高精擰緊工具在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用

覃尚第，謝斌明

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)制造部設(shè)備管理科，廣西 柳州 545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓的擰緊力矩，是發(fā)動(dòng)機(jī)總成裝配的關(guān)鍵力矩，其直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。廣泛應(yīng)用于全球領(lǐng)先的工業(yè)生產(chǎn)解決方案供應(yīng)商阿特拉斯·科普柯集團(tuán)工具，其擰緊機(jī)的最高等級(jí)，可達(dá)100 萬(wàn)次，擰緊后的測(cè)試精度，仍然保持在±2.5%范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果是基于聯(lián)合測(cè)試方式，其硬連接為30°，軟連接720°。

本文主要介紹ATLAS 擰緊工具擰緊方式的改進(jìn)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用。

1 ATLAS 擰緊工具基本擰緊技術(shù)

1.1 裝配過(guò)程最基本的要求

（1）提供足夠的殘余預(yù)緊力以克服所有可能的外力；

（2）確保裝配過(guò)程中螺栓不會(huì)被損壞；

（3）檢測(cè)并指示產(chǎn)品和過(guò)程錯(cuò)誤；

（4）為保證品質(zhì)，系統(tǒng)提供裝配過(guò)程的信息和數(shù)據(jù)。

1.2 夾緊力的數(shù)學(xué)模型

考慮如下參數(shù)，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型（如圖1）。

圖1 夾緊力的數(shù)學(xué)模型示意圖

（1）螺栓連接特性。如圖2、圖3 所示。

圖2 螺拴夾緊力與角度線(xiàn)性圖

圖3 扭矩與角度線(xiàn)性圖

夾緊力在貼合后，隨著角度線(xiàn)性增長(zhǎng)，可以描述為：

夾緊力F=k×A。

k 是force rate（力率、力比），定義為dF/dA；

A 是角度，表示螺栓轉(zhuǎn)過(guò)的角度；

k 對(duì)一個(gè)給定的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要與幾何公差有關(guān)。

（2）軸向力－扭矩的關(guān)系。夾緊力F 通過(guò)螺拴頭下摩擦、螺距和螺紋副摩擦轉(zhuǎn)化為扭矩，公式如下：

Torque=F(p/2π+（μtrt）/cos β+μnrn)

其中，

Torque 為扭矩T；

F 為螺栓受力；

p/2π 表示這部分螺紋受力拉伸，p 為螺紋拉伸程度；

（μtrt）/ cos β 表示這部分需要克服螺紋摩擦力，μt為螺紋摩擦力，rt為螺紋有效半徑；

μnrn表示這部分需要克服螺母貼合面摩擦力，μn為螺母摩擦力，rn為螺母有效半徑。

（3）螺栓連接模型－塑性變形階段。如圖4所示。

圖4 螺栓連接的夾緊力、扭矩與角度塑性變形曲線(xiàn)圖

當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，軸向力和扭轉(zhuǎn)力最終共同作用到螺栓上，直至螺栓發(fā)生屈服變形，即螺栓出現(xiàn)了永久的伸長(zhǎng)變形，擰緊后可以測(cè)量出來(lái)（如圖5 所示）。

圖5 螺栓作用力分布圖

這種永久變形，其最開(kāi)始出現(xiàn)在螺栓體最外圈，然后逐步向內(nèi)圈擴(kuò)展。如果某處的應(yīng)力超過(guò)了材料極限，螺栓就會(huì)開(kāi)始斷裂（如圖6 所示）。

圖6 螺栓擰緊示意圖

（4）螺栓連接模型－彈性變形階段。如圖7 所示。彈性階段的夾緊力范圍，主要與材料的屈服點(diǎn)有關(guān)，與連接的軟硬程序及摩擦系數(shù)有些許關(guān)系。

圖7 彈性變形曲線(xiàn)圖

對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)的材料，力率會(huì)有一個(gè)明顯的下降，即曲線(xiàn)變平。而對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)的材料，這個(gè)趨勢(shì)并不明顯。最終螺栓都會(huì)斷裂。從屈服點(diǎn)開(kāi)始到螺栓斷裂轉(zhuǎn)過(guò)的角度，與夾緊長(zhǎng)度關(guān)系非常大，一般來(lái)說(shuō)是在幾百度的范圍內(nèi)。

1.3 擰緊方法的分類(lèi)

ATLAS 擰緊工具擰緊方法的分類(lèi)——按工具控制方式分有兩類(lèi)：

一是，基于扭矩或角度的方式。其中，在彈性范圍內(nèi)的，有扭矩控制，角度控制，連接控制；超出彈性范圍的，有角度控制，梯度（扭矩變化率）控制，即屈服點(diǎn)控制；

二是，其他方式。超聲波和機(jī)械測(cè)試伸長(zhǎng)量控制。

（1）扭矩控制（如圖8 所示）。扭矩控制方式，利用的是人們熟知的扭矩與張緊力之間的關(guān)系公式。扭矩控制方式在出現(xiàn)最大摩擦系數(shù)和最小力率（Force Rate）時(shí)，提供最小的夾緊力，反之亦然。

圖8 扭矩與夾緊力示意圖

扭矩控制方式的優(yōu)勢(shì)是：容易實(shí)現(xiàn)不同精度等級(jí)的控制，從±25%的脈沖型工具到±1%的擰緊軸工具，巨量的產(chǎn)品和過(guò)程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)歷史悠久，設(shè)備的有效性校驗(yàn)過(guò)程非常容易。

劣勢(shì)是：夾緊力的精度很差，可能到±60%，受摩擦系數(shù)影響大，沒(méi)有根本辦法防止螺拴斷裂。以上兩個(gè)原因，導(dǎo)致螺栓能力利用率低，約為- 60%。

（2）彈性區(qū)域角度控制（如圖10）。彈性區(qū)域內(nèi)的角度控制，避免了的摩擦系數(shù)大范圍變動(dòng)對(duì)夾緊力的影響。其通過(guò)控制轉(zhuǎn)角來(lái)擰緊，利用了力率變動(dòng)較小的優(yōu)勢(shì)。

圖9 擰緊規(guī)范

圖10 彈性區(qū)域角度控制示意圖

彈性區(qū)域角度控制優(yōu)勢(shì)是：相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，過(guò)程和產(chǎn)品的有效性相對(duì)容易檢查，現(xiàn)場(chǎng)維修的成本和精度可以接受，螺栓利用率得到大大提高。

其劣勢(shì)是：標(biāo)準(zhǔn)的擰緊規(guī)范，通常不能直接使用，必須做一些連接分析、實(shí)驗(yàn)室分析工作，無(wú)法使用扭力扳手復(fù)緊來(lái)校驗(yàn)，工具同時(shí)需要扭矩和角度測(cè)量能力。

（3）塑性區(qū)域角度控制。將螺栓擰過(guò)屈服點(diǎn)以上的塑性區(qū)域，最大限度地利用螺栓材料本身強(qiáng)度的屈服點(diǎn)，穩(wěn)定軸向預(yù)緊力，提高螺栓的疲勞性能。

圖11 塑性區(qū)域角度控制示意圖

塑性區(qū)域角度控制的優(yōu)勢(shì)是：摩擦力影響降到最低，最大程度上利用螺栓的能力。

其劣勢(shì)是：生產(chǎn)條件下檢驗(yàn)工具性能很困難，設(shè)置和校驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)的費(fèi)用較高，螺栓一般無(wú)法重復(fù)使用。

（4）梯度（扭矩變化率）控制、屈服點(diǎn)控制。通過(guò)對(duì)扭矩- 轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)斜率的連續(xù)計(jì)算和判斷計(jì)算屈服點(diǎn)的，就是說(shuō)在擰緊過(guò)程中，需要測(cè)量螺栓自然長(zhǎng)度，在擰緊過(guò)程中螺栓受到監(jiān)控，針對(duì)每個(gè)螺栓，并在最大梯度下降時(shí)，判斷其最大梯度和屈服點(diǎn)。

圖12 梯度控制與屈服點(diǎn)控制示意圖

梯度（扭矩變化率）控制、屈服點(diǎn)控制的優(yōu)勢(shì)是：螺栓進(jìn)入塑性階段一個(gè)小角度，最大程度利用螺栓的能力；螺栓可以重復(fù)利用幾次；夾緊力精度很高，擰緊效果不受彈性系數(shù)即力率Force Rate K 的影響。當(dāng)需要用許多螺栓固定的情況下，如氣缸蓋，在設(shè)計(jì)上有時(shí)需要對(duì)不同位置使用不同螺栓，彈性系數(shù)不同，但這只影響屈服點(diǎn)的角度，夾緊力最大值總是在屈服點(diǎn)附近。

其劣勢(shì)是：需要做連接分析和實(shí)驗(yàn)室工作，過(guò)程的檢驗(yàn)困難，擰緊、修復(fù)螺栓比較困難，設(shè)備昂貴。

2 擰緊方式的具體應(yīng)用

2.1 擰緊基本策略

某工廠發(fā)動(dòng)機(jī)總成裝配，目前擁有手持式擰緊槍60 多把，擰緊軸90 條。手持式工具大多采用兩步擰緊策略（扭矩控制角度監(jiān)控方式），其夾緊力精度很高，擰緊效果不受彈性系數(shù)（即力率Force Rate K）的影響。當(dāng)需要用許多螺栓緊固的情況下，如進(jìn)氣歧管螺栓，在設(shè)計(jì)上，有時(shí)需要對(duì)不同位置使用不同螺栓，彈性系數(shù)不同，但這只影響屈服點(diǎn)的角度，夾緊力最大值總是在屈服點(diǎn)附近（如圖13）。

圖13 扭矩控制角度監(jiān)控方式

擰緊軸則根據(jù)螺栓的特性，選擇不同的擰緊方式，如缸蓋螺栓擰緊方式：

采用先擰緊4 500°→擰緊到10 N·m →擰緊到49 N·m→返松1 440°→擰緊到10 N·m→擰緊到23 N·m →角度擰緊82°，整個(gè)過(guò)程采用同步擰緊和最終扭矩和角度的檢查，程序如圖14 所示。

圖14 同步擰緊和最終扭矩和角度檢查方式

2.2 品質(zhì)問(wèn)題解決案例

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓滑牙問(wèn)題。連桿總成是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，而連桿螺栓緊固力矩，是發(fā)動(dòng)機(jī)總成裝配的關(guān)鍵力矩，其好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)。在連桿螺栓的擰緊過(guò)程中，出現(xiàn)了數(shù)次螺栓靜態(tài)扭力在合格范圍內(nèi)，但需要重復(fù)擰緊導(dǎo)致螺栓滑牙，使連桿報(bào)廢。連桿的擰緊程序如圖15 所示，先同步擰緊到10 N·m，然后擰緊到33 N·m。

由擰緊曲線(xiàn)圖可以跟蹤分析得出，部分螺栓由于螺紋副或者螺栓的批次的不同，在擰緊過(guò)程所受的摩擦力不同，連桿螺栓在同步擰緊到10 N·m 過(guò)程中，部分螺栓一開(kāi)始的扭力就達(dá)到了12 N·m 左右，而從10 N·m 擰緊到33 N·m 過(guò)程中，螺栓克服了螺紋副的摩擦力，扭力迅速降低到10 N·m 以下，再繼續(xù)進(jìn)行擰緊到33 N·m，最終結(jié)果不合格，需要返松螺栓再進(jìn)行擰緊，螺栓的重復(fù)擰緊，造成螺栓滑牙斷裂，連桿報(bào)廢。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓擰緊程序

ATLAS 的擰緊軟件，可以準(zhǔn)確地跟蹤螺栓的整個(gè)擰緊過(guò)程，針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)擰緊方式做了改進(jìn)。

增加了同步擰緊到20 N·m，并在此步驟進(jìn)行檢查，需要在16～24 N·m 之間才為合格，并將擰緊斜率由300 r/min 提高至400 r/min，改進(jìn)后螺栓擰緊合格率明顯提高，連桿的報(bào)廢率大大降低，問(wèn)題得到解決。

改進(jìn)程序如圖16 所示。

圖16 修改后的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓擰緊程序

（2）排氣歧管雙頭螺柱擰緊不合格問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管雙頭螺栓，使用是手持式電槍擰緊，其材料為自鎖銅螺母，在生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)了較頻繁的螺母擰緊不合格現(xiàn)象，導(dǎo)致螺母報(bào)廢率很高，擰緊目標(biāo)扭矩（22±4）N·m，采用兩步擰緊，先到17 N·m，再到22 N·m。

程序如圖17 所示。

圖17 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管雙頭螺栓擰緊程序

銅螺母材質(zhì)較軟，容易變形，螺母副的摩擦力較大，由擰緊軟件的曲線(xiàn)圖跟蹤分析得到：第一步中扭矩大多都到了20 N·m，這比第一步扭矩13 N·m 大出了7 N·m 之多，這是導(dǎo)致螺母擰緊不合格的要因。

根據(jù)螺栓擰緊特性和曲線(xiàn)圖的追蹤得出，螺母從開(kāi)始擰緊到達(dá)15 N·m 之間旋轉(zhuǎn)的角度約為2 000°，于是對(duì)擰緊方式進(jìn)行改進(jìn)，將程序改進(jìn)使用快步擰緊，啟用高速運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)電槍先高速運(yùn)轉(zhuǎn)到2 000°，再進(jìn)行到22 N·m，這樣可以將自鎖螺母的螺母副過(guò)大摩擦力消除，提高了合格率，減少了零件的報(bào)廢。

改進(jìn)程序如圖18 所示。

圖18 修改后的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管雙頭螺栓擰緊程序

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪螺栓存在扭矩過(guò)大，且不穩(wěn)定的問(wèn)題。飛輪是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的盤(pán)形零件，其作用如同一個(gè)能量存儲(chǔ)器。在做功行程中，發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給曲軸的能量，除對(duì)外傳輸外，還有部分能量被飛輪吸收，從而使曲軸的轉(zhuǎn)速不會(huì)升高很多。在排氣﹑進(jìn)氣和壓縮這3個(gè)行程中，飛輪將其存儲(chǔ)的能量放出來(lái)，補(bǔ)償這3個(gè)行程所消耗的功，從而使曲軸轉(zhuǎn)速不致降低太快。

另外，飛輪是摩擦式離合器的主動(dòng)件，在飛輪輪緣上鑲嵌有供起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用的飛輪齒圈等。飛輪的品質(zhì)問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)是重中之重，飛輪的螺栓良好擰緊，是飛輪關(guān)鍵性工序。

在飛輪螺栓擰緊過(guò)程中，采用3個(gè)擰緊軸同時(shí)擰緊，分兩組完成。工作過(guò)程出現(xiàn)了階段性的飛輪螺栓扭力不穩(wěn)定，擰緊軸發(fā)熱過(guò)大，靜態(tài)扭矩經(jīng)常超出要求范圍等情況，經(jīng)過(guò)檢查飛輪和螺栓，都無(wú)品質(zhì)問(wèn)題，于是在工具上重新做了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果，3個(gè)擰緊軸精度都在1%合格范圍內(nèi)，更換了擰緊軸、線(xiàn)纜﹑對(duì)換控制器等，都無(wú)明顯的改善。由擰緊曲線(xiàn)圖對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊分析，如圖19 所示。

圖19 發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪螺栓擰緊曲線(xiàn)

圖中為3個(gè)螺栓擰緊過(guò)程的曲線(xiàn)圖。

由曲線(xiàn)圖可以看出：有一個(gè)螺栓的擰緊，與其他兩顆螺栓曲線(xiàn)圖存在差異，時(shí)間上滯后了約40 ms。根據(jù)螺栓特性可知，后達(dá)到扭矩的螺栓，所擰緊的硬度，要比其他兩顆擰緊的硬度要大，而硬連接的靜態(tài)扭矩抽檢是會(huì)偏大，因此會(huì)出現(xiàn)只要3 顆螺栓擰緊過(guò)程出現(xiàn)不同步問(wèn)題，就可能出現(xiàn)其中某個(gè)螺栓的靜態(tài)扭矩偏大。

針對(duì)問(wèn)題判斷出，經(jīng)常出現(xiàn)扭矩偏大的，為同一個(gè)擰緊軸所擰緊。于是對(duì)控制器進(jìn)行更換，并對(duì)3個(gè)擰緊槍的控制器版本進(jìn)行重新刷新，升級(jí)至同一版本。實(shí)施措施后，跟蹤擰緊結(jié)果，曲線(xiàn)圖如圖20 所示，問(wèn)題得到了解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖20 更換控制器后的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪螺栓擰緊曲線(xiàn)

運(yùn)用高精度的擰緊工具進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，同時(shí)熟悉擰緊基本理論及擰緊工具的工作原理，根據(jù)不同的工藝要求和零件材料特性，選用不同的擰緊方式，提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝配品質(zhì)；通過(guò)觀察擰緊曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)擰緊過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的原因，從而解決發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的螺栓擰緊問(wèn)題。

[1]張甫生. 采用屈服點(diǎn)擰緊發(fā)的螺栓聯(lián)接計(jì)算方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，1989，（2）：30-34.