擰緊角度及時(shí)間監(jiān)控對(duì)螺栓連接可靠性研究

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司寶駿基地發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，廣西 柳州 545007）

當(dāng)前，市場(chǎng)汽車(chē)制造業(yè)獲得快速發(fā)展。在如何快速生產(chǎn)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的同時(shí)，保證汽車(chē)零部件的裝配質(zhì)量，尤其是螺栓連接可靠性問(wèn)題成為各制造公司共同面臨的難題。目前，許多公司的電槍擰緊程序角度設(shè)置方式單一，防錯(cuò)效果不明顯，導(dǎo)致螺栓漏擰緊的缺陷發(fā)動(dòng)機(jī)流出工位，最終流到客戶(hù)手中，造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到影響，甚至造成安全隱患。

為此，本文基于Atals電槍擰緊程序，舉例分析裝配過(guò)程中螺栓連接失效模式，針對(duì)不同失效模式列出設(shè)定監(jiān)控角度值方法，保證發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓無(wú)漏擰緊、扭矩不足、重復(fù)擰緊、滑牙等缺陷逃逸。

1 電槍擰緊角度監(jiān)控原理

在應(yīng)用力矩?cái)Q緊法擰緊螺栓的過(guò)程中，把擰緊力矩作為擰緊的控制參數(shù)，而把從某一力矩（T0）開(kāi)始到擰緊結(jié)束（T1）螺釘（螺母）擰緊的角度作為監(jiān)控值，這種對(duì)擰緊角度進(jìn)行監(jiān)控的方法叫角度監(jiān)控[1]。

當(dāng)螺栓從T0到T1過(guò)程中，擰緊角度低于或高于正常擰緊時(shí)的角度監(jiān)控范圍，則電槍報(bào)警，如圖1所示。

圖1電槍角度監(jiān)控原理圖

2 設(shè)置角度監(jiān)控的方法

2.1 判斷擰緊軸設(shè)置角度監(jiān)控可行性

以設(shè)置角度監(jiān)控設(shè)置識(shí)別連桿螺栓是否滑牙為例子，首先理解擰緊軸擰緊程序設(shè)置步驟及控制方法。某公司活塞曲軸活塞連桿螺栓的擰緊扭矩為20N·m+(90°± 4°)，擰緊程序如表 1所示：

以步驟4為例，說(shuō)明程序步驟的含義。步驟4以20 r/min的轉(zhuǎn)速擰緊至20 N·m，擰緊結(jié)束檢查的監(jiān)控范圍為18~22 N·m，擰緊過(guò)程中不能超過(guò)限制扭矩25 N·m和限制時(shí)間2 s，否則擰緊中止。

將連桿螺栓滑牙的擰緊曲線(xiàn)（圖3）與正常擰緊曲線(xiàn)（圖2）進(jìn)行對(duì)比，紅色為扭矩變化曲線(xiàn)，觀察曲線(xiàn)的異常點(diǎn)。

圖2正常連桿螺栓擰緊曲線(xiàn)

圖3連桿螺栓滑牙擰緊曲線(xiàn)

從以上正常擰緊曲線(xiàn)和螺栓滑牙的擰緊曲線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滑牙螺栓在10~20 N·m之間（A~B點(diǎn)間）的角度值變大，時(shí)間變長(zhǎng)，擰緊扭矩不穩(wěn)定，但螺栓擰緊最終動(dòng)態(tài)扭矩在合格范圍內(nèi)，用數(shù)顯扳手測(cè)量螺栓的靜態(tài)扭矩值不達(dá)標(biāo)，拆解連桿螺栓滑牙（圖4）。

圖4連桿螺栓滑牙示意圖

因此，通過(guò)擰緊曲線(xiàn)圖的分析，可在步驟4，擰緊10~20 N·m之間設(shè)置角度及時(shí)間監(jiān)控。

2.2 確定擰緊軸擰緊程序的角度值及時(shí)間的方法

（1）統(tǒng)計(jì)法

查詢(xún)樣本數(shù)據(jù)190 252臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)10~20 N·m的擰緊角度（相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示），用數(shù)理統(tǒng)計(jì)6Σ計(jì)算出角度監(jiān)控值為13°~50°，分析如下：

① 共52次角度超過(guò)50°,百分比為0.0273%，靜態(tài)扭矩不合格率為75%.

② 共46次角度低于13°,百分比為0.023653%，靜態(tài)扭矩不合格率為34%.

圖5連桿螺栓擰緊Q-DAS統(tǒng)計(jì)圖

（2）驗(yàn)證法

采樣期間用扳手100%復(fù)緊檢查，動(dòng)態(tài)扭矩合格的發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)扭矩均合格，不存在螺栓滑牙情況，證明角度和時(shí)間監(jiān)控有效；對(duì)擰緊不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)100%拆解分析，并對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)一步收嚴(yán)。

（3）角度下限設(shè)置的原因

分析擰緊角度小于13°以下有兩種情況：①擰緊軸與螺栓對(duì)位不準(zhǔn)，導(dǎo)致螺栓憋死，需通過(guò)調(diào)整設(shè)備機(jī)械位置；②螺紋孔內(nèi)有雜質(zhì)，導(dǎo)致擰緊過(guò)程卡滯，需下線(xiàn)拆解返修檢查。

擰緊角度值越小，動(dòng)態(tài)擰緊力矩越大（圖6、表2），出現(xiàn)雜質(zhì)、螺紋孔加工不良的可能性越大，為防止以上情況，需增加角度下線(xiàn)監(jiān)控13°.

圖6連桿螺栓擰緊結(jié)果統(tǒng)計(jì)柱狀圖

表2連桿螺栓擰緊結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

（4）時(shí)間設(shè)定方法

通過(guò)查看正常擰緊曲線(xiàn)圖，10~20 N·m之間的擰緊時(shí)間0.5 s左右，螺栓滑牙時(shí)的擰緊時(shí)間為3 s左右，因此原時(shí)間監(jiān)控5 s無(wú)法監(jiān)控螺栓滑牙，需更改更改為1 s.

2.3 如何設(shè)置單軸電槍角度監(jiān)控的起始扭矩T0及結(jié)束扭矩T1

由于擰緊電槍的程序設(shè)置不同于擰緊軸擰緊程序設(shè)置方法，其角度監(jiān)控設(shè)定方法也不同。單軸電槍的程序設(shè)置關(guān)鍵在選取扭矩監(jiān)控初始扭矩Tx及結(jié)束扭矩Ty，不同扭矩監(jiān)控起始值及結(jié)束值所起到作用不同。

舉例：某螺栓擰緊目標(biāo)扭矩為20 N·m，以下為其擰緊程序及擰緊圖（如圖7）。

Start……0 N·m…，電槍啟動(dòng)至螺栓預(yù)緊部分。

Cycle start，T0=2 N·m，螺栓與工件表面貼合點(diǎn)，循環(huán)起始扭矩2 N·m.

Step1，T1=12 N·m，轉(zhuǎn)速 560 r/min，第一步目標(biāo)扭矩12 N·m，轉(zhuǎn)速560 r/min.

Step2，T2=20 N·m，轉(zhuǎn)速 30 r/min，第二步目標(biāo)扭矩20 N·m，轉(zhuǎn)速30 r/min.

圖7螺栓擰緊曲線(xiàn)圖

（1）方法 1：Tx電槍啟動(dòng)為監(jiān)控點(diǎn)，Ty為 20 N·m.

優(yōu)點(diǎn)：可檢測(cè)出混裝螺紋副過(guò)長(zhǎng)的螺栓或多裝漏裝墊片。

缺點(diǎn)：此方法必須先對(duì)準(zhǔn)套筒后擰緊螺栓，若套筒空轉(zhuǎn)則角度不可控，需謹(jǐn)慎采用。

（2）方法2：Tx為循環(huán)起始扭矩值2N·m，Ty為20N·m.

優(yōu)點(diǎn)：以螺栓預(yù)到底，與工件表面貼合點(diǎn)為監(jiān)控起始點(diǎn)，目標(biāo)扭矩20 N·m監(jiān)控結(jié)束點(diǎn)，可檢測(cè)出螺栓滑牙、工件是否安裝到位、工件表面是否平整、帶膠螺栓的膠量是否過(guò)多、O型圈是否夾膠（暖通管和集濾器）。

缺點(diǎn)：角度監(jiān)控值散差大。提高角度起始點(diǎn)力矩，避開(kāi)在力矩、角度曲線(xiàn)的非線(xiàn)性變化階段開(kāi)始計(jì)算角度，特別對(duì)于軟連接更應(yīng)注意，否則只能把角度監(jiān)控值范圍設(shè)置很大，使角度監(jiān)控意義不大[2]。

（3）方法 3：Tx為循環(huán)起始扭矩值 2 N·m，Ty為循環(huán)起始扭矩值至Step1中任意一點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)擰緊后彈性變形大的零件使用，如擰緊涂油后的油底殼，電槍自身防重復(fù)擰緊機(jī)制失效時(shí)，可采用增加角度監(jiān)控進(jìn)行防重復(fù)擰緊。

3 擰緊角度監(jiān)控設(shè)置實(shí)際應(yīng)用舉例

若零部件在裝配時(shí)未安裝到位和零件缺陷，擰緊時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩合格，抽檢靜態(tài)扭矩不達(dá)標(biāo)，螺栓松脫，常見(jiàn)情況如下。

3.1 通過(guò)角度監(jiān)控識(shí)別零件安裝不到位

由于定位銷(xiāo)和銷(xiāo)孔的配合過(guò)緊，導(dǎo)致安裝不到位（例：前端蓋），錯(cuò)誤安裝方式如圖8和正確安裝方式圖9所示。

圖8錯(cuò)誤安裝方式

圖9正確安裝方式

預(yù)防方法：

（1）用定位銷(xiāo)的進(jìn)行定位的零件，均用塑料錘子將零件敲至貼合后擰緊。

（2）通過(guò)統(tǒng)計(jì)正常擰緊時(shí)角度值，用3Σ進(jìn)行計(jì)算，增加角度監(jiān)控并驗(yàn)證有效性。

3.2 通過(guò)角度監(jiān)控識(shí)別錯(cuò)誤的裝配過(guò)程

工件1和工件2尺寸差異大，在擰緊過(guò)程中工件1受到外力，導(dǎo)致擰緊時(shí)工件1和工件2石夾角α，如圖10和圖11（例：水泵螺栓）。

圖10工件1和工件2安裝貼合

圖11工件1和工件2有夾角

預(yù)防方法：

（1）安裝工件1時(shí)，先用氣槍將螺栓預(yù)緊到底，使工件1和工件2貼合，后用電槍進(jìn)行擰緊。

（2）通過(guò)統(tǒng)計(jì)正常擰緊角度值，用3Σ進(jìn)行計(jì)算，增加角度監(jiān)控并驗(yàn)證有效性。

3.3 通過(guò)角度監(jiān)控識(shí)別零件多裝、漏裝

以缸蓋螺栓墊片為例子，舉例設(shè)置角度監(jiān)控的方法。

（1）計(jì)算理論監(jiān)控范圍

理論角度監(jiān)控范圍=（（螺栓總長(zhǎng)度-墊片厚度× 2）/螺距）× 360°~（（螺栓總長(zhǎng)度 + 墊片厚度 × 2）/螺距）×360°

（2）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，擰緊角度收集值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用3Σ計(jì)算出角度監(jiān)控范圍值，其應(yīng)在理論監(jiān)控角度范圍接近。

（3）現(xiàn)場(chǎng)收集多裝、漏裝的防錯(cuò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，不斷收嚴(yán)角度監(jiān)控范圍，保證角度監(jiān)控值能識(shí)別出多裝、漏裝缸蓋墊片。

3.4 設(shè)置角度監(jiān)控識(shí)別工件表面平面度超差（進(jìn)氣歧管螺栓）

工件2的表面不平整，在擰緊過(guò)程中，通過(guò)扭力壓緊工件，如圖12和圖13。此時(shí)擰緊角度遠(yuǎn)大于正常工件，通過(guò)增加角度監(jiān)控可識(shí)別出問(wèn)題工件。

圖12擰緊前工件狀態(tài)

圖13擰緊后工件狀態(tài)

[1]王 靜.角度監(jiān)控在擰緊防錯(cuò)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2012，(02):131-134.

[2]張明興.螺栓力矩?cái)Q緊法擰緊異常的控制[J].汽車(chē)工藝與材料，2005，(03):17-19.