電動擰緊技術(shù)在汽車底盤裝配中的應(yīng)用

郭昊一

摘要： 螺栓連接是汽車零件裝配重要工藝方式之一，主機廠針對底盤類重點零件裝配廣泛采用電動擰緊技術(shù)，從而實現(xiàn)高精度、可追溯;本文通過對擰緊原理、電動擰緊方法、擰緊機選型進(jìn)行闡述，對擰緊機標(biāo)定及實際問題給出主要解決方案。

Abstract： Bolt connection is one of the most important process methods of automobile parts assembly. The car factory widely adopts electric tightening technology for the assembly of key parts to achieve high precision and traceability. This article explains the tightening principle， electric tightening method， tightening machine selection and provides the main solution to the tightening machine calibration and actual problems.

關(guān)鍵詞： 螺栓緊固;電動擰緊機;標(biāo)定

Key words： bolt tightening;electric tightening machine;calibration

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0030-02

1? 項目背景及研究意義

汽車零件及分總成在總裝車間裝配過程，主要是應(yīng)用擰緊工具對零件進(jìn)行連接的過程。因此，緊固件對汽車的制造、使用都是相當(dāng)重要的。由于電動擰緊機精度高、性能穩(wěn)定、并具有防錯和可追溯性等功能，所以擰緊機的應(yīng)用有效保證了整車裝配質(zhì)量?？傃b車間底盤裝配工藝90%為螺栓緊固操作，并且重點力矩多為大扭矩力矩，生產(chǎn)線建設(shè)過程中，通過工藝排布，主要有兩方面因素：

①工藝排布充分考慮生產(chǎn)線柔性，適合多車型混流生產(chǎn)需配置電動擰緊;

②設(shè)備能力提升后，改善操作者勞動負(fù)荷并提升擰緊可靠性。

2? 電動擰緊技術(shù)原理及方式

汽車底盤零件通常采用螺栓連接方式，通過擰緊力矩使零件被連接體緊密貼合并承受一定的動載荷，還需要被連接零件間具備足夠的壓緊力，以確保被連接零件的可靠連接和正常工作。這樣就要求作為連接用的螺栓，在擰緊后要具有足夠的軸向預(yù)緊力（即軸向拉應(yīng)力）。

2.1 擰緊原理

高質(zhì)量車真正需要的是合適的不變的夾緊力，不是扭矩值不變，扭矩值是表象。夾緊力無法實際測量，只能通過扭矩值來實現(xiàn)可測量，但受不同形式和材質(zhì)的螺栓的摩擦力的影響，實際的夾緊力只能通過不同的加工工藝來實現(xiàn)，如轉(zhuǎn)角法，屈服點法等。

影響螺栓擰緊的重要因素[1]：

①扭矩;

②夾緊力;

③螺栓頭摩擦;

④內(nèi)部應(yīng)力釋放;

⑤螺紋摩擦。

影響夾緊力的因素：

①摩擦力：粗糙表面、質(zhì)量差的螺栓、不合適的材質(zhì);

②不可靠的擰緊技術(shù)：精度差或不合適的的工具、質(zhì)量差的螺栓、精度差的工件;

③內(nèi)部應(yīng)力釋放：產(chǎn)品設(shè)計缺陷、不合適的材料匹配、不正確的擰緊加工方法;

④溫度：不同的膨脹系數(shù)、尺寸不正確的工件連接;

⑤不正確的擰緊工具形式選型：會導(dǎo)致夾緊力太低或太高。

2.2 電動擰緊機常用緊固方式

電動擰緊機對螺栓緊固的方式，在底盤零件裝配中應(yīng)用較為廣泛的有三種：

①扭矩控制法;

②扭矩控制&角度監(jiān)測;

③角度控制&扭矩監(jiān)測。

其中盡管扭矩控制法重復(fù)性和精確度很好，但這種方法卻不能檢測緊固過程中產(chǎn)生的問題，張力誤差范圍為±50%，無法檢查零件緊固缺陷（空洞太短，螺栓尺寸錯誤……）。

扭矩控制&角度監(jiān)測重復(fù)性和精準(zhǔn)度與扭矩控制一樣，但可有效地檢測出緊固件摩擦系數(shù)的變化 （螺栓尺寸大，螺栓質(zhì)量差等），張力誤差范圍是±50%。多應(yīng)用于保安類零件緊固但無需特殊張力精度要求的零件裝配。

角度控制&扭矩監(jiān)測和前述擰緊策略比較：有較好的張力，重復(fù)性和精確度，也能檢測出緊固問題，依據(jù)不同的摩擦系數(shù)和裝配彈性，但張力誤差范圍在±15到25%之間。由于角度控制&扭矩監(jiān)測的張力精確度高，所以用于與安全密切相關(guān)的部件或發(fā)動機內(nèi)的高可靠性部件。

3? 電動擰緊機在底盤裝配區(qū)的應(yīng)用

3.1 F公司底盤轉(zhuǎn)配區(qū)電動擰緊狀態(tài)

3.1.1 已有工廠底盤裝配區(qū)電動擰緊機狀態(tài)

F公司底盤裝配區(qū)的擰緊點特點是A類項多，力矩值大，不同車型同一工位裝配工況區(qū)別大。裝配質(zhì)量直接影響整車使用性和安全性。

原有工廠底盤分裝區(qū)擰緊機的特點是：單機擰緊點多，擰緊機轉(zhuǎn)速低無法滿足產(chǎn)能提升要求。由于電動擰緊機單機擰緊點多導(dǎo)致擰緊機過渡使用致過熱，造成擰緊機壽命降低和非正常損壞。

3.1.2 新建底盤裝配區(qū)電動擰緊機狀態(tài)

針對原有工廠底盤裝配區(qū)存在的問題，新建底盤裝配區(qū)增9套大扭矩、高轉(zhuǎn)速電動擰緊機。底盤裝配區(qū)新增后的電動擰緊機覆蓋了底盤裝配區(qū)所有大于90Nm的力矩點，提高生產(chǎn)節(jié)拍的同時大大降低了操作者的勞動強。度底盤裝配區(qū)電動擰緊機現(xiàn)均采用扭矩控制&角度監(jiān)測的控制方式，能有效的保證裝配的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。

F公司A線是混流生產(chǎn)，共生產(chǎn)4種車型，同一工位電動擰緊機工作時裝配工況不一致，所以電動擰緊機的擰緊值也不一樣。電動擰緊機的扭矩值是用扭矩標(biāo)定儀標(biāo)定的，不同的裝配方式扭矩值會有很大區(qū)別。

3.2 實現(xiàn)零缺陷裝配應(yīng)具備的條件

實現(xiàn)零缺陷裝配需具備5個等級。按分類統(tǒng)計，即錯裝、漏裝、假力矩，同時具備可追溯性。5個等級分別是：

Step1：確保實施正確的緊固扭矩

所需設(shè)備：擰緊機可以提供一個準(zhǔn)確的和可設(shè)定的扭矩。

過程質(zhì)量等級：擰緊機有正確的扭矩精度，但結(jié)果會受到員工和零件的干擾。

Step2：保證所有螺栓被緊固

所需設(shè)備：擰緊機會自動進(jìn)行計算。

過程質(zhì)量等級：擰緊機有正確的扭矩精度，所有螺栓會被緊固，但無法直銷緊固結(jié)果。

Step3：確保聯(lián)接正確

所需條件：旋入角度控制。

Step4：確保有安全性要求的連接件正確擰緊

所需設(shè)備：通過一個可追蹤校準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行扭矩控制，對于扭矩結(jié)果進(jìn)行上傳保存，對整個緊固過程進(jìn)行連續(xù)檢測。

過程質(zhì)量等級：可追溯的數(shù)據(jù)，結(jié)果數(shù)據(jù)作為一個記錄和日期，時間和車輛代碼一一對應(yīng)存儲在控制器中，記錄被發(fā)送到工程部門的服務(wù)器中。

Step5：確保零出錯擰緊

系統(tǒng)需求：工具控制器和工廠網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接，零部件識別系統(tǒng)，不合格產(chǎn)品管理。

3.3 電動擰機的選型

F公司電動擰緊機現(xiàn)采用扭矩控制&角度監(jiān)測，扭矩控制&角度監(jiān)測不但重復(fù)性和準(zhǔn)確度好，而且有角度監(jiān)控才能保證實際擰緊曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線一致，保證工藝加工質(zhì)量。由于總裝車間底盤裝配區(qū)手持式電動擰緊機單機擰緊點多（3點～4點）、力矩大（90Nm或104Nm）、生產(chǎn)節(jié)拍快，所以電動擰緊機選型時，電動擰緊機的力矩范圍、轉(zhuǎn)速是選型的重要依據(jù)。如單把擰緊槍緊固3點，為保證擰緊槍不熱，擰緊槍載空比應(yīng)為1∶3。按1.08節(jié)拍計算，單點擰緊時間應(yīng)少于5S，根據(jù)擰緊機轉(zhuǎn)速與時間時序圖分析，擰緊槍轉(zhuǎn)速至少應(yīng)大于450RPM。

電動擰緊機在選型時要求必須具備以下條件：①具備扭矩控制、扭矩控制&角度監(jiān)測、角度控制&扭矩監(jiān)測三種擰緊策略;②控制器應(yīng)帶有內(nèi)置RS232端口，內(nèi)置以太網(wǎng)網(wǎng)口，內(nèi)建TCP/IP通訊協(xié)議，實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊，支持大型數(shù)據(jù)庫如SQL和ORACLE，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全儲存;

③力矩范圍為小于最大力矩的80%;④轉(zhuǎn)速≥450RPM（最高轉(zhuǎn)速小于最大轉(zhuǎn)速的60%）;⑤擰緊機以往使用、維護(hù)、服務(wù)記錄。

4? 電動擰緊機標(biāo)定及常見問題分析

4.1 電動擰緊機的標(biāo)定

螺栓從連接狀態(tài)可分兩大類，一種是軟連接，如在橡膠墊和彈簧墊圈擰緊等，由于電動擰緊機是動態(tài)擰緊，軟連接狀態(tài)下力矩衰減非常大，靜態(tài)扭矩較動態(tài)扭矩要偏小，力矩會衰減10%左右。另一種是硬連接，如在鋼件和鋁合金上擰緊，硬連接由于較高的靜態(tài)摩擦力，靜態(tài)扭矩可比動態(tài)扭矩要高。由于不同擰緊狀態(tài)下，電動擰緊機輸出的動態(tài)力矩和靜態(tài)力距差別很大，擰緊機在調(diào)試完成后，必須經(jīng)過質(zhì)量保證部門的測量技術(shù)員對其進(jìn)行測定合格后，方可投入使用。且在日常使用中均有規(guī)定的標(biāo)定日期。現(xiàn)F公司使用的扭矩標(biāo)定儀為阿特拉斯的ATCA3000測試小推車，ATCA3000測試小推車預(yù)裝TT ACTA軟件，并具有3個在線式扭矩傳感器IRTT和3個測試連接件。為方便電動擰緊機檢測并安裝了可調(diào)節(jié)的反作用力臂。扭矩標(biāo)定儀ATCA3000能精確測量出電動擰緊機的扭矩及角度，平均值和3Sigma，并能打印出標(biāo)定數(shù)據(jù)。

4.2 電動擰緊機常見問題分析

4.2.1 人工復(fù)檢的力矩值與擰緊機顯示值不符

①人工復(fù)檢的力矩值大于擰緊機顯示值。由于質(zhì)保技術(shù)人員一般采用事后法中的緊固法，由于人員、時間、環(huán)境等因素，統(tǒng)計誤差一般在-5～+25%之間，即人工檢測的力矩值可能大于擰緊機顯示值的+25%。②人工復(fù)檢的力矩值小于擰緊機顯示值。采用緊固法進(jìn)行測量，其誤差有-5%的可能性，這僅是一個方面，但在對于高彈性系數(shù)，且擰緊后即行檢測的力矩值，負(fù)值誤差概率極低。根據(jù)實際統(tǒng)計及分析，出現(xiàn)人工復(fù)檢力矩值小于擰緊機顯示值的情況，分別如下：1）緊固后時間較長（超過30分鐘），尤其是上午擰的下午復(fù)檢。實際情況證明，這種情況的復(fù)檢力矩值可能會低10%。2）零件表面存在質(zhì)量缺陷。

4.2.2 緊固力矩值偏大（轉(zhuǎn)角未達(dá)到設(shè)定值）

這種情況一般出現(xiàn)在零件、墊片和螺栓上。①對于零件：主要是零件螺紋存在缺陷或螺孔內(nèi)有雜物，使螺紋接觸面摩擦阻力增大所至。②對于墊片：尤其是帶有彈簧墊片或帶定位點的平墊片對其的影響較大，緊固到位后，彈簧墊片（或帶定位點的平墊片）可能會隨螺栓旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦阻力增大所至。③對于螺栓：主要是螺紋存在質(zhì)量缺陷，以及螺栓未按技術(shù)要求處理（蘸油）或把本來涂的油清洗掉了也會出現(xiàn)此現(xiàn)象。④其它原因：進(jìn)行重復(fù)或多次緊固操作。

4.2.3 緊固力矩值偏?。ㄞD(zhuǎn)角已達(dá)到設(shè)定值）

緊固力矩值偏小的原因一般是螺栓造成的，主要原因是螺栓質(zhì)量不好或等級較低（屈服點較低）。當(dāng)然，從理論上來講，零件的螺紋孔尺寸在公差上限，螺栓螺紋直徑尺寸在公差下限也會出現(xiàn)這種情況，但在實際生產(chǎn)中，這種情況出現(xiàn)的概率較低。

參考文獻(xiàn)：

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