擰緊過程失效監(jiān)控及分析的研究

鄭遠(yuǎn)平　顏積權(quán)　盧銳　關(guān)智

摘要：本文通過分析汽車制造過程中大量應(yīng)用的擰緊過程典型性失效模式，對擰緊全過程影響因素對應(yīng)的控制方法進行系統(tǒng)性研究，提出搭建失效監(jiān)控系統(tǒng)的方案，并針對失效監(jiān)控系統(tǒng)強相關(guān)的擰緊要素逐一分析。同時，通過擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例分析過程，展示了擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：擰緊；失效監(jiān)控；擰緊數(shù)據(jù)；故障分析

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

擰緊過程貫穿整個制造領(lǐng)域，尤其是汽車裝配行業(yè)，約占比裝配制造過程70% 的子過程。因此，汽車制造中，擰緊過程的可靠性和穩(wěn)定性，往往決定產(chǎn)品的質(zhì)量。擰緊過程涉及緊固件密封性、機械性能等方面，是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及緊固件設(shè)計、擰緊工藝設(shè)計，質(zhì)量監(jiān)控等方面。關(guān)于擰緊過程，國內(nèi)外眾多學(xué)者也展開了相關(guān)研究。熊云奇等對擰緊曲線進行了分析，析出了多種典型的擰緊曲線[1] ；張俊提出利用螺栓擰緊曲線調(diào)整優(yōu)化擰緊策略，提出幫助分析不同的擰緊失效原因和優(yōu)化改善擰緊策略達(dá)到提高擰緊過程質(zhì)量控制能力和提高生產(chǎn)效率的目的[2] ；VOLKER S 對實現(xiàn)擰緊可靠性的多種模式進行了經(jīng)典剖析[3]。在制造技術(shù)不斷進步過程中，盡管學(xué)者們對擰緊的失效機理及解決對策都提出了多種理論研究，但對擰緊失效過程監(jiān)控的方案研究較少，尤其缺少與工程作業(yè)明確關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)性研究。

本文主要以某發(fā)動機裝配生產(chǎn)線，基于MES 系統(tǒng)采集的制造全過程擰緊數(shù)據(jù)，結(jié)合生成制造過程的擰緊因素進行逐一關(guān)聯(lián)分析，研究優(yōu)化擰緊過程的思路和方法，并關(guān)聯(lián)制造防錯系統(tǒng)的設(shè)置，建立完善的失效監(jiān)控系統(tǒng)。同時伸延監(jiān)控系統(tǒng)，對典型的失效模式展開分析研究，從設(shè)計優(yōu)化、工藝優(yōu)化、質(zhì)量監(jiān)控等方面，解決典型性失效問題。

1 擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)的建立

某發(fā)動機裝配線的擰緊相關(guān)過程占比75% 左右，全線擰緊設(shè)備100% 具備高精度報警功能，擰緊過程數(shù)據(jù)可記錄、追溯等功能，這為生產(chǎn)線建立擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)提供了設(shè)備基礎(chǔ)。如圖1 所示，擰緊過程從新品階段—制造階段—后市場階段故障分析等方面，完成了全面關(guān)聯(lián)。整個系統(tǒng)的核心是具備擰緊數(shù)據(jù)采集功能的擰緊設(shè)備、MES 系統(tǒng)以及集成關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)可采集擰緊實時數(shù)據(jù)，并針對數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的判斷，彈出擰緊異常的質(zhì)量隱患，并為問題解決提供分析方向和佐證數(shù)據(jù)。

2 擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)控制要素分析

從4M1E 工程學(xué)的角度，一個可靠的擰緊過程，需要保證的因素眾多，從設(shè)計校核、工藝校核、設(shè)備保障、零部件保證和生產(chǎn)作業(yè)人員操作標(biāo)準(zhǔn)等方面，均可能對擰緊質(zhì)量產(chǎn)生影響，如擰緊策略的選擇對螺栓預(yù)緊力起決定性作用[4]，擰緊轉(zhuǎn)速的大小也同樣影響擰緊夾緊力和摩擦系數(shù)[5]。因此，擰緊過程常見的影響因素，需要加以控制。

影響擰緊失效及失效監(jiān)控的主要因素如表1，這些因素均為擰緊過程控制要素，對擰緊動態(tài)力矩產(chǎn)生直接影響。

2.1 擰緊策略

擰緊策略有很多，最常用的有：扭矩控制法；“門檻扭矩+轉(zhuǎn)角”控制法。其中，扭矩控制法策略設(shè)置扭矩上、下限，將力矩控制在該范圍，其符合以下公式：

T ＝K ·F ·d （ 1）

式中：T 為螺栓擰緊力矩；K 是扭矩系數(shù)；d 是公稱直徑；F是螺栓預(yù)緊力；λ 為螺紋升角；ρ 為螺紋摩擦角；d 0 為螺紋外徑；d 2 為螺紋內(nèi)徑；Dw 為六角螺栓外接圓直徑；μ 為摩擦系數(shù)。

在擰緊時影響K 值的主要因素是摩擦力，相同扭矩擰緊兩個不同摩擦阻力的連接時，所獲得的螺栓軸向預(yù)緊力相差很大（圖2a）。因此，該方法精度不高，適用于對夾緊力要求不高的擰緊，對于重要的螺栓，不建議使用該方法。

“門檻扭矩+ 轉(zhuǎn)角”控制法是策略基于一定轉(zhuǎn)角，使螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長及連接件被壓縮，預(yù)緊力F 與規(guī)定的角度θ 呈線性關(guān)系，滿足以下公式：

式中：θ 為旋轉(zhuǎn)角度；p 為螺距；ka 為螺栓的剛度系數(shù)；kb為連接件的剛度系數(shù)；k 為系統(tǒng)剛度；Δl 為螺栓伸長量。

通過公式（3）可以計算出可旋轉(zhuǎn)合適的角度。

扭矩法通常將最大螺栓軸向預(yù)緊力限定在螺栓彈性極限的90%，即圖2b 中的Y-M 區(qū)域。同樣的轉(zhuǎn)角誤差ΔA 在其塑性區(qū)的螺栓軸向預(yù)緊力誤差ΔF 2 比彈性區(qū)的螺栓預(yù)緊力誤差ΔF 1 要小得多。該方法控制精度較準(zhǔn)。

綜上，“門檻扭矩+ 轉(zhuǎn)角”控制法控制精度高于扭矩法，但相應(yīng)要配備的擰緊設(shè)備成本較高，且對配合零件的品質(zhì)管控要求更高。為平衡投入與產(chǎn)出，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品擰緊需求，配備相應(yīng)精度的設(shè)備。如某發(fā)動機工廠，除少數(shù)關(guān)鍵螺栓采用“門檻扭矩+ 轉(zhuǎn)角”控制策略以外，其余全部采用扭矩控制法。

2.2 擰緊轉(zhuǎn)速

擰緊轉(zhuǎn)速是根據(jù)生產(chǎn)需求，可調(diào)整的擰緊設(shè)備的常見參數(shù)。擰緊時，在不同轉(zhuǎn)速下，螺紋之間嚙合時的摩擦系數(shù)、螺栓變形狀態(tài)、摩擦產(chǎn)生的熱量等，均可能對擰緊質(zhì)量產(chǎn)生影響。如表2所示，當(dāng)擰緊速度過快時，力矩容易過沖，即力矩上升過快，超出扳手設(shè)定值；當(dāng)轉(zhuǎn)速過小，容易出現(xiàn)力矩在某些階段波動，形成典型的“粘滑”故障。這些擰緊異常，均存在擰緊質(zhì)量隱患，為消除相關(guān)異常，可利用曲線分析，選取適宜的轉(zhuǎn)速范圍。

2.3 角度監(jiān)控

角度監(jiān)控的目的是防止擰緊抱死和擰緊滑牙等不良流出。當(dāng)擰緊因螺紋配合、雜質(zhì)或操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е聰Q緊未到位的情況時，其轉(zhuǎn)角（即從某起始力矩到目標(biāo)力矩的螺栓轉(zhuǎn)角）往往偏??；當(dāng)擰緊因螺紋強度不足導(dǎo)致滑牙時，其轉(zhuǎn)角一般偏大。因此，通過控制轉(zhuǎn)角在一定范圍內(nèi)，設(shè)置上下限，可有效監(jiān)控擰緊，防止擰緊抱死和滑牙的質(zhì)量故障。通常轉(zhuǎn)角設(shè)定值，采用3-σ 管理法確定[6]，可確保數(shù)據(jù)選取的可靠性。

2.4 斜率監(jiān)控

擰緊斜率一般指擰緊力矩與轉(zhuǎn)角的比率關(guān)系，主要反映擰緊轉(zhuǎn)動時力矩上升的能力。正常情況下，產(chǎn)品一致性好的條件下，螺栓在彈性變形區(qū)，擰緊斜率基本一致。

出現(xiàn)以下幾種異常情況時，會導(dǎo)致斜率異常：螺栓強度差異大；螺紋存在雜質(zhì)；接觸面摩擦系數(shù)差別較大。失效監(jiān)控系統(tǒng)具備控制擰緊斜率的功能，通過設(shè)置斜率區(qū)間（同理，采用3-σ 管理法確定），識別出斜率異常的擰緊過程。如圖3 所示，失效系統(tǒng)識別該擰緊斜率為異常狀態(tài)，故障彈出。經(jīng)分析，該擰緊過程因表面防銹油過多，導(dǎo)致斜率異常。

此外，失效監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了其他控制要素，如螺栓擰緊計數(shù)、扳手周期檢定等功能。這些控制要素，組成了完整有效的擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計，失效監(jiān)控系統(tǒng)的有效攔截率大于99.5%。

3 失效監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

該失效監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域裝配工廠，日常有效攔截了各類擰緊不良，有效保證了擰緊質(zhì)量。在此，為展示監(jiān)控系統(tǒng)用于攔截故障、解決問題的運用過程，通過以下典型的擰緊失效案例展開分析：發(fā)動機排氣歧管螺栓擰緊失效。

3.1 故障表現(xiàn)

某發(fā)動機排氣歧管擰緊過程，系統(tǒng)通過角度監(jiān)控，識別排氣歧管中間螺栓擰緊轉(zhuǎn)角大于設(shè)置上限值，系統(tǒng)報警，故障件彈出。拆開故障件，發(fā)現(xiàn)螺紋孔牙套脫出，零件損壞（圖4）。

3.2 原因分析

螺牙脫套，即螺紋滑牙，一般由于螺紋強度不足導(dǎo)致。對擰緊相關(guān)的結(jié)構(gòu)展開分析（圖5）。通過對標(biāo)法，識別故障螺栓差異。

（1）螺栓旋合長度僅7.5 圈，低于對標(biāo)件的10 圈，導(dǎo)致螺牙抗拉強度不足。

（2）滑牙的螺栓孔接觸面為圓孔，其余為開槽孔，影響接觸面摩擦系數(shù)。

查機械手冊，該結(jié)構(gòu)的螺紋旋合長度，推薦值為10 ～ 12 牙，粗糙度控制在Ra3.2 ～ 6.3。因此，鎖定要因為設(shè)計缺陷：螺栓旋合長度不足，且法蘭面粗糙度偏低。

3.3 解決對策

（1）增加螺紋旋合長度至11 圈，通過增加螺紋旋合牙數(shù)，增加擰緊緊固力。

（2）控制粗糙度在Ra3.2 ～ 6.3，防止螺紋接觸面摩擦系數(shù)過小導(dǎo)致軸力過大。

3.4 實施效果

經(jīng)改善后，故障未重發(fā)，旋轉(zhuǎn)監(jiān)控角度無報警。以上案例展示了擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，故障通過監(jiān)控系統(tǒng)識別出異常，通過分析曲線，鎖定了故障方向，進一步分析故障，鎖定要因，解決問題。

另外，通過擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)解決了諸多典型的故障，如主軸承蓋螺栓擰緊，監(jiān)控系統(tǒng)識別轉(zhuǎn)角低于下限值，要因鎖定了螺紋臟污導(dǎo)致擰緊抱死；曲軸減振皮帶輪擰緊力矩超監(jiān)控值，通過曲線分析確定了擰緊斜率異常，鎖定了螺栓法蘭面存在防銹油，影響表面摩擦系數(shù)導(dǎo)致擰緊失效等。此外，借助大量失效案例，逆向修正監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，從而有效提升了擰緊故障攔截率。

4 結(jié)束語

（1）生產(chǎn)線通過引入具備數(shù)據(jù)采集功能的擰緊設(shè)備，結(jié)合防錯系統(tǒng)搭建，通過MES 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可建立高效可靠的擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）擰緊失效監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的控制要素需要逐一完善，并通過曲線分析法、西格瑪管理法等手段，確定相關(guān)的控制參數(shù)，從而保證系統(tǒng)運行的有效性。

（3）監(jiān)控失效系統(tǒng)可有效識別常見的擰緊故障，并提供故障分析的數(shù)據(jù)，為要因分析鎖定方向。同時，借助擰緊失效系統(tǒng)，逐步提升了生產(chǎn)系統(tǒng)擰緊質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 熊云奇， 張瓊敏， 盧海波. 螺栓擰緊試驗曲線形態(tài)研究[J]. 汽車科技，2000（05）：15-17.

[2] 張俊. 利用螺栓擰緊曲線調(diào)整優(yōu)化擰緊策略[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021（9）：89-91.

[3] Volker Schatz. 實現(xiàn)螺栓可靠裝配的10 個步驟[M]. 朱正德， 郭林健，譯. 北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 劉寧， 安魯陵， 王慶有， 等. 擰緊策略及其對螺栓預(yù)緊力影響研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2022（10）：26-29，33.

[5] 王曉斌， 蔣佳桉， 陳平， 等. 擰緊轉(zhuǎn)速對螺栓聯(lián)接可靠性分析[J]. 機電工程技術(shù)，2016（3）：101-104.

[6] 王斌會. 西格瑪水平與不合格品率的關(guān)系研究[J]. 統(tǒng)計與決策，2009（19）：172-174.

作者簡介：

鄭遠(yuǎn)平，碩士，研究方向為汽車工藝。