分享：夹片螺母装配失效分析

摘 要:对汽车总装线上装配螺栓的过程中被撕裂的夹片螺母进行了理化检验和失效原因分 析.结果表明:夹片螺母是由于受到了较大的外力而发生一次性过载撕裂;还原并分析装配现场发 现,夹片螺母及与其相连的两个钣金件之间的相对位置出现了错配,从而导致装配时因未对正而发 生夹片螺母过载撕裂失效. 

关键词:夹片螺母;现场装配;过载撕裂;位置匹配 

中图分类号:TH１３１．３;U４６３．３３４ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７２Ｇ０３

夹片螺母又称为簧片螺母或快速螺母(Speed Nut),通常安装在钣金件或塑料件上,与螺栓相配 合,来实现两个零件之间的连接.夹片螺母通常有 两种:第一种为一体式,螺纹部分由基材板冲压出 来,再通过后续攻丝而成,如图１a)所示;第二种类 型是组合式,由夹片(Clip)和独立的螺母(Nut)两部 分组成,如图１b)所示.

夹片螺母连接的两个钣金件上均有预留孔.安装 时,首先将夹片螺母插入到其中一个钣金件上,然后通 过螺栓穿过两个零件的预留孔,拧入到夹片螺母中来 实现固定.夹片螺母的锁紧工艺原理如图２所示.

基于夹片螺母的这种连接方式,避免了传统的 焊接等连接方式,可以节约成本,同时大大地提升了 装配效率,在车身上有着广泛的应用[１].在此类零 件的实际应用中,通常有以下原因可能会导致失效: 所用材料强度等级不够;热处理工艺不合格,导致零件表面产生裂纹等系列缺陷;长期载荷导致疲劳断 裂;表面处理工艺不当导致氢脆;等等[２Ｇ７].某汽车 总装线上在装配螺栓的过程中发生了多起失效案 例,该装配线上使用的夹片螺母属于第二种类型. 安装螺栓时,发现夹片被撕裂的现象,如图３所示. 笔者从材料和现场装配两方面分析了夹片螺母失效 的原因,同时提出了相应的改进建议并进行验证.

１ 理化检验 

１．１ 材料性能分析 

采用经标准块校正的 Welson万能硬度计测试 夹片的硬度.采用 Zeiss显微镜进行金相分析.表 １和图４分别是夹片的硬度和显微组织分析结果, 可见失效夹片的硬度和显微组织均满足相关技术要 求,且都与正常零件的接近.因此,可以排除材料和 热处理工艺方面的原因.

１．２ 断口扫描电镜分析 

利用Zeiss扫描电子显微镜(SEM)对失效夹片 进行断口分析.图５显示,失效夹片断口处无明显 缺陷,断口形貌为韧窝,呈现明显的韧性断裂特征. 同时,在裂纹源处未发现杂质等缺陷.此外,该零件 为新件,排除后续使用的因素造成断裂的可能性. 综合上述分析,推断夹片是因为受到了过大的外力 (即过载,外力超过了零件可承受载荷的极限)而导 致的一次性断裂,即一次性过载断裂.

２ 综合分析 

２．１ 同批次未安装零件的解剖分析 

为了对比分析,拆卸了同批次未安装的零件.观察发现,同批次未发生断裂的夹片直角处没有原 始裂纹,见图６.由此可以判定,夹片是在总装线上 装配螺栓的过程中发生断裂的.

２．２ 工艺过程检查 

现场装配图如图７所示.首先将夹片插在图７ 中的钣金件１当中;然后螺栓穿过钣金件２和钣金件１,拧入到夹片螺母中实现连接.

由图８可以看到,钣金件１有明显的拉伤痕迹. 说明在装配过程中受到了较大的外力.综上,对当 时的安装情况进行了还原:螺栓与螺母未能对准,工 人在安装螺栓的时候也未进行调整,而是继续暴力 安装螺栓,使夹片受到了较大的剪切力,直至最终夹 片被过载撕裂. 

导致这一情况的原因可能有两点:①夹片螺母以及钣金件１和钣金件２尺寸存在问题;②夹片螺 母与钣金件之间的相对位置出现偏差,从而导致安 装螺栓时未对准.钣金件１和钣金件２以及夹片螺 母的尺寸测量结果显示,尺寸均合格,且与正常批次 零件的测量结果相近.因此可以推断,夹片螺母与 钣金件１的相对位置与正常值之间出现偏差,导致 安装螺栓时螺栓未能对准夹片螺母,从而应力过大 引起断裂. 

３ 结论及建议 

夹片螺母是因为受到了较大的外力而发生过载 撕裂.夹片螺母被撕裂主要是由于夹片螺母以及另 外两个钣金件之间的位置匹配出现了问题,从而导 致装配时应力过大引起夹片螺母发生了过载撕裂 失效.

作为短期措施,调整了夹片螺母的位置,将其向 车头方向移动了一段距离,之后的装配过程未再发 生类似失效情况.

参考文献: 

[１] 李文丽．基于 CATIA 的汽车内外饰典型紧固件库开 发及应用[J]．汽车工程师,２０１０(１１):４７Ｇ５０． 

[２] 丁惠麟,金 荣 芳．机 械 零 件 缺 陷、失 效 分 析 与 实 例 [M]．北京:化学工业出版社,２０１３．

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文章来源——材料与测试网