多軸EC擰緊機擰緊參數(shù)的工藝優(yōu)化

左志強，史智學(xué)，姚 進，張文超，郭保強

（陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 722405）

汽車產(chǎn)品零部件與車架、零部件與車身，以及零部件之間的連接方式有鉚釘連接、螺紋連接、焊接以及粘接等多種形式。其中以螺紋連接為主要形式，商用汽車中單車螺紋連接件品種可達550 種，數(shù)量可達7100個，高強螺紋連接件占比達到35%，螺紋連接件成本占到商用汽車成本的1.5%～2.0%。螺紋連接件螺紋失效問題占商用汽車維修問題的30%[1-2]，螺紋連接件的裝配、擰緊質(zhì)量受到各商用汽車廠的高度重視。

在汽車總裝配車間，螺紋連接件與零部件之間通過手動擰緊扳手、氣動或電動擰緊工具擰緊。電動伺服控制（Electric Servo Control, EC）擰緊工具憑借擰緊精度髙，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)模塊化設(shè)計、系統(tǒng)自動報警，可以通過更換套筒來對應(yīng)多個規(guī)格的螺栓、套筒的自動識別自動實現(xiàn)程序切換，滿足一個工位多個螺栓、不同扭矩的要求等優(yōu)勢，逐漸替代傳統(tǒng)的手動或機械擰緊工具[3-4]。

EC擰緊機擰緊參數(shù)的合理設(shè)定，對螺紋連接件擰緊質(zhì)量與擰緊結(jié)果的一致性至關(guān)重要，對汽車的裝配質(zhì)量與使用性能也會產(chǎn)生重要影響。

1 問題溯源

總裝配線反饋采用四軸EC擰緊機擰緊C車型前橋騎馬螺栓過程中，螺紋批量失效，其表現(xiàn)為四個擰緊軸中總有一個軸遲遲達不到目標(biāo)扭矩，該軸所擰緊螺栓一側(cè)螺紋大面積失效，另一 側(cè)完好；螺母螺紋整體失效，如圖1所示。

圖1 螺紋失效圖

2 排查過程

針對總裝配線反饋的C車型前橋騎馬螺栓螺紋批量失效問題，對前橋分裝與搭裝過程按照“人機料法環(huán)測”六個維度進行全面排查，排查內(nèi)容如圖2所示。

圖2 螺紋失效原因排查魚骨圖

2.1 人的因素

經(jīng)調(diào)查，前橋分裝人員與搭裝人員均接受了崗前培訓(xùn)，且考核合格?，F(xiàn)場觀察其操作情況，前橋分裝人員未執(zhí)行對角擰緊工藝，螺母-剛性墊圈、剛性墊圈-車橋存在不均勻間隙，如圖3(a)所示。這種不均勻間隙可能會造成EC擰緊機擰緊過程螺紋失效，現(xiàn)場予以糾正后，螺紋間隙正常，如圖3(b)所示。然而螺紋失效問題并未得到改善，排除分裝過程人的因素。前橋搭裝人員中，嚴格按作業(yè)指導(dǎo)書操作，無異常，排除搭裝過程人的因素。

圖3 糾正前后分裝預(yù)緊狀態(tài)

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與人的因素沒有直接關(guān)系。

2.2 機的因素

前橋騎馬螺栓擰緊采用的四軸EC擰緊機為完好設(shè)備，設(shè)備部門在騎馬螺栓螺紋批量失效問題發(fā)生后，即時對該擰緊機進行動態(tài)輸出扭矩校驗，無異常。

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與機的因素也沒有直接關(guān)系。

2.3 料的因素

C車型是公司為M集團代工產(chǎn)品。問題發(fā)生后，螺栓（含螺母）供方即時進行自查，自查結(jié)果為螺栓（含螺母）尺寸性能均符合產(chǎn)品技術(shù)要求。第三方理化試驗結(jié)果也印證了供方的自查結(jié)果，螺栓（含螺母）化學(xué)成分、硬度與力學(xué)性能均合格。

1.硬度檢查

在螺紋橫截面上進行硬度檢查，螺栓樣件平均硬度為30.1 HRC，符合10.9級螺栓技術(shù)要求；螺母樣件平均硬度為29.9 HRC，符合10級螺母技術(shù)要求，硬度合格。

2.金相組織

在螺紋橫截面上進行微觀檢查，基體組織為致密均勻的回火索氏體，金相組織（500X）如圖4、圖5所示，未見增脫碳等異常，金相組織合格。

圖4 螺栓試樣金相組織圖（500X）

圖5 螺母試樣金相組織圖（500X）

3.力學(xué)性能

抽取發(fā)生螺紋失效問題的同批次螺栓與螺母進行屈服扭矩、破壞扭矩與抗拉極限測試，實驗結(jié)果如表1，判定結(jié)果為力學(xué)性能合格。

表1 力學(xué)性能實驗結(jié)果

4.化學(xué)成分

試樣化學(xué)成分如表2所示，由表2各項數(shù)據(jù)，判定化學(xué)成分合格。

表2 試樣化學(xué)成分表

5.螺母螺紋

對同批次未裝配螺母試樣進行微觀檢測，縱截面螺紋形貌（10X）如圖6所示，螺紋外觀無異常，符合施必牢螺紋形狀；螺紋表面無明顯脫碳現(xiàn)象（50X），如圖7所示，螺紋合格。

圖6 螺母縱向螺紋圖（10X）

圖7 螺母微觀螺紋圖（50X）

C集團前期對該車型前橋騎馬螺栓螺紋副摩擦系數(shù)進行了研究測試。使用高強度墊片的螺紋扭矩系數(shù)均偏小，螺栓軸向受力偏大，螺紋失效的風(fēng)險較大，建議取消墊片。磷化螺栓與螺母相配合，扭矩系數(shù)大于鍍鋅螺栓與螺母相配合，磷化螺栓軸向受力大，螺紋失效風(fēng)險較大。因磷化表面處理摩擦系數(shù)相對鍍鋅穩(wěn)定，建議仍保留磷化表面處理。

為保證軸向預(yù)緊力，研究決定螺栓采用扭矩系數(shù)相對穩(wěn)定的磷化表面處理；螺母與剛性墊片采用防銹蝕能力更好的鍍鋅表面處理。

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與料的因素也沒有直接關(guān)系。

2.4 法的因素

查看總裝配車間的前橋裝配作業(yè)指導(dǎo)書（含分裝與搭裝），前橋分裝線完成橋與板簧的分裝，并對騎馬螺栓用氣扳機進行初步擰緊?？紤]前橋在線搭裝過程板簧可調(diào)整，分裝過程對騎馬螺栓預(yù)緊扭矩沒有要求。

在線前橋搭裝使用四軸EC擰緊機對騎馬螺栓進行擰緊，擰緊機采用的是行業(yè)通用的扭矩控制+監(jiān)控轉(zhuǎn)角擰緊策略[1,3-5]，M集團也采用這一擰緊策略。擰緊過程依次為低速認帽—高速擰緊—中停等待1—次高速擰緊—中停等待2—低速終擰緊—擰緊合格—擰緊軸完成卸荷—本次擰緊過程結(jié)束。

擰緊機控制器界面監(jiān)控“達到次高速擰緊扭矩后繼續(xù)擰緊過程擰緊軸轉(zhuǎn)角”，現(xiàn)場排查過程為跟進8輛底盤裝配，同步記錄左右騎馬螺栓擰緊過程，擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表3所示，平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表4所示，四個擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)如表5所示。

表3 擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)記錄表 單位：°

表4 平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

表5 四個擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)表

根據(jù)總裝配線反饋，本案例發(fā)生螺紋失效的比例約為25%?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)四個擰緊軸中的一個擰緊軸相對其他擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角偏差大于540°時，容易發(fā)生螺紋失效。初步判斷本案例，前橋騎馬螺栓擰緊過程中四根擰緊軸受力不均勻，最后一軸所擰緊螺栓受力集中造成螺紋失效，需確認擰緊機參數(shù)設(shè)置的合理性。

螺紋副分析：根據(jù)施必牢螺紋的鎖緊原理，施必牢螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面，當(dāng)螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊頂在施必牢螺紋的楔形斜面上，從而產(chǎn)生很大的鎖緊力。相對普通螺紋，具有更好的抗疲勞性能和抗拉強度，滿足對于抗拉強度和疲勞強度有較高要求，同時具備防松性能的應(yīng)用場合的需要[6]，如圖8所示。

圖8 施必牢螺紋示意圖

相對普通螺紋副，這種鎖緊結(jié)構(gòu)要求擰緊過程受力更均勻、沖擊震動更緩和。如果擰緊過程螺紋受力不均勻，尤其是集中受力，施必牢螺紋相對普通螺紋更容易失效。

2.5 環(huán)境的因素

前橋分裝與搭裝環(huán)境為多車型混線裝配，其余車型前橋裝配過程未出現(xiàn)類似問題，初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與環(huán)境的因素也沒有直接關(guān)系。

2.6 測量的因素

前橋騎馬螺栓螺紋失效發(fā)生在測量過程之前，測量過程不影響擰緊結(jié)果。初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與測量的因素也沒有直接關(guān)系。

3 擰緊機參數(shù)分析

3.1 常規(guī)螺栓擰緊過程

通常EC擰緊工具參數(shù)的設(shè)定根據(jù)為生產(chǎn)現(xiàn)場實際擰緊過程呈現(xiàn)的曲線。圖9為常規(guī)螺栓擰緊過程曲線。該擰緊過程被劃分為三個階段，分別為認帽階段、旋入階段和最終擰緊階段。EC工具參數(shù)的設(shè)定主要集中在旋入階段和最終擰緊階段，絕大部分扭矩問題都會發(fā)生在這兩個階段，因此，需要重點監(jiān)控[4]。

圖9 常規(guī)螺栓擰緊過程曲線

從螺栓/螺母接觸到被擰緊件到達到目標(biāo)扭矩值，是一個完整的擰緊階段，最終達到目標(biāo)扭矩時，螺栓旋轉(zhuǎn)過的角度是需要被限定在一定范圍內(nèi)。如果角度過大，就會出現(xiàn)螺栓過屈服擰緊的 情況，甚至發(fā)生螺栓斷裂。

3.2 對比分析

對比常規(guī)螺栓擰緊過程曲線，對前橋騎馬螺栓擰緊過程及參數(shù)的分析結(jié)果如表6所示。

表6 擰緊過程對比分析結(jié)果

扭矩控制+監(jiān)控轉(zhuǎn)角擰緊策略，其主要過程是在進行螺栓對準（認帽）和預(yù)擰緊（旋入+預(yù)緊）的基礎(chǔ)上，以一個確定的扭矩設(shè)定值為監(jiān)控起點，開始對螺栓轉(zhuǎn)過的角度進行監(jiān)控，使螺栓擰緊扭矩控制在螺栓材料由彈性變形區(qū)進入塑性變形區(qū)的轉(zhuǎn)折點（圖9中的閾值/監(jiān)控點）后一定的角度，以保證夾緊力的持久性[5]。

分析后認為，本案例應(yīng)該將消除橋與板簧裝配間隙對應(yīng)的扭矩設(shè)置為高速擰緊扭矩（對應(yīng)圖9中的轉(zhuǎn)換/貼合點），將騎馬螺栓塑性變形起點對應(yīng)的扭矩設(shè)置為次高速擰緊扭矩（對應(yīng)圖9中的閾值/監(jiān)控點），然后監(jiān)控轉(zhuǎn)角實現(xiàn)最終擰緊。

3.3 優(yōu)化驗證

根據(jù)M集團技術(shù)文件，C車型前橋騎馬螺栓規(guī)格為M20×1.5，機械強度為10.9級，匹配同規(guī)格10級施必牢螺母，產(chǎn)品設(shè)計要求擰緊扭矩為530 Nm±10%。施必牢螺母廠家提供的參考扭矩（470±30）Nm，約為產(chǎn)品設(shè)計要求扭矩的83%～95%。采用擰緊機預(yù)緊270 Nm，數(shù)顯扭力扳手終緊消除橋與板簧裝配間隙，扭矩檢測值范圍為320～420 Nm，約為產(chǎn)品設(shè)計要求扭矩的60%～80%。

調(diào)整擰緊機參數(shù)驗證，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計要求扭矩的60%（318 Nm），與上文扭矩檢測值下限（320 Nm），取320 Nm作為高速擰緊扭矩，在高速擰緊后消除橋與板簧之間的裝配間隙。

結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計要求扭矩的85%（450 Nm），與施必牢廠家推薦扭矩下限（440 Nm），即螺栓材料塑性變形起點[6]，取440 Nm作為次高速擰緊扭矩。在次高速擰緊后到達騎馬螺栓塑性變形點。然后監(jiān)控轉(zhuǎn)角，通過低速擰緊實現(xiàn)最終擰緊。

擰緊機參數(shù)調(diào)整后，跟蹤8臺車，記錄左右騎馬螺栓擰緊過程擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表7示，平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表8所示，四個擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)如表9所示。

表7 擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)記錄表 單位：°

表8 平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

表9 四個擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)表

經(jīng)過為期一個月的跟蹤驗證，再未出現(xiàn)過騎馬螺栓螺紋失效現(xiàn)象；單次（一次擰緊4根螺栓）擰緊時間6～8 s；擰緊扭矩檢測結(jié)果500～590 Nm。

4 結(jié)束語

針對一次多軸EC擰緊機螺栓螺紋失效問題的處理，通過排查裝配過程的人、機、料、法、環(huán)、測等因素，分析分裝預(yù)緊、在線擰緊、擰緊機參數(shù)設(shè)置等裝配工藝，進行初步判斷后并組織驗證，解決了C車型騎馬螺栓螺紋批量失效問題。擰緊質(zhì)量得到保證，擰緊結(jié)果一致性得到提升。同時，通過擰緊機參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，為商用汽車裝配過程多軸EC擰緊機參數(shù)設(shè)定進行了一次成功的實踐探索，可供汽車裝配制造工藝的同仁們借鑒、參考。