螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)在運(yùn)載火箭箭體制造中的應(yīng)用與研究

張偉方，馬興海，肖廣財(cái)，萬書會(huì)，陳戰(zhàn)來

( 1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076 )

0 引言

運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)中采用了大量承剪螺栓、抗拉螺栓等螺栓連接方式，常見有Φ6 mm、Φ8 mm、Φ10 mm、Φ12 mm等。螺栓連接涉及到箭體部件的較多裝配工作中，如儀器、電纜、支架、法蘭盤安裝等等。螺栓連接的可靠性對(duì)產(chǎn)品性能有著直接影響，控制箭體螺栓力矩，是保證螺栓連接可靠性的主要手段。本文主要介紹高精度的單軸和多軸擰緊系統(tǒng)對(duì)螺栓進(jìn)行力矩控制的螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)，目前已在運(yùn)載火箭箭體制造中的得到成功應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀

在航天產(chǎn)品裝配制造過程中，普遍采用人工擰緊方式，即由操作工利用表盤扳手、定力矩扳手或轉(zhuǎn)角儀等工具進(jìn)行手動(dòng)裝配。定力矩扳手（見圖1）施加的過程為：目視讀數(shù)調(diào)力矩——人工操作加力矩——手工抄寫記錄力矩。該方法優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，定力矩工具品種多，應(yīng)用范圍廣。但是，存在缺陷較多：

1）誤差大、精度低

一方面采用表盤式扳手時(shí)主要依靠目視讀數(shù)，存在一定誤差；另一方面，工人的擰緊速度無法保持均勻一致，造成動(dòng)摩擦力矩存在差異，影響裝配精度。[1]

2）生產(chǎn)效率、勞動(dòng)強(qiáng)度大

整個(gè)擰緊過程完全依靠人工利用手動(dòng)工具進(jìn)行，生產(chǎn)效率較低[1]。此外，使用時(shí)首先調(diào)整力矩扳手標(biāo)尺至目標(biāo)力矩值處，目視刻度線需保持一致，施加力矩時(shí)定力矩扳手軸線需垂直于螺栓中心線，施力過程中應(yīng)使定力扳手平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸地?cái)Q緊緊固件，手柄不得彎曲[2]。以某箭體為例，約3萬枚螺栓，螺栓數(shù)量多，螺栓直徑越大勞動(dòng)強(qiáng)度越大。

3）實(shí)際力矩值一致性較差、可靠性低

采用人工通過力矩扳手施加力矩，附帶力矩扳手自身重量、按壓力等載荷于試驗(yàn)件上，小規(guī)格螺栓受此因素影響更大，故一致性較差。

傳統(tǒng)力矩扳手采用預(yù)設(shè)力矩的方式進(jìn)行擰緊動(dòng)作，實(shí)際擰緊力矩值為定性值，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際擰緊力矩。使用預(yù)置式扭矩扳手施加扭矩時(shí)需平緩施力，不能使用沖擊力[2]。如某規(guī)格螺栓的擰緊力矩要求為17 N·m±1.7 N·m，在擰緊時(shí)設(shè)定扳手力矩為17 N·m，操作者施加力矩至聽到“咔嚓”聲后停止擰緊。受操作者自身工作經(jīng)驗(yàn)、身體素質(zhì)、情緒控制等因素，螺栓擰緊速度呈現(xiàn)快慢不一現(xiàn)象，或聽到聲音信號(hào)后操作者的實(shí)際反應(yīng)速度不一，由此造成實(shí)際擰緊力矩的離散度較大。

圖1 機(jī)械式定力矩扳手

4）數(shù)據(jù)記錄較難追溯

目前，螺栓實(shí)際擰緊的力矩值主要通過傳統(tǒng)的紙質(zhì)表格進(jìn)行記錄（如圖2所示），質(zhì)量控制手段落后，且記錄值即力矩扳手的預(yù)設(shè)定值，其記錄值并不能反映螺栓擰緊力矩值的真實(shí)值。同時(shí)，紙質(zhì)記錄僅有單純的力矩值，無法反映螺栓擰緊過程，過程數(shù)據(jù)不可保存，出現(xiàn)質(zhì)量事故后追溯較難。

圖2 紙質(zhì)記錄

2 原理

螺栓力矩是擰緊過程作用力與作用距離的乘積，即 T（力矩）=F（作用力）×L（作用距離）[3]，螺栓施加力矩的根本目的在于保證通過螺栓連接的部件產(chǎn)生足夠的夾緊力（如圖3所示）。螺紋連接的預(yù)緊力將對(duì)螺栓的總載荷、連接的臨界載荷、抵抗橫向載荷值能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。對(duì)于螺栓組連接，每個(gè)螺栓的預(yù)緊力應(yīng)該是相同的，不一致的預(yù)緊力將會(huì)使被連接件或墊片翹曲，或者損壞；如果有一個(gè)螺栓不能承擔(dān)設(shè)計(jì)者期待它所承擔(dān)的載荷，則連接將被破壞。過大或過小的預(yù)緊力均是有害的，過大的預(yù)緊力使螺紋緊固件產(chǎn)生靜力破壞，螺紋牙被剪斷（脫扣），螺栓斷裂；過小的預(yù)緊力使螺紋緊固件無法達(dá)到設(shè)計(jì)需求，相關(guān)部件功能失效。

圖3 力矩與夾緊力關(guān)系示意

3 系統(tǒng)組成

螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備是集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣動(dòng)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。目前國際主流設(shè)備供應(yīng)商有：瑞典阿特拉斯（Atlas Copco）、法國喬治雷諾（CP Georges Renault）、美國英格索蘭（Ingersoll-RAND）、德國博世（BOSCH）、美國庫柏（Cooper）等。80年代末，國外機(jī)電、汽車行業(yè)已普遍采用螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備；目前國內(nèi)汽車、航空業(yè)也廣泛采用螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備且應(yīng)用效果良好，較為常見的是智能式電動(dòng)螺栓自動(dòng)擰緊系統(tǒng)[4]。

本文涉及的螺栓自動(dòng)擰緊系統(tǒng)由智能控制器、手槍式電動(dòng)扳手、彎頭式電動(dòng)扳手、智能生產(chǎn)扳手、數(shù)據(jù)線等組成，如圖4所示。力矩輸出精度≤3%、角度輸出精度≤±1°。

根據(jù)運(yùn)載火箭箭體螺栓擰緊需求配置，系統(tǒng)以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，輸出的扭矩經(jīng)減速器增大，用于螺紋擰緊加載；內(nèi)置高精度陀螺儀精確控制力矩，配合陀螺儀原理角度編碼技術(shù)輔助檢測螺栓力矩施加的旋轉(zhuǎn)角度以提高力矩施加精度和可靠性?；跇?biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)技術(shù)，可將控制器存儲(chǔ)的螺栓擰緊力矩?cái)?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)線纜以及網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行提取或交換，保證數(shù)據(jù)記錄的完整性，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時(shí)跟蹤或者通過不同報(bào)告進(jìn)行監(jiān)控，產(chǎn)品總結(jié)報(bào)告以及產(chǎn)品列表提供與特定產(chǎn)品相關(guān)的擰緊操作的信息，一旦發(fā)生質(zhì)量事件，通過數(shù)據(jù)記錄功能調(diào)用相關(guān)信息，快速鎖定問題螺栓。系統(tǒng)內(nèi)置力矩傳感器，在線式實(shí)時(shí)測量動(dòng)態(tài)扭矩。

圖4 螺栓力矩自動(dòng)擰緊系統(tǒng)

4 實(shí)踐應(yīng)用

在螺栓裝配過程中，影響裝配扭矩的因素較多，除了螺紋材料、螺紋表面粗糙度、螺栓摩擦因數(shù)、螺紋直徑大小和裝配速度對(duì)裝配扭矩存在較大影響外，螺紋副之間的連接件狀態(tài)對(duì)裝配扭矩的精度也起到了重要的作用[5]。為保證螺栓力矩控制精度，以螺栓力矩設(shè)計(jì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，進(jìn)行螺栓力矩施加工藝設(shè)定，見表1(僅部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表1 螺栓力矩設(shè)計(jì)指標(biāo)

4.1 擰緊策略

螺栓力矩施加步驟設(shè)定為兩步擰緊方式，初期認(rèn)帽至力矩值60%時(shí)采用快速擰緊，此后40%則采用慢速擰緊，如圖5所示（僅展示6 N·m力矩）。以6 N·m目標(biāo)力矩值為例，起始力矩設(shè)定為0.6 N·m保證螺栓擰緊系統(tǒng)充分認(rèn)帽；設(shè)定第一目標(biāo)力矩值為最終目標(biāo)值的60%即3.6 N·m，第二目標(biāo)力矩值為6 N·m，即最終目標(biāo)力矩值，并設(shè)定最終目標(biāo)力矩值的控制精度范圍（該范圍同設(shè)計(jì)要求保持一致）。

從圖5中的力矩——時(shí)間曲線可見第一階段速度快、用時(shí)短（180 ms），保證了擰緊效率。第二階段速度慢、時(shí)間長（500 ms）有效保證力矩精度。

圖5 兩步擰緊策略

4.2 力矩控制

力矩值控制角度監(jiān)控模式將某一力矩開始直至目標(biāo)力矩，擰緊結(jié)束時(shí)螺釘/螺母的擰緊角度作為監(jiān)控參數(shù)，通過控制擰緊扭矩的方法間接實(shí)施軸向力控制，采用轉(zhuǎn)角監(jiān)測提供超范圍扭矩報(bào)警。正常情況下，螺栓擰緊力矩、張力、擰緊角度的變化均成正比，通過控制擰緊力矩，角度變化也會(huì)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。一旦出現(xiàn)螺栓壞絲、滑絲、傾斜、結(jié)合部毛刺等異常情況，則引起角度出現(xiàn)較大變化，可被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

螺紋制造誤差和接觸面潤滑脂涂抹量不一致等原因可造成螺栓/壓緊螺母轉(zhuǎn)角離散，離散程度需通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。以某規(guī)格螺栓目標(biāo)力矩值6 N·m為例，數(shù)據(jù)采集信息見表2。

表2 某規(guī)格螺栓擰緊角度數(shù)據(jù)（補(bǔ)充單位）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)信息生成角度離散度曲線，如圖6所示，從曲線圖中可以看出該類型螺栓角度離散范圍為0°～60°，以此數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)定用于監(jiān)控。

圖6 角度離散曲線

4.3 效果分析

螺栓力矩自動(dòng)施加技術(shù)主要依靠穩(wěn)定的電流保證電力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)螺栓力矩施加，其動(dòng)力源穩(wěn)定，高敏感傳感器的控制系統(tǒng)反饋響應(yīng)及時(shí)，再加上較高的力矩輸出精度，力矩值離散度較低、故一致性較高。采用螺栓力矩自動(dòng)施加技術(shù)后采集的某規(guī)格螺栓（目標(biāo)力矩值6 N·m±0.6 N·m）的30個(gè)力矩值數(shù)據(jù)見表3，同規(guī)格螺栓機(jī)械式定力矩扳手采集的數(shù)據(jù)見表4。

表3 螺栓自動(dòng)擰緊力矩實(shí)測值

表4 機(jī)械定力矩扳手螺栓力矩實(shí)測值

對(duì)比表3和表4數(shù)據(jù)可見：

1）力矩精細(xì)量化控制后的精度水平差異

力矩值上偏差最大=(6.13-6)/6×100%=2.2%

力矩值下偏差最大=(6-6)/6×100%=0

力矩值精度控制在2.2%以內(nèi)，相比機(jī)械式定力矩扳手6.7%的數(shù)據(jù)提高了3.05倍。

2）力矩值質(zhì)量一致性水平

以離散度為參考來表征力矩值離散性大小。最大力矩值與最小力矩值相差多者，離散性大。自動(dòng)擰緊力矩扳手?jǐn)Q緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍：6.13-6=0.13，傳統(tǒng)機(jī)械式力矩扳手?jǐn)Q緊力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)范圍：6.4-5.9=0.5。

離散度ξ的定義為：

式中 ξ—離散度

F'

max—最大力矩值

F'

min—最小力矩值

自動(dòng)擰緊力矩扳手?jǐn)Q緊力矩離散度：

ξ智=(6.13/6-1)/(6.13/6+1)=0.0217/2.0217=1.07%

傳統(tǒng)機(jī)械力矩扳手?jǐn)Q緊力矩離散度：

ξ機(jī)械=(6.4/5.9-1)/(6.4/5.9+1)=0.0847/2.0847=4.06%

通過以上數(shù)據(jù)可見螺栓力矩自動(dòng)擰緊扳手?jǐn)Q緊的螺栓力矩質(zhì)量一致性水平較高。根據(jù)機(jī)械式扳手?jǐn)?shù)據(jù)和自動(dòng)施加兩種方式的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成力矩值分布曲線如圖7所示。

圖7 力矩值分布曲線

自動(dòng)擰緊扳手可記錄力矩實(shí)時(shí)值，其記錄力矩值形式如圖8所示。除記錄力矩值外還可記錄擰緊角度時(shí)間，通過曲線展示，螺栓擰緊力矩值可追溯性水平得到大幅提升。

圖8 螺栓力矩自動(dòng)擰緊力矩值實(shí)測記錄

5 結(jié)論

運(yùn)載火箭箭體螺栓擰緊由傳統(tǒng)機(jī)械式扳手向自動(dòng)擰緊力矩扳手轉(zhuǎn)變并成功應(yīng)用于產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了箭體螺栓力矩施加的自動(dòng)化，提高螺栓力矩控制精度、螺栓力矩值一致性水平、螺栓力矩值可追溯水平、螺栓力矩施加效率，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度及難度，從根本上解決了傳統(tǒng)機(jī)械式力矩施加工藝的問題。