螺纹结构在电子产品中的应用较广泛，因此螺纹联接的可靠性至关重要。在产品结构设计时，需要根据被固定件的载荷条件，选择合适规格的螺钉。在生产装配过程中，需要根据螺钉及被固定件的材料力学特性、载荷条件确定螺钉的锁紧力矩，并采用合适的方法尽量减小力矩偏差。
为避免生产过程的工艺缺陷，按照GJB 9001C—2017《质量管理体系要求》，在完成整部件装配后，需按GJB 1032A—2020 《电子产品环境应力筛选方法》进行环境应力筛选，并根据筛选出的故障提出改进和预防措施。如何快速、准确地对筛选出的故障进行分析和原因判定是提高产品可靠性的基础。在筛选振动后出现松动、松脱是紧固螺钉比较常见的故障，研究人员对螺钉松脱的原因进行分析，并提出了原因判定方法,结果可为提高产品的可靠性提供理论支持。
螺纹联接目的
典型螺纹联接结构如图1所示，包括螺钉、一个固定件和一个被压件，被压件上开通孔,孔径大于螺纹的外径，固定件上加工内螺纹。螺纹联接的目的是获得轴向力，螺钉在受到工作载荷前预先受到的轴向力也称为预紧力。利用预紧力将被压件紧紧地压在固定件上，并在受到工作载荷后，保证残余预紧力仍然能将被压件压在固定件上，以满足各种工况下的需求。螺纹联接松动指的是螺纹联接预紧力的衰减，松脱指的是预紧力完全消失。
预紧力
螺纹联接拧紧时的简化力学模型如图2所示，ϕ为螺旋升角，旋转螺钉的推力会产生轴向力，即初始预紧力。在初始预紧力的作用下，斜面内的分力无法克服最大静摩擦力，螺钉会静止于螺母之上，不会发生相对滑动。
螺钉旋转推力由安装螺钉的拧紧扭矩产生，螺钉预紧力F和拧紧扭矩T的关系如式(1)所示。
2、螺纹联接松脱的影响因素
螺纹联接具有安装和拆卸方便、制造简单、互换性强和外形尺寸小等优点，应用十分广泛。螺纹联接松脱影响因素包括初始预紧力、摩擦系数、螺纹旋合长度等，螺纹旋合长度会影响螺钉的防松性能，原因是承载螺纹圈数增多，摩擦面积变大，从而使防松性能变好。螺纹的结构尺寸和基本牙型是否完整也是影响摩擦面积的因素，所以将螺纹旋合长度这一因素扩大成摩擦面积更合理。综上，螺纹联接松脱影响因素包括初始预紧力、摩擦系数、摩擦面积等。
3、 螺钉松脱原因的判定方法
预紧力
3.1.1 排查初始预紧力
理论上，在不超过螺纹破坏载荷的前提下，初始预紧力越大越好，初始预紧力与破坏载荷的比值为预紧力系数S，其计算方法如式(2)所示。
预紧力系数大于50%且不超过屈服强度时能够保证螺纹有效联接。σ0.2选择时取螺钉和紧固件的最小值，可以通过查询相关手册得到，为了简便计算，扭矩系数K取0.2，一般认为扭矩法安装螺钉存在±25%的偏差。由式(1)和式(2)可知，当预紧力系数为0.625~1时，可以排除初始预紧力的原因。
3.1.2 排查残余预紧力
当被压件在完成螺纹联接后，又受轴向的载荷压力F1时，其简化力学模型如图3所示。螺钉和被联接件都是弹性体，在F1的作用下，被压件再次被压缩，螺钉长度发生变化，导致预紧力F也随之发生变化，变为F'，F'为残余预紧力，受轴向的载荷压力F1下残余预紧力的计算方法如式(3)所示。
残余预紧力计算过程相对繁琐，在排查载荷压力作用下的残余预紧力时，建议直接通过测量拧松扭矩来推导。普通螺钉在未加防松措施和拧紧后立刻拧松时，拧松扭矩和拧紧扭矩的比例约为80%。根据螺纹联接拧紧扭矩和拧松扭矩的计算模型，并结合上述分析结果，当受载荷压力后实测螺钉拧松扭矩的预紧力系数小于0.375时，应将载荷压力纳入螺钉松脱原因。
摩擦面积
3.2.1 排查螺纹旋合长度
对于螺纹受力及旋合长度，螺纹前3扣将承载80%以上的力。有效旋合长度达到3扣后，可以有效防止螺纹联接失效。GB/T 197—2003 《普通螺纹公差》规定中等旋合长度N的最小值基本与3倍螺距对应,即与有效旋合3扣长度对应。当螺钉有效旋合长度不小于3倍螺距时，可以排除旋合长度原因导致的螺纹联接失效。
3.2.2 排查螺纹结构尺寸
使用对应的螺纹塞规和螺纹环规对工件内、外螺纹进行检测，当止端螺纹塞规与工件内螺纹旋合深度大于2倍螺距，或止端螺纹环规与工件外螺纹旋合长度大于2倍螺距时，说明螺纹结构尺寸异常，螺纹联接后的摩擦面积减小，需将螺纹结构尺寸异常归为导致螺纹联接失效的原因。
3.2.3 排查螺纹基本牙型完整性
目视检查内、外螺纹，如存在脱扣、牙面缺损等现象，需将螺纹基本牙型完整性纳入导致螺纹联接失效的原因。
摩擦系数
摩擦系数由零件表面状态确定，不同表面的摩擦系数如表1所示，加工完成后摩擦系数基本固定。装入螺钉时，通常会进行润滑处理，装入螺钉后，润滑介质会挥发，因此摩擦系数会增大。摩擦系数的增大有利于螺钉防松，因此在随机振动过程中，可以排除摩擦系数原因导致螺钉松脱。
4、方法应用
故障现象
某加固笔记本电脑产品在筛选振动过程中，95台产品中有13台产品机箱靠近把手侧的固定螺钉掉落，螺钉松脱位置如图4所示。
原因判定
4.2.1 设备结构组成
加固笔记本电脑由机箱、液晶屏等组件组成(见图5)。机箱由上盖和下盖通过螺钉联接而成，螺纹设置在机箱上盖处；液晶屏由屏前框和屏后盖通过螺钉联接而成，螺纹设置在屏后盖处；液晶屏通过铰链以及铰链垫块安装到机箱下盖处(见图6)。
4.2.2 原因判定过程
(1)螺纹牙面完整性：目视检查内、外螺纹，未发现脱扣、牙面缺损等现象，排除该原因。
(2)旋合长度：机箱下盖固定螺钉的螺距为0.45mm，穿过机箱后螺钉外露长度为3mm，机箱上盖内螺纹深度为4mm，有效旋合长度约为6倍螺距，符合旋合长度要求，排除该原因。
(3)螺纹结构尺寸：使用对应的螺纹塞规和螺纹环规对螺钉以及机箱下盖内的螺纹进行复检，未发现结构尺寸异常现象，排除该原因。
(4)初始预紧力：加固笔记本电脑固定螺钉的材料为06Cr19Ni10不锈钢，其屈服强度为205MPa。螺钉的拧入方式为拧入6063铝质零件螺纹，铝质零件的屈服强度为180MPa。为了防止螺纹出现滑丝或脱扣,需要按照屈服强度较小的材料确定螺钉的拧紧扭矩。螺钉的应力截面积为3.39mm2，紧固扭力设置为0.3N·m，将以上数据代入式(1)和式(2)，可得预紧力系数为0.983。
根据计算结果，如果螺钉安装扭力达到0.3N·m，可排除初始预紧力原因。为此进行了两组排查：A组是对同批次未发生螺钉松脱产品同位置螺钉测试拧松扭力；B组是在相同位置按0.3N·m重新安装同规格螺钉，测试拧松扭力。两组排查结果如表2所示，发现测得的拧松扭力均不小于0.25N·m，可以排除初始预紧力原因。
(5)残余预紧力：加固笔记本电脑在振动台上的固定方式如图7所示，简化力学模型如图8所示，可见加固笔记本电脑受轴向的载荷压力，需进行残余预紧力分析。
经过调查，为防止加固笔记本电脑在振动过程与振动台平面发生水平方向位移，螺母紧固扭力为6.5N·m，计算可知，残余预紧力系数为0.33，说明螺钉联接不再可靠。
故障复现
可知该加固笔记本电脑螺钉的紧固扭力不大于0.125N·m，因此先采用6.5N·m扭力固定丝杆螺母，将加固笔记本电脑固定到振动台上，然后采用0.125N·m扭力安装加固笔记本电脑机箱下盖螺钉。在相同的振动指标下，下盖螺钉出现了松动或松脱，故障得到复现。
纠正措施
降低丝杆螺母的扭力，提高残余预紧力。将丝杆螺母固定扭力降低到1.5~2N·m，此时机箱下盖上的螺钉残余预紧力约为0.25N·m，残余预紧力系数大于0.66，大部分为0.83以上。该方法可使加固笔记本电脑在振动台上可靠固定，不发生相对移动，加固笔记本电脑机箱下盖的固定螺钉不发生松动或松脱。
原因分析
加固笔记本电脑筛选振动后，螺钉松动或松脱的原因是，加固笔记本电脑在振动台上固定时，压杠压力太大，使得螺钉残余预紧力大幅降低，螺钉联接不可靠。降低螺钉被联接件的正向压力，以减少对螺钉残余预紧力的影响，可消除故障现象。
5、结语
(1)螺纹联接的目的是获得轴向预紧力，当受轴向载荷压力时，残余预紧力是最终决定螺纹联接可靠性的因素。
(2)螺纹联接松动影响因素包括初始预紧力、摩擦系数、摩擦面积。对影响螺纹联接松动的3个因素明确了排查方法和排除条件，建立了螺钉松脱原因分析方法，并在实践案例中进行了应用，快速、准确地对故障原因进行了判定。
