汽车紧固件加工技术的新发展

一直以来,汽车紧固件就以品种繁多、型式多样、规格不一的基本特征为主,它的选择和使用涉及到结构分析、连接设计、失效与疲劳分析、腐蚀要求和装配方法,以及相关的产品质量控制与试验等,这些因素在很大程度上决定了汽车产品的最终质量与可靠性。
再加上汽车紧固件在车辆各系统部件上的广泛分布,汽车的大批量生产特点,使很多企业都面临着较高的质量缺陷风险,这对企业的质量管理和标准化工作提出了更高要求。
汽车紧固件概述 因汽车紧固件产品涉及的技术种类繁多、异常复杂,且各种技术相互交织,彼此影响,所以必须通过综合研究和深入分析,进行梳理和准确识别,以确定具体的关键技术领域,明确细分技术的发展目标和优先级,进而形成集中优势资源重点攻关,加快推进核心技术的良好态势。
根据iso898-1、gb/t3098.1标准高强度螺栓的服役条件,对其力学性能一般有以下要求:
①较高的抗拉强度和高的屈强比;
②足够高的塑性,尤其是采用塑性区拧紧时;
③可以反复拧紧,即能够承受足够多次的大应力幅加载,具有较好的低周疲劳性能;
④当承受交变载荷时,应具有较好的高周疲劳性能;
⑤当承受冲击载荷时,应具有较高的冲击韧度;
⑥良好的耐延迟断裂性能;
⑦良好的耐低温性能;
⑧良好的抗蠕变、抗应力松弛性能;
⑨较低的缺口敏感性(螺栓系多缺口零件);
⑩稳定的表面摩擦系数,以获得稳定的装配预紧力。
汽车紧固件标准中技术要求的试验项目
汽车紧固件的发展期待 随着节能、环保、低碳经济成为全球共识,汽车作为耗能和环境污染的大户屡遭非议。
国际上汽车轻量化技术日益兴起,我国也成立了“汽车轻量化技术战略联盟”,轻量化设计将成为今后发展的必然趋势,技术重点是服役过程的疲劳失效问题引起高度关注,除了考虑传统的疲劳外,腐蚀疲劳不容忽视,因此,更高强度和更好的耐腐蚀疲劳性能将成为研究高强度螺栓的主要方向。
当前汽车紧固件的技术发展需密切关注的内容:包括基础理论与应用技术、产品、制造技术与装备的创新3个基本要素。
① 汽车紧固件创新离不开基础性理论与技术
汽车紧固件的根本功能是“连接”。铆接和螺纹连接是迄今为至最主要的连接方式,且一直为其主流。
螺纹连接是一种复杂的连接方式,其机理至今仍在被探索、研究中,而涉及它的最主要理论与应用方法,还是上世纪欧洲vdi2230的理论经典,如果没有这些理论,世界上螺纹连接技术仍将在几十年前的水准徘徊。
此外,新材料、塑性成型等理论及技术的研究,为如今广泛应用的冷成型为主导的汽车紧固件制造奠定了坚实基础。
在我国拥有世界上最高的汽车产量和市场,汽车紧固件的主要制造企业100多家,代表中国紧固件制造的最高水平,高效、高速、高度自动化的制造工艺,离不开基础性理论与技术。
这些基础性理论与技术,为汽车紧固件产品、制造技术与装备的创新赋予了新的内涵,呈现着任何基础性理论与技术都不可能发展终止,也不可能停滞不前,汽车紧固件的基础性理论与技术也必定还将有新的突破。
② 需求决定汽车紧固件产品创新
当今的汽车紧固件产品可谓是“繁花似锦”,包括保证动力传递安全的发动机连杆、缸盖飞轮、变速箱螺栓、制动器、主传动转向机构、轮毂螺栓、门绞链固定螺栓等众多紧固件。这有赖于行业在生产创新上持续不断的努力,否则,世界将总是停留在普通标准螺栓、普通标准螺母时代。
由于体积小,种类多,且为主机配套的小零件,表面上并不起眼,却扮演着一种无法割舍甚至被依赖的角色。可以发现,具有某些新功能的产品仍在不断涌现,也造就了紧固件行业总体的今天繁荣,预示这个行业将是一个永不会衰落的行业。只要有汽车的创新,就会有对紧固件的新需求,只要有新的需求,就会必然有紧固件产品的创新。
③产品、工艺与装备密不可分
任何一种紧固件产品的设计与创新,都离不开生产工艺、用什么装备,即所谓的“工艺性”。汽车紧固件是大批量使用的产品,必须符合大批量、高速制造的特点,产品设计往往与工艺方法和装备紧密相连。如果没有装备与工艺方法的创新,某类紧固件大量制造根本就没有可能。
反之,某种装备与工艺方法,就是为紧固件制造而研发的。当今,汽车紧固件的制造绝大多数都已离不开冷镦工艺与高速度的冷镦装备,产品研发、装备与工艺方法,是双赢的关系密不可分。
若不充分掌握紧固件成型技术,真正实用的紧固件制造装备不可能产生。正因为如此,汽车紧固件制造方法得以不断创新,专用性越来越强的紧固件装备也得以不断发展。
汽车紧固件工艺技术的发展 《中国制造2025》明确节能与新能源汽车的发展方向是低碳化、信息化和智能化。作为提高汽车产品质量、提升汽车竞争力的有效措施,汽车高品质、高效益逐减程为汽车紧固件企业追逐的目标。
材料是构成汽车的物质基础,工艺是材料到零部件、零部件到整车的实现过程,因此,汽车技术的进步在很大程度上取决于材料与工艺技术的发展。
低碳化是汽车节能的重要途径,主要包括轻量化技术、低摩擦技术和新能源技术等。结构优化设计、轻量化材料的应用和轻量化制造工艺3个方面。
汽车轻量化材料主要有2类:一类是高强度材料,主要是指高强钢,紧固件方面材料国外多选择mn-b系列钢,高强度螺栓表面处理多采用锌铝涂层、锌镍合金等方式,在提高耐腐蚀能力的同时提升紧固件摩擦系数的稳定性;另一类是轻质材料,主要包括铝合金、镁合金、钛合金、塑料、碳纤维复合材料等应用。
在轻量化制造工艺方面,重点围绕成形和连接工艺,掌握铝合金锻造温度、铆接、粘接等关键技术参数,解决不同材料之间的连接问题,避免应力集中,并对部分金属支架采用抽芯铆钉,将原焊接螺母改为拉铆螺母、原焊接螺栓改为拉铆螺栓。由于拉铆的生产效率高,成本低,值得大力推广。
追求高品质,可靠耐久技术,针对连接件的“松锈漏”故障防止,提出稳定摩擦系数(0.08~0.14)概念,改善紧固件质量稳定性,并系统研究防松技术,在驱动桥、发动机、整车上制定新装配工艺,开发多种气相防锈材料及配套的防锈包装。
在能力建设上,以轻量化试验室为依托,重点开展金属领域、复合材料领域和连接领域的试验室建设工作,其中金属领域重点建设元素分析、金相检验、硬度力学、无损检测、材料疲劳、金属材料工艺验证等试验室,提高工艺失效判定精准度和尺寸专业品标达成率等,实现策划、设计与生产汽车紧固件的互联互通。
加工工艺对提高螺栓疲劳强度的影响 综合分析,影响螺栓性能的关键因素有以下几点:
⑴材料化学成分、夹杂物、微观金相组织、脱碳增碳情况、富磷层;
⑵加工工艺;
⑶保证载荷;
⑷抗拉强度、屈服强度、韧性;
⑸硬度(心部、表面及特殊要求位置);
⑹螺纹牙尖形状、尺寸及形位公差;
⑺光杆部形状尺寸;
⑻头下支撑面倒角、倾角,支撑面内、外径及形位公差;
⑼头杆过度形状尺寸、收尾螺纹形状尺寸、螺杆端部形状;
⑽头部对边及对角宽度,扳拧高度(驱动尺寸);
⑾头部坚固性;
⑿防松性能;
⒀表面保护防腐性能;
⒁摩擦系数;
⒂疲劳强度;
⒃制造缺陷;如裂纹等;
⒄其他特殊性能要求如耐高温、低温性能。
汽车高强度螺栓的疲劳寿命一直是受到重视的问题,数据表明螺栓的失效绝大多数是由于疲劳破坏引起的,且疲劳破坏时螺栓几乎无征兆,因此重大事故很容易在产生疲劳破坏时发生。
热处理能够优化紧固件材料性能,使其疲劳强度提高,针对高强度螺栓越来越高的使用要求,通过热处理提高螺栓材料的疲劳强度更显十分重要。


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