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失效分析現(xiàn)場(chǎng)直擊——夾片螺母裝配失效分析

2018-11-09 11:49:55 作者：董玉軍來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

夾片螺母

夾片螺母又稱為簧片螺母或快速螺母（SpeedNut），通常安裝在鈑金件或塑料件上，與螺栓相配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零件之間的連接。

分類

夾片螺母通常有兩種：第一種為一體式，螺紋部分由基材板沖壓出來(lái)，再通過后續(xù)攻絲而成，如圖1a）所示；第二種類型是組合式，由夾片（Clip）和獨(dú)立的螺母（Nut）兩部分組成，如圖1b）所示。

圖1 夾片螺母宏觀形貌

夾片螺母連接的兩個(gè)鈑金件上均有預(yù)留孔。安裝時(shí)，首先將夾片螺母插入到其中一個(gè)鈑金件上，然后通過螺栓穿過兩個(gè)零件的預(yù)留孔，擰入到夾片螺母中來(lái)實(shí)現(xiàn)固定。夾片螺母的鎖緊工藝原理如圖2所示。

圖2 夾片螺母鎖緊工藝示意圖

基于夾片螺母的這種連接方式，避免了傳統(tǒng)的焊接等連接方式，可以節(jié)約成本，同時(shí)大大地提升了裝配效率，在車身上有著廣泛的應(yīng)用。

在此類零件的實(shí)際應(yīng)用中，通常有以下原因可能會(huì)導(dǎo)致失效：所用材料強(qiáng)度等級(jí)不夠；熱處理工藝不合格，導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生裂紋等系列缺陷；長(zhǎng)期載荷導(dǎo)致疲勞斷裂；表面處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致氫脆；等等。

某汽車總裝線上在裝配螺栓的過程中發(fā)生了多起失效案例，該裝配線上使用的夾片螺母屬于第二種類型。安裝螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)夾片被撕裂的現(xiàn)象，如圖3所示。筆者從材料和現(xiàn)場(chǎng)裝配兩方面分析了夾片螺母失效的原因，同時(shí)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3　失效夾片螺母宏觀形貌

理化檢驗(yàn)

1 材料性能分析

采用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)塊校正的Welson萬(wàn)能硬度計(jì)測(cè)試夾片的硬度。采用Zeiss顯微鏡進(jìn)行金相分析。表1和圖4分別是夾片的硬度和顯微組織分析結(jié)果，可見失效夾片的硬度和顯微組織均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且都與正常零件的接近。因此，可以排除材料和熱處理工藝方面的原因。

圖4 夾片顯微組織形貌

表1 夾片硬度

2 斷口掃描電鏡分析

利用Zeiss掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)失效夾片進(jìn)行斷口分析。

圖5 失效夾片斷口SEM形貌

圖5顯示，失效夾片斷口處無(wú)明顯缺陷，斷口形貌為韌窩，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。同時(shí)，在裂紋源處未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)等缺陷。此外，該零件為新件，排除后續(xù)使用的因素造成斷裂的可能性。

綜合上述分析，推斷夾片是因?yàn)槭艿搅诉^大的外力（即過載，外力超過了零件可承受載荷的極限）而導(dǎo)致的一次性斷裂，即一次性過載斷裂。

綜合分析

1 同批次未安裝零件的解剖分析

圖6 同批次未安裝夾片直角處形貌

為了對(duì)比分析，拆卸了同批次未安裝的零件。觀察發(fā)現(xiàn)，同批次未發(fā)生斷裂的夾片直角處沒有原始裂紋，見圖6。由此可以判定，夾片是在總裝線上裝配螺栓的過程中發(fā)生斷裂的。

2 工藝過程檢查

圖7 夾片螺母及相關(guān)零件裝配圖

現(xiàn)場(chǎng)裝配圖如圖7所示。首先將夾片插在圖7中的鈑金件1當(dāng)中；然后螺栓穿過鈑金件2和鈑金件1，擰入到夾片螺母中實(shí)現(xiàn)連接。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)裝配圖

由圖8可以看到，鈑金件1有明顯的拉傷痕跡。說(shuō)明在裝配過程中受到了較大的外力。

綜上，對(duì)當(dāng)時(shí)的安裝情況進(jìn)行了還原：螺栓與螺母未能對(duì)準(zhǔn)，工人在安裝螺栓的時(shí)候也未進(jìn)行調(diào)整，而是繼續(xù)暴力安裝螺栓，使夾片受到了較大的剪切力，直至最終夾片被過載撕裂。

導(dǎo)致這一情況的原因可能有兩點(diǎn)：

夾片螺母以及鈑金件1和鈑金件2尺寸存在問題；夾片螺母與鈑金件之間的相對(duì)位置出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致安裝螺栓時(shí)未對(duì)準(zhǔn)。

鈑金件1和鈑金件2以及夾片螺母的尺寸測(cè)量結(jié)果顯示，尺寸均合格，且與正常批次零件的測(cè)量結(jié)果相近。因此可以推斷，夾片螺母與鈑金件1的相對(duì)位置與正常值之間出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致安裝螺栓時(shí)螺栓未能對(duì)準(zhǔn)夾片螺母，從而應(yīng)力過大引起斷裂。

結(jié)論及建議

夾片螺母是因?yàn)槭艿搅溯^大的外力而發(fā)生過載撕裂。夾片螺母被撕裂主要是由于夾片螺母以及另外兩個(gè)鈑金件之間的位置匹配出現(xiàn)了問題，從而導(dǎo)致裝配時(shí)應(yīng)力過大引起夾片螺母發(fā)生了過載撕裂失效。

作為短期措施，調(diào)整了夾片螺母的位置，將其向車頭方向移動(dòng)了一段距離，之后的裝配過程未再發(fā)生類似失效情況。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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