追溯曲線在分析擰緊問題中的應(yīng)用

劉良剛，劉占鋒，王光輝

（蘇州匯川聯(lián)合動力系統(tǒng)有限公司，江蘇 蘇州 215500）

當(dāng)前螺栓緊固件被廣泛應(yīng)用在汽車、航空、 通用電子等各行各業(yè)，作為“工業(yè)之米”，尤其是在汽車行業(yè)有著不可替代的重要作用。為此，從業(yè)者已對擰緊的上下游做了大量的研究工作，本文作者結(jié)合自身多年擰緊工具制造商和主機廠裝配擰緊過程控制的從業(yè)經(jīng)歷，希望通過自身對裝配擰緊典型案例的失效分析經(jīng)驗分享和思考，給廣大讀者和螺栓緊固工藝研究人員帶來幫助和提高。

1 螺栓斷裂問題

通常造成螺栓斷裂（見圖1）的主要原因有螺栓重復(fù)擰緊、螺栓過屈服、螺栓本身強度不足、設(shè)備下壓力度過大等。下面通過對一些典型問題的案例分享以及曲線分析分別進行介紹[1]。

圖1 某螺栓斷裂照片

1.1 重復(fù)擰緊造成螺栓斷裂

在某發(fā)動機裝配車間，部分螺栓擰緊工位被定義為屈服擰緊控制即采用扭矩加轉(zhuǎn)角控制策略[2]，這些螺栓本身不容許出現(xiàn)重復(fù)擰緊。從理論角度來講，螺栓擰緊本身已經(jīng)進入塑性區(qū)間，一旦重復(fù)擰緊有極大可能性造成螺栓的斷裂。

從追溯系統(tǒng)的狀態(tài)記錄顯示來看，該位置螺栓在極短時間3秒之內(nèi)，被再次擰緊。而正常螺栓緊固的間隔時間在7秒以上。因此，判定該位置螺栓被重復(fù)擰緊。

另外，從圖2中擰緊扭矩對角度對比曲線來看，A螺栓擰緊趨勢顯示擰緊的正常角度跨度在25°左右，而失效的B螺栓在第一次擰緊后，B螺栓重復(fù)擰緊整體跨度角度僅3°，再次說明該B螺栓擰緊位置發(fā)生了重復(fù)擰緊。

對于該失效，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查因該位置螺栓等級為12.9級高強度螺栓采用扭矩加轉(zhuǎn)角策略，實際B螺栓第一次，擰緊曲線頂端觀測已經(jīng)進入屈服區(qū)間。而該新員工并未對螺栓進行更換，直接對該處螺栓再次擰緊，重復(fù)擰緊曲線顯示為B螺栓復(fù)擰曲線。由此，螺栓發(fā)生過屈服斷裂[3]。針對此類型失效，一方面，建議從管理維度，將該工位的螺栓禁止重復(fù)使用明確進現(xiàn)場控制計劃和作業(yè)指導(dǎo)文件中，并加強對操作人員的培訓(xùn)管理；另一方面，建議工程技術(shù)人員增加以下邏輯防錯控制，即出現(xiàn)擰緊不合格時，且廢料盒收到不合格螺栓丟棄信息后，再利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）發(fā)送使能信號，讓擰緊工具啟動，否則工具被鎖定無法啟動。通過上述兩個方面的措施改進努力，降低類似問題再發(fā)的潛在風(fēng)險。

圖2 追溯系統(tǒng)螺栓重復(fù)擰緊曲線詳情

1.2 螺栓強度不足造成螺栓斷裂

某擰緊工位目標擰緊扭矩為（28±3）Nm，螺栓等級為8.8級，擰緊曲線如圖3所示。其中，左側(cè)正常螺栓擰緊曲線到達貼合面之后扭矩陡升顯著，并在到達目標扭矩后立即下降。而異常螺栓在扭矩峰值尚未達到28 Nm情況下，從異常螺栓的曲線軌跡來看，曲線頂部出現(xiàn)較長平緩區(qū)間發(fā)生塑性變形，并最終發(fā)生斷裂。

圖3 追溯系統(tǒng)螺栓強度不足屈服擰緊曲線詳情

進一步對該異常批次螺栓抗拉強度進行測量確認，該批次螺栓抗拉強度不符合要求，標準最低要求800 MPa，實際均在800 MPa 以下，具體如表1所示。

表1 不合格批次螺栓抗拉強度測量值

1.3 過擰造成螺栓斷裂

圖4為某固定式擰緊軸自動擰緊工位的失效曲線對比詳情，從曲線上看，失效位置螺栓被多次擰緊，最后一次擰緊如左側(cè)虛線所示，峰值扭矩已經(jīng)最大，達到了18 Nm左右，遠高于正常扭矩設(shè)定范圍（11.5±1.5）Nm。由于過扭擰緊導(dǎo)致螺栓斷裂。

圖4 追溯系統(tǒng)螺栓過擰緊曲線詳情

通過分析和現(xiàn)場了解，該工位有重試功能，當(dāng)螺栓第一次擰緊不合格后，系統(tǒng)容許多次擰緊，直至擰緊合格。

針對類似問題，一方面建議將重試功能取消或設(shè)定最高重試次數(shù)為3次，且重試需將螺栓初始認帽工藝參數(shù)設(shè)置為反松后再試；另一方面，建議在擰緊程序中增加最大安全扭矩限制，比如將該工位設(shè)定15 Nm，將可有效避免螺栓斷裂情況發(fā)生。

2 擰緊不合格問題

2.1 擰緊螺栓未貼合

這種情況，較多見于自攻螺栓的擰緊過程（見圖5），研發(fā)僅提供了制造工藝目標扭矩和精度要求，而詳細的過程參數(shù)設(shè)定和調(diào)整則更多依靠制造過程中裝配工藝技術(shù)人員不斷的完善和優(yōu)化調(diào)整。

圖5 某自攻螺栓擰緊未貼合

通過調(diào)取追溯系統(tǒng)中的擰緊曲線，如圖6所示，正常螺栓和異常螺栓擰緊扭矩均已經(jīng)達到目標扭矩，但是異常螺栓螺栓全過程的擰緊角度相比較正常螺栓少了1 000°左右[4]。經(jīng)過調(diào)查分析，該自攻螺栓的擰緊過程受螺紋孔大小、螺栓規(guī)格大小、下壓力度、擰緊程序設(shè)置是否合理等多種因素影響。

圖6 螺栓擰緊未貼合追溯曲線詳情

針對這種情況，可以通過優(yōu)化擰緊程序，將全過程的監(jiān)控角度的范圍收窄，可以臨時進一步提高該潛在失效的探測效果。最終，可以通過對原材料螺栓和螺紋孔的尺寸改善，實現(xiàn)杜絕該類潛在擰緊未貼合問題的目的。

2.2 螺栓漏擰緊

某工位采用阿特拉斯品牌手持電動擰緊工具對4顆螺栓進行擰緊，PLC和擰緊工具控制邏輯中，已設(shè)置了計數(shù)功能，即收到4個合格信號后，工件才可放行。

其中有一個螺紋孔（#1位置）內(nèi)部及表面均無任何擰緊過痕跡，實際按照擰緊順序操作的話，是對應(yīng)最后一顆擰緊位置，懷疑該處存在漏擰緊情況，如圖7所示。

通過對擰緊追溯曲線，結(jié)合全過程角度值的分布情況（圖8），可見第三顆異常螺栓位置，螺栓旋入角度異常（米字標記）較正常角度明顯低了很多，離散非常明顯?？梢?，該第三顆位置螺栓被重復(fù)擰緊且被錯誤地進行了螺栓擰緊數(shù)量累加。

圖7 第四顆位置螺栓失效詳情

圖8 第三顆螺栓重復(fù)擰緊追溯旋入角度詳情

由本案例分析可見，重復(fù)擰緊和漏擰緊多數(shù)情況下是相伴相隨的。

為了規(guī)避這種情況，一方面建議收嚴監(jiān)控角度，由于本例中正常擰緊角度在4 000°以上，可將電動擰緊工具的全過程監(jiān)控下限角度設(shè)置到4 000°或更高，可有效探測該失效；另一方面，可通過增加定位臂和位置編碼器，有效識別擰緊位置，確保螺栓按照正確的位置被擰緊，進而防止出現(xiàn)因重復(fù)擰緊造成的其他位置漏擰緊情況產(chǎn)生。

2.3 螺紋孔偏大導(dǎo)致擰緊不合格

某工位采用阿特拉斯QST固定式擰緊軸半自動同步擰緊7顆自攻螺栓。工藝扭矩設(shè)定要求為11.5 Nm±1.5 Nm。

如圖9所示，正常產(chǎn)品擰緊時間為6 s左右到達目標扭矩11.5 Nm。而失效螺栓虛線擰緊曲線所示的擰緊扭矩始終在3 Nm以下，遠未達到目標扭矩11.5 Nm，且用時超過10 s，遠遠超過正常工件擰緊所需時間6 s左右。

由于該工位螺栓為自攻螺栓，當(dāng)擰緊完成之后，預(yù)置螺紋光孔已被攻出牙型，無法確認第一現(xiàn)場。而通過現(xiàn)場對設(shè)備的同軸度調(diào)查了解，擰緊軸套筒和螺栓已經(jīng)完全落座，并確認螺栓已順利進入螺紋孔。因此，排除了因設(shè)備對中不佳，造成螺栓無法順利進入螺紋孔進而扭矩?zé)o法上升的情況。后經(jīng)過進料質(zhì)量技術(shù)人員對裝配產(chǎn)線后續(xù)新上線產(chǎn)品螺紋孔徑尺寸排查檢測確認（見表2），最終確認因螺紋孔尺寸偏大[5]，要求5.48 mm到5.58 mm，實際均大于5.58 mm，導(dǎo)致擰緊扭矩?zé)o法到位。針對該種失效，擰緊設(shè)備會100%進行攔截報警無流出質(zhì)量風(fēng)險。通過對原材料加工制成的進一步調(diào)查分析，產(chǎn)生原因系原材料刀具管理不到位，用錯絲錐導(dǎo)致[6]。為避免該類問題，除提高對換刀的變更管理納入跨部門評審以外，裝配產(chǎn)線后續(xù)也針對該失效增加進料抽檢頻次，盡可能將該潛在問題對裝配產(chǎn)線的合格直通率和返工返修影響降到最低。

圖9 某工位扭矩對角度追溯曲線對比詳情

表2 螺紋孔徑實際測量值

3 總結(jié)

通過上述現(xiàn)場擰緊問題調(diào)查以及對擰緊追溯曲線的對比分析，可見針對裝配擰緊問題的調(diào)查，需要深入裝配現(xiàn)場，做到現(xiàn)時現(xiàn)場現(xiàn)物，從人、機、料、法、環(huán)等多個維度，系統(tǒng)和嚴謹?shù)亻_展各項調(diào)查工作，才能夠?qū)Q緊問題抽絲剝繭，找到根本原因。另外，通過這些案例的分析處理，也再次說明了擰緊追溯系統(tǒng)的重要性，完善的擰緊追溯系統(tǒng)曲線和過程數(shù)據(jù)的堆疊分析功能給問題調(diào)查帶來極大便利，加快鎖定問題根本原因，為裝配擰緊制程管控水平和效率提升帶來巨大幫助。

當(dāng)然追溯系統(tǒng)是幫助分析和解決擰緊問題的其中一個手段，擰緊裝配過程是否能夠全生命周期穩(wěn)定受控，依然需要建立在嚴謹充分的正向產(chǎn)品設(shè)計驗證，原材料和制程緊固裝配全產(chǎn)業(yè)鏈上下游系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)上，希望通過本文的總結(jié)歸納，從追溯系統(tǒng)的角度給廣大從業(yè)者提供一些借鑒和思考，幫助廣大從業(yè)者更好地分析和處理裝配擰緊問題。