四缸柴油機(jī)螺栓擰緊質(zhì)量的改進(jìn)與控制

殷勝華，邱揚(yáng)文

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，揚(yáng)州225009）

四缸柴油機(jī)螺栓擰緊質(zhì)量的改進(jìn)與控制

殷勝華，邱揚(yáng)文

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，揚(yáng)州225009）

在柴油機(jī)總成及零部件的連接中，螺栓連接以其構(gòu)造簡(jiǎn)單，維修拆裝方便，工作安全可靠，連接強(qiáng)度、剛度和自鎖性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。在特定應(yīng)用場(chǎng)合，擰緊工具的多樣性使得使用者在選擇合適的擰緊工具時(shí)存在一定的困難。因?yàn)槁菟ú粌H僅只是簡(jiǎn)單的擰緊，而是要滿足不同的需求，如質(zhì)量、工藝要求、生產(chǎn)效率、工具操作性能以及投資，意味著要在各種不同的因素之間進(jìn)行綜合考慮和抉擇。

柴油機(jī)螺栓擰緊質(zhì)量控制

1 前言

在柴油機(jī)總成及零部件的連接中，螺栓連接以其構(gòu)造簡(jiǎn)單，維修拆裝方便，工作安全可靠，連接強(qiáng)度、剛度和自鎖性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，而各個(gè)零部件的組裝連接對(duì)螺栓的要求也各不相同。因此各個(gè)柴油機(jī)生產(chǎn)廠家根據(jù)其零部件的設(shè)計(jì)要求，都嚴(yán)格規(guī)定了柴油機(jī)中重要螺栓連接件力矩的大小，以及螺栓材料、硬度等方面的技術(shù)要求。

在特定應(yīng)用場(chǎng)合，擰緊工具的多樣性使得使用者在選擇合適的擰緊工具時(shí)存在一定的困難。因?yàn)槁菟ú粌H僅只是簡(jiǎn)單的擰緊，而是要滿足不同的需求，如質(zhì)量、工藝要求、生產(chǎn)效率、工具操作性能以及投資，意味著要在各種不同的因素之間進(jìn)行綜合考慮和抉擇。我們?cè)诙嗄甑墓ぷ鲗?shí)踐中，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。以下從幾個(gè)實(shí)例出發(fā)，提出柴油機(jī)螺栓擰緊的綜合解決方案。

2 關(guān)鍵重要螺栓的擰緊

發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)關(guān)鍵螺栓的擰緊要滿足質(zhì)量要求和生產(chǎn)效率。一般采用擰緊機(jī)擰緊，有以下3種擰緊策略，參見表1。

我公司關(guān)鍵及重要螺栓的擰緊均采用國(guó)際一線品牌ATLAS擰緊機(jī)，擰緊機(jī)的控制方式一般選擇為扭矩控制+角度監(jiān)控。如缸蓋螺栓規(guī)格M14× 1.5，擰緊力矩要求為140～160 N·m，選用ATLAS的擰緊軸QST62-230CT及PM4000-S的控制軸。

公司引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的柴油機(jī)的螺栓控制方式為角度控制+扭矩監(jiān)控。如缸蓋螺栓規(guī)格M14×2，擰緊力矩要求為30 N·m+130°轉(zhuǎn)角，選用ATLAS的擰緊軸QST62-350CT及PM4000-P-ES的控制軸。選擇擰緊軸時(shí)，參考了國(guó)外原公司提供的最終擰緊力矩的范圍。

來稿日期：2013-03-26

表1 三種螺栓擰緊策略

2.1 缸蓋螺栓的擰緊

四缸柴油機(jī)一般有18根缸蓋螺栓。最佳的方案是選擇18軸擰緊機(jī)，將18根螺栓同步擰緊，可克服由于缸蓋螺栓因分布位置不同、受力大小不同和缸蓋墊片受力變形所造成的18根螺栓擰緊力矩相互間的差異，將其控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，既滿足質(zhì)量要求，生產(chǎn)效率也是最高的。這種方案一次性投資比較大，適應(yīng)大批量生產(chǎn)的柴油機(jī)。

針對(duì)小批量生產(chǎn)的柴油機(jī)，在投資受限的情況下，根據(jù)測(cè)算，擰緊所需的總時(shí)間滿足節(jié)拍時(shí)間的要求，考慮采用雙軸可變距擰緊機(jī)。我公司有一款四缸柴油機(jī)，缸蓋螺栓的擰緊力矩為120～140 N·m，同組螺栓中心相對(duì)位置為67.067 mm和157.23 mm，其缸蓋螺栓分布見圖1。

圖1 缸蓋螺栓編號(hào)及分布圖

初次設(shè)計(jì)的擰緊工作過程如下：

步驟1：編號(hào)1～5的中間螺栓分2次擰緊，按1－2－3－4－5組的順序擰緊。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→擰緊至90 N·m→卸荷退出。

步驟2：按1－2－3－4－5組的順序再次擰緊中間的10根螺栓。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→擰緊至130±10 N·m→卸荷退出。

步驟3：擰緊軸變距，適應(yīng)外側(cè)編號(hào)為6～9螺栓的中心距，并按6－7－8－9順序擰緊外側(cè)的8根螺栓。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→擰緊至130±10 N·m→卸荷退出。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，按該方案擰緊后，編號(hào)1～5號(hào)螺栓的擰緊力矩比設(shè)定值小，為100 N·m，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

方案經(jīng)多次試驗(yàn)后，將擰緊工藝調(diào)整為先擰緊外側(cè)8根螺栓至90 N·m，再擰緊中間10根螺栓至設(shè)計(jì)力矩，最后重新擰緊外側(cè)8根螺栓至設(shè)計(jì)力矩，這樣滿足了設(shè)計(jì)要求。具體步驟如下：

步驟1：編號(hào)6～9外側(cè)螺栓按6－7－8－9順序擰緊8根螺栓。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→擰緊至90 N·m→卸荷退出。

步驟2：擰緊軸變距，適應(yīng)內(nèi)側(cè)編號(hào)1～5螺栓的中心距。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→擰緊至130±10 N·m→卸荷退出。

步驟3：擰緊軸再次變距，適應(yīng)外側(cè)螺栓的中心距，按6－7－8－9順序再擰緊外側(cè)的8根螺栓。工作過程設(shè)置為認(rèn)帽→擰緊至130±10 N·m→卸荷退出。

因?yàn)?8個(gè)螺栓孔在機(jī)體上所處的位置不同，因機(jī)體結(jié)構(gòu)的因素，每根螺栓的受力也不盡相同，有關(guān)螺栓的擰緊順序、擰緊次數(shù)、力矩的大小就需

要通過試驗(yàn)來確定。

2.2 連桿螺栓的擰緊

柴油機(jī)的連桿大頭與曲軸連桿軸頸的連接是靠連桿螺栓來實(shí)現(xiàn)的。連桿螺栓所承受的載荷是交變載荷，工作條件比較惡劣。為保證連桿體和連桿大頭蓋之間的安裝定位，并在受力時(shí)不致相互錯(cuò)位，平切口連桿一般是利用連桿螺栓中部加工的凸出圓柱體來定位，斜切口連桿常采用止口定位方式，漲斷連桿則利用鋸齒面定位、定位套定位和舌槽定位。我公司連桿是利用連桿螺栓中部加工的突出圓柱體定位，正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，在使用擰緊機(jī)擰緊前，為保證連桿螺栓在裝配過程中不被拉傷，在裝配工藝上規(guī)定螺栓頭部要先蘸機(jī)油，采用手工工具將連桿螺栓完全旋入連桿體和連桿蓋中，再使用擰緊機(jī)擰緊。

連桿螺栓擰緊機(jī)的工作過程設(shè)計(jì)為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→最終擰緊→卸荷退出。

2.3 主軸承螺栓的擰緊

四缸柴油機(jī)一般有10根主軸承螺栓。最佳的方案是選擇10軸擰緊機(jī)，將10根螺栓同步擰緊，這樣既滿足質(zhì)量要求，生產(chǎn)效率也是最高的。這種方案一次性投資比較大，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)的柴油機(jī)。

在投資受限的情況下，根據(jù)擰緊5檔主軸承螺栓所需總時(shí)間滿足節(jié)拍時(shí)間的情況，采用價(jià)格更適合的雙軸擰緊機(jī)，按從中間到兩邊的順序擰緊。

主軸承螺栓擰緊機(jī)的工作過程設(shè)計(jì)為認(rèn)帽→高速預(yù)擰緊→低速擰緊→反轉(zhuǎn)360°→最終擰緊→卸荷退出

3 大結(jié)合面螺栓的擰緊

柴油機(jī)上有些大的結(jié)合面，裝配完成后要求結(jié)合面不能漏水、漏油、漏氣。這些部位螺栓擰緊的可靠性受很多因素的影響，如擰緊工具、螺栓的強(qiáng)度、螺栓的長(zhǎng)短、擰緊的順序、被擰緊件的材質(zhì)等等，下面以油底殼螺栓擰緊方案為例進(jìn)行分析。

齒輪室、機(jī)體、后油封蓋幾個(gè)零件共同組成與油底殼的結(jié)合面，這3種零件的材質(zhì)不同，分別為HT250、HT300、壓鑄鋁件，油底殼為鋼板沖壓件，油底殼墊片為1.5 mm厚的紙質(zhì)墊片。初期該部位螺栓的擰緊使用氣動(dòng)扳手按圖2的順序擰緊，油底殼螺栓的擰緊力矩的數(shù)值離散非常大。工藝規(guī)定油底殼螺栓的擰緊力矩為23±3 N·m。采集140個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分布在18～37 N·m之間，在23±3 N·m范圍內(nèi)的力矩值共92個(gè)，占總數(shù)據(jù)數(shù)量的65.71%。臺(tái)架試驗(yàn)后力矩衰減嚴(yán)重，市場(chǎng)上油底殼結(jié)合面滲油、漏油故障發(fā)生率高。

后經(jīng)過改進(jìn)采用保證能力強(qiáng)的電動(dòng)定力矩扳手并按圖3順序擰緊。同樣采集140個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布在20～30 N·m之間，在23±3N·m范圍內(nèi)的力矩值共135個(gè)，占總數(shù)據(jù)數(shù)量的96.42%。但因?yàn)槭菐讉€(gè)不同材質(zhì)的零件，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)齒輪室處擰緊力矩值偏大，而后油封蓋處擰緊力矩值偏小。同樣的擰緊工具和緊固螺栓，因被擰緊件的材質(zhì)不同，最終的擰緊結(jié)果不同。由于紙質(zhì)墊片的存在，臺(tái)架測(cè)試后，擰緊力矩衰減了30%。

圖2 改進(jìn)前油底殼螺栓擰緊次序

圖3 改進(jìn)后油底殼螺栓擰緊次序

從以上分析得出，僅僅依靠配置保證能力強(qiáng)的擰緊工具，也不能完全保證螺栓的擰緊力矩。還必須采取其他的措施，防止螺栓力矩衰減，采用預(yù)涂膠螺栓應(yīng)該是一種比較好的選擇。

其他螺栓的擰緊采用氣動(dòng)扳手，氣動(dòng)扳手經(jīng)濟(jì)性好，操作性好且無反作用力，但螺栓力矩的保證能力差，造成力矩波動(dòng)范圍大。

4 影響螺栓擰緊力矩的因素淺析

影響螺栓最終力矩的原因很多，下面從操作人員、機(jī)器設(shè)備、物料、工藝及方法和場(chǎng)地環(huán)境5個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）操作人員：達(dá)到設(shè)定的扭矩值后，電控定扭扳手、氣動(dòng)定扭扳手會(huì)自動(dòng)停止，操作者使用該類工具，對(duì)擰緊力矩質(zhì)量的影響較小。使用氣動(dòng)扳手?jǐn)Q緊螺栓時(shí)，操作者為追求裝機(jī)的效率，每個(gè)螺栓停留的時(shí)間可能會(huì)較短，造成擰緊力矩偏??；另一常見問題是大結(jié)合面緊固螺栓數(shù)量比較多的情況下，操作人員未按規(guī)定的順序擰緊。

（2）機(jī)器設(shè)備：按以下的順序，電動(dòng)定扭扳手、氣動(dòng)定扭扳手、油壓脈沖扳手、氣動(dòng)扳手的扭矩的保證能力是逐步下降的；氣動(dòng)扳手工作時(shí)是通過壓縮空氣推動(dòng)葉片，葉片旋轉(zhuǎn)不停敲打中軸做功，實(shí)際就是敲擊扳手，所以氣動(dòng)扳手只適用于對(duì)螺栓擰緊精度要求不高的部位。

（3）物料：長(zhǎng)度小于公稱直徑3倍的螺栓，沒有做表面防松處理，柴油機(jī)使用一段時(shí)間后，可能會(huì)造成螺栓松動(dòng)；螺栓的強(qiáng)度低，擰緊力矩達(dá)不到規(guī)定值；配合的內(nèi)螺紋達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響擰緊力矩。

（4）工藝及方法：大結(jié)合面螺栓的擰緊不規(guī)定擰緊順序；使用氣動(dòng)扳手?jǐn)Q緊時(shí)，停留時(shí)間短，力矩就偏小，停留時(shí)間長(zhǎng)，力矩就偏大，造成螺栓擰緊力矩大小不一致；選擇的擰緊工具不當(dāng)，不能保證擰緊力矩；對(duì)帶定位段的螺栓，未按規(guī)定先用手工完全旋入后再用工具擰緊，造成裝配過程定位段拉傷，影響最終的擰緊力矩。

（5）場(chǎng)地環(huán)境：壓縮空氣壓力不穩(wěn)定；裝配線現(xiàn)場(chǎng)有多把氣動(dòng)扳手使用，造成壓縮空氣的瞬時(shí)壓力波動(dòng)大；配合的內(nèi)螺紋螺孔清洗不干凈，有異物，影響擰緊力矩。

5 螺栓力矩保證能力的改進(jìn)方向

柴油機(jī)螺栓的擰緊不僅是擰緊工具的簡(jiǎn)單選擇，而且還需要綜合考慮質(zhì)量、工藝要求、生產(chǎn)效率、工具操作性能以及投資的情況，應(yīng)分層次、多方向地解決螺栓擰緊的問題。目前我公司柴油機(jī)上關(guān)鍵和重要螺栓的擰緊力矩得到有效的控制，其他螺栓的擰緊力矩還有待進(jìn)一步改善。

（1）將柴油機(jī)上所有的螺栓進(jìn)行分類，對(duì)有關(guān)三漏的結(jié)合面的緊固螺栓擰緊工具逐步進(jìn)行改造，選擇保證能力更強(qiáng)的氣動(dòng)定扭、電動(dòng)定扭工具。

（2）螺栓預(yù)涂膠技術(shù)，具有密封和鎖固的雙重功能。使用預(yù)涂膠的螺栓在抑制螺栓力矩衰減方面的作用要明顯優(yōu)于不涂膠的螺栓。緊固螺栓采用預(yù)涂膠工藝，使螺栓的防松能力有了很大的提升。對(duì)于短螺栓、雙頭螺柱旋入端、柴油機(jī)振動(dòng)比較大的部位的緊固螺栓，在不增加工具投入的情況下，優(yōu)先采用螺栓預(yù)涂膠技術(shù)。

（3）對(duì)柴油機(jī)平墊片使用情況進(jìn)行梳理，目前只在被擰緊工件是不同材質(zhì)時(shí)，才使用平墊片，避免工件被刮傷和磨損。使用平墊片還有增大緊固過程中受力面積的作用。

（4）相應(yīng)緊固件必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求的精度等級(jí)，同時(shí)配合的零件螺紋精度也要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這是有效、安全緊固的基礎(chǔ)。

Improvement and Control of Tightening Quality for Bolts of Four-Cylinder Diesel Engine

Yin Shenghua,Qiu Yangwen
（Weichai Power Yangzhou Diesel Engine Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,China）

Bolted connection is widely used for diesel engines because there are many advantages,such as simple structure,,good serviceability,reliability,connection strength,stiffness and self lock performance. Selection of proper tightening tools is difficult because of diversity for tightening tools.Tightening is more than a requirement,many other requirements should be considered such as quality,processing requirements, production efficiency,performance of tightening tools and tools investment.Users should consider all these aspects and then select proper tools.

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殷勝華（1979-），女，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)裝試工藝技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.010