汽車車輪螺栓的開發(fā)和制造

鐘云龍 孫 勇 潘 黎 周大騫 魏書豪 劉騰軾

(1.內(nèi)德史羅夫緊固件(昆山)有限公司，江蘇 昆山 215300；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

緊固件是汽車的基礎(chǔ)件之一，按其使用中的重要性可分為關(guān)鍵緊固件和一般緊固件，前者的質(zhì)量直接影響整車的性能和安全性[1-2]。車輪是承受汽車質(zhì)量及運行沖擊力的關(guān)鍵件，其緊固件用于連接輪轂和輪輞，如果在行駛中失效，將嚴重危及車輛的安全行駛，因此是關(guān)鍵性零件[3-4]。車輪緊固件的失效形式通常有螺紋滑絲、螺紋處開裂和頭部斷裂等。失效原因主要與其質(zhì)量及螺紋裝配扭矩不達標，材質(zhì)、力學性能、尺寸、摩擦因數(shù)、熱處理、螺紋精度、表面粗糙度、硬度、抗疲勞性能及潤滑等多種因素有關(guān)[5-9]。為促進汽車關(guān)鍵緊固件制造水平的提高，本文論述了某型汽車車輪螺栓的制造工藝及質(zhì)量管控，以供同行借鑒。

1 車輪螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計

輕量化已成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，為減輕質(zhì)量，車輪螺栓的六角安裝部位通常設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，而錐面或球面結(jié)構(gòu)是對中性和防松性的要求。錐面車輪螺栓的對中性比平面螺栓更好，可保證車輪螺栓與輪轂安裝孔具有較高的同心度，防止車輪跳動。因此，乘用車固定車輪螺栓一般為帶有較大角度的錐面或球面六角法蘭面螺栓，常用規(guī)格有M12×1.25、M12×1.5及M14×1.5等。錐面的端面等效直徑比平面螺栓大，防松性能更好，但錐面或球面的冷鐓成形有難度。根據(jù)以上因素開發(fā)了M14×1.5-6g套墊組合車輪螺栓結(jié)構(gòu)，如表1和圖1所示。

表1 車輪螺栓的技術(shù)參數(shù)

圖1 車輪螺栓簡圖

2 材料

車輪螺栓用鋼既要具有足夠的淬透性，又要能通過熱處理獲得良好的力學性能，即具有一定的強度、良好的塑性、韌性及較高的抗彎強度，以免使用中松弛[10]。生產(chǎn)實踐表明：緊固件的力學性能與調(diào)質(zhì)后的顯微組織密切相關(guān)，淬火獲得90%以上的馬氏體才具有優(yōu)良的力學性能。合金元素如Cr、Mn、B等能有效提高鋼的淬透性；Cr、Mo、Ti、V等元素不僅有利于形成彌散碳化物起強化作用，還可以提高塑性和韌性，Mo還能抑制回火脆性[11]。另外，選材時還需考慮成本和加工性能等因素。由于熱軋態(tài)盤圓存在如下問題：(1)材料外圓尺寸公差大；(2)“失圓”或者粗細不均勻，難以通過精密的冷成形模具；(3)表面氧化皮影響緊固件冷鍛模具的使用壽命。因此生產(chǎn)前需對原材料進行改制，含硼10B33鋼熱軋材僅需一次退火和一次拉拔即可冷鐓加工，成形性良好，可降低制造成本。綜合考慮各種因素后，選擇了10B33鋼，實踐表明其加工工藝穩(wěn)定，能達到車輪螺栓的質(zhì)量要求。

3 成形和質(zhì)量管控

3.1 冷鐓

車輪螺栓的成形、螺紋加工設(shè)備及模具(生產(chǎn)工藝及設(shè)計)是確保其質(zhì)量的關(guān)鍵點。為了確保高精密六角法蘭螺栓和錐形墊片達到技術(shù)要求，選用了內(nèi)德史羅夫高精度多工位自動一體冷鐓機，其高精度控制系統(tǒng)不僅能提高生產(chǎn)率、產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精度，還可節(jié)約金屬材料，降低成本，確保金屬纖維形成特定形狀的流線和產(chǎn)品的抗拉強度。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和鐓鍛比確定加工工藝，主要有鐓粗、縮細和正擠等。開發(fā)的車輪螺栓及墊圈的冷鐓工藝如表2所示。

表2 車輪螺栓和墊圈的冷鐓工藝圖

3.2 冷鐓過程的質(zhì)量管控

設(shè)計冷鐓工步和模具時，要注意材料變形量的分配，避免產(chǎn)品在冷鐓時產(chǎn)生疊層。在檢驗過程中要重點檢驗頭下R的大小和形狀是否規(guī)則，其次金屬流線是否連續(xù)，如圖3所示。內(nèi)德史羅夫設(shè)備的在線監(jiān)測裝置可以監(jiān)控每個工位的模具壓力和生產(chǎn)信息，及時發(fā)現(xiàn)不合格品。

圖3 正常的螺栓金屬流線

3.3 螺紋加工及質(zhì)量管控

螺紋的加工質(zhì)量影響車輪緊固件的連接可靠性和互換性，必須嚴格控制。鑒于所開發(fā)的螺栓螺紋精度為6g公差，加工螺紋時需控制其精度達到6e公差的要求。檢驗螺紋要使用環(huán)規(guī)，通常分為通規(guī)和止規(guī)。通規(guī)用于檢測和控制中徑和小徑的最大尺寸，止規(guī)用于檢測和控制中徑的最小尺寸。判斷螺紋工件是否合格的方法為：通規(guī)可順利旋入工件，止規(guī)旋入工件不超過兩扣。為保證精度，環(huán)規(guī)需定期用螺紋校對規(guī)TS和ZS進行校對。

螺紋的主要加工缺陷有亂扣、中徑尺寸超差、大徑尺寸超差、斜扣、折疊、雙牙尖等。螺紋折疊需要通過金相法檢驗，如圖4所示。

圖4 采用金相法檢驗螺紋質(zhì)量

3.4 熱處理

3.4.1 熱處理工藝

車輪螺栓和墊片均需調(diào)質(zhì)處理，對原材料、爐溫控制、爐內(nèi)氣氛控制、淬火介質(zhì)等都有嚴格要求。熱處理設(shè)備為連續(xù)式網(wǎng)帶爐，可在線脫磷和通保護氣氛，并采用計算機控制氣氛、溫度等工藝參數(shù)。工藝流程為上料→脫脂→脫磷→清洗→加熱→淬火→清洗→回火→著色→下線。

3.4.2 熱處理質(zhì)量管控

如果螺栓表面殘留磷酸鹽，在熱處理過程中磷會擴散到基體內(nèi)而生成δ鐵素體，可能導致氫脆或應(yīng)力腐蝕開裂，因此車輪螺栓熱處理前表面不能有殘留磷酸鹽，可通過發(fā)藍試驗判斷(見圖5)。

圖5 螺栓去磷金相檢測

影響螺栓熱處理質(zhì)量的因素有：淬火介質(zhì)冷卻性能變化、爐氣氛碳勢不穩(wěn)定、爐溫校驗周期過長等。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，熱處理后需檢測表面硬度、心部硬度、脫碳、滲碳及顯微組織(如圖6所示)。

圖6 螺栓熱處理后的顯微組織

3.5 表面處理

確定車輪螺栓表面鍍層處理工藝時應(yīng)考慮防蝕、裝配工藝甚至環(huán)保要求。首先，鍍層與基體結(jié)合必須牢固，不能在按裝、拆卸過程中脫落；要足夠薄，鍍層后螺紋仍能旋合；在緊固件的使用溫度下性能穩(wěn)定；還要考慮安裝扭矩和預緊力的一致性。綜合考慮以上因素，對車輪螺栓進行了鋅鎳鍍層處理，其工藝過程包括脫脂→除銹→電鍍→鈍化→封閉→潤滑→烘干。電鍍獲得了復合結(jié)構(gòu)的鍍層，即第一層是鋅鎳層，其上分別為提高耐蝕性能的鈍化層和封閉層，最外層是可控制磨擦因數(shù)的潤滑劑。

車輪螺栓表面處理后的主要檢驗項目包括耐蝕性能、鍍層附著力、層厚、氫脆、摩擦因數(shù)、螺紋外觀質(zhì)量。

3.6 摩擦因數(shù)控制

10.9 級M14車輪螺栓的裝配扭矩為140 N·m，在小批量試生產(chǎn)過程中，擰緊裝配后進行殘余扭矩檢測時常出現(xiàn)扭矩衰減的現(xiàn)象。合格的殘余扭矩下限值為117.5 N·m，而實際檢測時，有部分螺栓低于該數(shù)值，最低為113.5 N·m，不合格率達5%。扭矩衰減會使車輪螺栓存在松動隱患，螺紋連接的松弛嚴重影響汽車運行的可靠性和安全性。模擬分析和檢測發(fā)現(xiàn)，發(fā)生這種情況的原因為產(chǎn)品摩擦因數(shù)的離散性較大，實測的產(chǎn)品摩擦因數(shù)為0.11～0.18，有一定數(shù)量的產(chǎn)品摩擦因數(shù)為0.10～0.13。將摩擦因數(shù)控制在0.14～0.18，加大螺栓與接觸面間的摩擦力，間接提高殘余扭矩，可確保汽車的安全運行。

3.7 組裝

為了確保所有的墊圈均能被裝配到螺栓上，定制了配套的組裝機。裝配時感應(yīng)器能有效檢測到墊圈是否存在，并通過設(shè)置和監(jiān)測壓鉚力(200～250 MPa)來防止墊圈壓點太淺，預防產(chǎn)生墊圈脫落的風險。另外該組裝設(shè)備還具備影像挑選功能，螺栓和墊圈組裝后通過影像檢測來檢查有否漏裝的墊片，同時檢查螺紋缺陷及產(chǎn)品尺寸(見圖7)。

圖7 組裝后的螺栓和墊圈的影像檢測

3.8 成品檢驗

車輪螺栓的成品檢驗包括尺寸和性能檢驗。尺寸檢驗按圖紙進行；性能檢測按ISO 898-1：2013進行，包括抗拉強度、屈服強度、楔負載及破壞扭矩等。鑒于車輪螺栓的重要性，需增加模擬裝配臺架和疲勞試驗。模擬實際裝配工藝在總成上進行裝配試驗，可復檢螺紋緊固件的裝配性能，優(yōu)化螺紋連接及裝配工藝，還可分析螺栓裝配中的質(zhì)量問題、指導實際生產(chǎn)。疲勞試驗參考DIN 969—1997和GB/T 3075—2008進行，并參考實測的該批螺栓的抗拉強度，設(shè)置其靜載應(yīng)力水平為其靜載，為50 kN，同時設(shè)置其最大循環(huán)次數(shù)為500 萬次。本文開發(fā)的車輪螺栓疲勞試驗結(jié)果如表3所示，按式(1)(其中Fa0=8 883.9 N，△Fa=625 N，A=12，C=7，x=0.5，Ad3=125 mm2)計算的50%斷裂條件疲勞強度為71 MPa，符合要求。

表3 車輪螺栓的疲勞試驗結(jié)果

(1)

4 結(jié)語

與國外先進水平相比，我國緊固件行業(yè)的技術(shù)水平差距仍然較大，大部分緊固件生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、生產(chǎn)技術(shù)落后、裝備差、工藝革新緩慢、表面處理技術(shù)水平較差，導致產(chǎn)品質(zhì)量處于低端水平。國內(nèi)緊固件用鋼材的品種、規(guī)格、質(zhì)量尚不能完全滿足緊固件行業(yè)的需要，尤其是關(guān)鍵緊固件需依賴進口，目前僅有少數(shù)企業(yè)能自行解決這些問題。技術(shù)創(chuàng)新是緊固件制造技術(shù)發(fā)展的支撐點，未來我國緊固件生產(chǎn)在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、模具設(shè)計、檢測技術(shù)、表面涂覆技術(shù)和質(zhì)量控制等方面，應(yīng)學習國外的先進技術(shù)和經(jīng)驗，并向智能化、融合化和超常化生產(chǎn)制造發(fā)展。