示，无论温度如何变化，螺丝接合的预应力损失并不受施加的装配动力的影响。对于某一特定芯孔几何外形（螺纹重合度），冷压成型螺帽螺纹的预应力损失主要取决于温度。而短时间内不断变化的温度并不会导致极端预应力变化的出现。插图6上抗振强度试验的结果显示，在米制螺丝和螺纹自成形螺丝之间，因温度变化而导致的预应力损失幅度并没有明显的不同。静态张弛温度交替变化条件下，通过对静态张弛预应力的长期测量，可以得出温度变化时相应的预应力损失幅度。在插图7中，使用Taptite2000螺丝CEM8x65接合离合器外壳，并同时加装了能耐抗温度的预应力传感器，然后将整个装置置于交替变化的温度条件下（温度骤变情况）。由于选定的测量解析度，人们可以得出预应力的扩散带。升温温度区域(T=120°C)降温T[°C]F[N]FV0FVT0FVTtime(h)初始应力升温导致的预紧力增加FPA降温导致的预紧力减少预紧力的减少DFV=FV0-FVT插图5：配合温度变化曲线的抗振强度插图6：抗振强度试验结果操作力预紧力的丢失与操作力的比较操作温度公制螺丝自成型螺丝ExperiencetheDifference!eEffectivProgrmmea新闻稿4|定义最大允许的自攻扭矩，以确保装配稳定性对于螺纹自成形螺丝而言，自攻扭矩与超拧扭矩间的差异应越大越好。插图8显示的是在截面呈圆形的螺纹自成形螺丝上进行的超拧试验。试验对象是加装了预应力测量传感器的原装离合器应用。试验返回了极大的自攻扭矩（约30牛米）。因此，如果紧固扭矩MA为34牛米的话，就有可能在自攻扭矩出现离散现象的同时，导致螺丝头无法达到其座面。一旦通过对螺丝接合的设计，达到了最大允许的自攻扭矩，那就必须重新进行接合。而自攻扭矩一旦过大，就会导致装配过程中返工率的增大。同时，装配时使用的螺丝刀也要承受更大的机械以及温度负荷。而在制定装配计划时，是不会考虑这些情况或者说不希望出现此类情况的。而在插图8中，我们可以看到，紧固扭矩同样为34牛米的情况下，预应力相对较小，并且由于扭转应力的增大，螺丝断裂时的崩落力也有所减小。插图9显示的同样的试验，但试验对象则是截面呈三叶形（三角形）的TAPTITE2000系列螺纹自成形螺丝。试验结果表明，自攻扭矩约为12牛米。这样一来，即使出现扭矩离散现象，一方面，仍能获得足够的预应力，而另一方面，还能确保螺丝接合的过程稳定性，将返工率降至最低。0102030405060Time[h]02000400060008000100001200014000160001800020000循环1：130摄氏度（约13小时）循环2：-30摄氏度（约8小时）循环3：130摄氏度（约15小时）循环4：-30摄氏度（约9小时）循环5：130摄氏度（约13小时）结果：室温下测量1：19.3千牛0.155小时后的最大预应力：19.9千牛40.87小时后的最小预应力：14.9千牛58.265小时后最后一次测量：16.7千牛0100020003000400050006000角度[°]0102030405060Md/FV02468101214161820FV[kN]0100020003000400050006000角度[°]0102030405060Md/FV051015202530FV[kN]插图8：超拧试验–截面呈圆形的螺纹自成形螺丝插图7：静态张弛插图9：超拧试验–截面呈三叶形的TAPTITE2000螺纹自成形螺丝ExperiencetheDifference!eEffectivProgrmmea新闻稿5|试验结果总结静态，准静态试验的结果表明，要获得期望的预应力，主要取决于芯孔的几何外形，螺丝的几何外形以及相应的公差和材料状况。而通过施加温度影响以及温度交变，则会出现潜伸现象。根据不同的螺帽和螺丝材料，这种潜伸现象或多或少会影响到残留预应力。例如对于呈现典型几何外形的钢材质螺丝和铝材质螺帽而言，预应力损失将达到约三分之一。施加了温度影响的动态试验结果表明，对于钢材质螺丝和铝材质螺帽而言，装配动力的影响极为有限。施加的装配动力即使达到6千牛，也几乎不会导致预应力减小幅度增大。有了这个结论作为基础，螺丝的尺寸就可以至少减小一级。而这无论是对于生产成本，还是总成本都具有深远的意义。当然，芯孔的公差自始至终没有发生变化！改良的轻金属螺纹自成形螺丝在接合铸造芯孔时须注意的其他注意事项：•由于芯孔铸造的过程稳定性，使得进一步缩小最小螺丝接合尺寸成为可能•为了确保芯孔铸造和装配过程的稳定性，设计的铸造公差应尽可能地大•由于芯孔铸造的过程稳定性以及较大的公差，拧入深度最大允许为2.5x直径•应根据达到的最大预应力确定螺丝头座面直径，同时应尽量采用标准螺丝头•为了节约成本并减小重量，必须选择内几何形状作为螺旋传动装置。•防锈系统应根据耐磨性确定•应根据材料组合选择合适的润滑涂层•改良铝合金的化学组成，使得螺帽的材料组织适宜成型加工•为了确保装配工序的过程稳定性，采用的螺丝接合系统的自攻扭矩应尽量小，而超拧扭矩则应尽量大。而在这方面，一套螺杆截面呈现三叶形（三角形）的系统（Taptite2000系统）经受住了时间的考验。由于自攻扭矩和紧固扭矩相差足够大，使得预