汽車裝配過(guò)程中的螺栓擰緊質(zhì)量控制

許華(一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間，廣東 佛山 528000)

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汽車裝配過(guò)程中的螺栓擰緊質(zhì)量控制

許華
(一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間，廣東 佛山 528000)

摘要：螺栓連接是汽車零部件之間最常用的連接方式之一，具有精度高、裝配方便、零件拆裝便利等優(yōu)點(diǎn)，每臺(tái)小轎車的螺栓連接件約7200個(gè)，這些螺栓大多數(shù)連接了汽車重要的功能部件或是安全部件，如果擰緊質(zhì)量不受控，汽車將存在極大的功能故障風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。深入分析探討影響擰緊質(zhì)量的因素，搭建先進(jìn)的電動(dòng)扳手運(yùn)用聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用合適的擰緊質(zhì)量評(píng)價(jià)手段，對(duì)提升汽車裝配過(guò)程擰緊質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：螺栓；擰緊

前言

汽車作為目前大多數(shù)人出行的交通工具，保障其功能和安全可靠性是最基本的要求，提升整車產(chǎn)品質(zhì)量一直是各大汽車企業(yè)始終不渝的追求。最近幾年來(lái)，汽車企業(yè)因螺栓擰緊質(zhì)量缺陷導(dǎo)致大范圍整車召回的事件時(shí)有發(fā)生，作為汽車零部件最常用連接方式之一的螺栓連接[1]，保障螺栓擰緊質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)整車產(chǎn)品質(zhì)量提升中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

一、螺栓連接基本模型

螺栓是由頭部和螺桿兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個(gè)帶有通孔的零件，這種連接方式稱為螺栓連接[2]，如圖1示。

圖1　螺栓連接基本模型

扭矩：在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，扭矩常作為評(píng)價(jià)擰緊連接好壞的標(biāo)準(zhǔn)，但是這一參數(shù)只能作為間接參考，兩個(gè)最終扭矩相同的擰緊連接，并不一定具有相同的連接質(zhì)量；

頭下摩擦：對(duì)于螺栓螺母裝配方式，不僅螺栓頭下摩擦對(duì)擰緊連接有影響，螺母頭下摩擦也很重要；

夾緊力：零件之間無(wú)論采用什么樣的連接方式，最終目的是為了將兩個(gè)或多個(gè)零件穩(wěn)定地結(jié)合在一起，所以對(duì)于擰緊連接來(lái)說(shuō)，真正起到作用的是擰緊后螺栓施加給被連接件的夾緊力，但是這一參數(shù)在批量生產(chǎn)中無(wú)法直接測(cè)量，只能依靠經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的裝配扭矩和角度；

內(nèi)部應(yīng)力：金屬件和非金屬件在被夾緊的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，在擰緊結(jié)束，這些瞬時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)慢慢釋放；

螺紋摩擦：汽車行業(yè)內(nèi)螺紋摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍0.08~0.14，生產(chǎn)中使用蘸蠟和涂防松膠的螺紋就是為了保證摩擦系數(shù)達(dá)標(biāo)；

保證擰緊質(zhì)量的關(guān)鍵在于保證螺紋連接有足夠的夾緊力，當(dāng)夾緊力過(guò)小，螺紋連接就會(huì)失效，在汽車經(jīng)過(guò)了幾次動(dòng)力載荷和熱力載荷后，夾緊力降為零，螺栓就會(huì)脫落下來(lái)，擰緊工作的根本就是保證所有擰緊連接擁有高一致性的夾緊力。

二、影響夾緊力的因素

如圖2所示，在通常情況下，螺栓連接中螺紋摩擦占總扭矩作用的40%，頭下摩擦(包含應(yīng)力)占總扭矩作用的50%，夾緊力占總扭矩作用的10%，扭矩真正起到作用的只有10%，其他都被摩擦和應(yīng)力所消耗，在常發(fā)的擰緊質(zhì)量問(wèn)題當(dāng)中，大部分都與摩擦相關(guān)[]。

圖2　夾緊力與摩擦示意圖

影響夾緊力的因素通常包含以下幾個(gè)方面：

(1)摩擦：如果粗糙頭下表面及螺栓摩擦系數(shù)不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致總扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力的比例發(fā)生變化。例如螺栓頭支撐面下有潤(rùn)滑油會(huì)導(dǎo)致頭下摩擦占比降低從而夾緊力占比增加；螺紋副中有缺陷，如雜質(zhì)、磕碰就會(huì)導(dǎo)致螺紋摩擦占比增加而夾緊力占比降低；

(2)不可靠的擰緊技術(shù)：如果選擇精度差的擰緊工具或者不正確的擰緊操作也會(huì)影響夾緊力[4]，例如員工操作的電槍旋轉(zhuǎn)軸心與螺孔的回旋軸心所成角度過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)螺栓連接瞬時(shí)應(yīng)力過(guò)大，螺栓過(guò)早達(dá)到力矩要求，內(nèi)部應(yīng)力釋放后，螺栓將產(chǎn)生假力矩的現(xiàn)象，力矩合格但是螺栓沒(méi)有擰緊到位；

(3)內(nèi)部應(yīng)力釋放：對(duì)于擰緊連接來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品自身材質(zhì)和平面度等無(wú)法肉眼識(shí)別，尺寸參數(shù)的變化更值得引起注意，由于被連接件表面平面度不好，導(dǎo)致螺栓頭部一側(cè)受力較大，另外一側(cè)受力過(guò)小，在后續(xù)應(yīng)力釋放過(guò)程中不均衡導(dǎo)致螺栓松動(dòng)；另外不合格的材料匹配也會(huì)影響到應(yīng)力釋放，例如金屬和金屬、金屬和塑料、塑料和塑料，不同的材料匹配應(yīng)用于擰緊連接要求不同的情況；

(4)溫度：車身零件都遵循“熱脹冷縮”的規(guī)律，當(dāng)溫度改變，螺栓和被連接件屬于不同材質(zhì)，形變量也有所不同，因此夾緊力也會(huì)隨之變化；

(5)錯(cuò)誤的擰緊系統(tǒng)選擇：擰緊系統(tǒng)分為很多種，一把普通的電動(dòng)扳手就可以稱作一個(gè)擰緊系統(tǒng)，當(dāng)一項(xiàng)工藝所使用電槍更換為轉(zhuǎn)速更快的型號(hào)，不但會(huì)增加零件被損傷的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)應(yīng)力過(guò)大，當(dāng)應(yīng)力釋放后，剩余的夾緊力偏低；相反，當(dāng)螺栓旋入螺孔速度過(guò)慢，擰緊過(guò)沖太小，夾緊力偏高。

三、電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)

為了提升整車擰緊質(zhì)量，目前愈來(lái)愈多的汽車制造廠商也采用高精度的伺服電動(dòng)扳手作為擰緊工具，既能高精度的完成擰緊任務(wù)保證擰緊質(zhì)量，又能有效的儲(chǔ)存擰緊數(shù)據(jù)信息，便于后續(xù)問(wèn)題分析、數(shù)據(jù)查看及追溯。

通過(guò)將整條生產(chǎn)線的電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)，一方面可以通過(guò)與之配套的擰緊管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擰緊裝配參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到100%檢驗(yàn)；另一方面，也可以實(shí)現(xiàn)擰緊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并與整車質(zhì)量信息一一對(duì)應(yīng)備案，這已成為一種先進(jìn)的擰緊質(zhì)量控制手段[5]。電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D3示。

圖3　電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)車輛識(shí)別系統(tǒng)擰緊PLC，接收所在生產(chǎn)線的整車車輛配置信息，同時(shí)發(fā)送至各工位擰緊控制電腦；

擰緊控制電腦接到車序信息后，以XML電報(bào)形式發(fā)動(dòng)擰緊任務(wù)至扳手控制器，扳手控制器將擰緊任務(wù)命令給到電動(dòng)扳手，同時(shí)對(duì)電動(dòng)扳手?jǐn)Q緊完成之后的擰緊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，反饋至擰緊控制電腦，擰緊控制電腦解析扳手控制器返回的擰緊數(shù)據(jù)文件，插入到相應(yīng)車輛擰緊表中，將擰緊數(shù)據(jù)傳輸給返修電腦及服務(wù)器；

擰緊返修電腦與服務(wù)器通訊，接收本條線上的擰緊結(jié)果, 與擰緊PLC通訊，在車輛進(jìn)站后調(diào)取該車在本條線的擰緊結(jié)果，負(fù)責(zé)對(duì)擰緊不合格的車輛返修后進(jìn)行消項(xiàng)；

擰緊服務(wù)器與生產(chǎn)網(wǎng)對(duì)接，集中配置整車工藝信息，并發(fā)送至各擰緊點(diǎn)，接收儲(chǔ)存所有擰緊點(diǎn)擰緊數(shù)據(jù)信息，所有的擰緊數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，這些數(shù)據(jù)是擰緊數(shù)據(jù)評(píng)估的基礎(chǔ)；

電子質(zhì)量系統(tǒng)接收擰緊服務(wù)器反饋的整車擰緊合格與否的結(jié)果，同時(shí)與整車合格證打印系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，只要是有擰緊不合格項(xiàng)，該車無(wú)法打印合格證，無(wú)法流出車間。各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳輸如圖4示。

圖3　電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流

四、復(fù)緊力矩檢測(cè)

復(fù)緊力矩也稱靜態(tài)力矩，是指在螺栓擰緊完成后，采用數(shù)顯力矩扳手或其他工具測(cè)量裝配后的螺栓的力矩，這種方法一般采用人工操作，所以一般采用抽檢的方式。針對(duì)汽車制造工廠，通常采用以下兩種方式對(duì)裝配后的復(fù)緊力矩進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，一個(gè)是在裝配后立即檢測(cè)(通常裝配后30分鐘內(nèi)測(cè)定)，另一種是在整車經(jīng)過(guò)路試連續(xù)行駛、承受過(guò)載荷后再檢測(cè)，這時(shí)后大部分應(yīng)力得到了釋放。德國(guó)大眾將這兩種檢測(cè)分別定義為MNA1和MNA2[5][6]。

采用復(fù)緊力矩檢測(cè)對(duì)擰緊質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)復(fù)緊力矩為復(fù)緊螺栓或螺母轉(zhuǎn)過(guò)一定角度(不超過(guò)10 度)時(shí)的力矩最小值，通常情況下附著摩擦效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致峰值力矩的出現(xiàn)，即所謂的松動(dòng)力矩，這是不允許作為復(fù)緊力矩來(lái)評(píng)價(jià)的；

(2)立即檢測(cè)(裝配后30分鐘內(nèi)測(cè)定)需常常測(cè)定，以保證交貨合格，若生產(chǎn)線上有其他質(zhì)保方式，該測(cè)量頻率可適度降低；

(3)復(fù)緊力矩不允許直接和圖紙中給定的擰緊參數(shù)和相應(yīng)的公差范圍混為一談；

(4)測(cè)量結(jié)果的范圍控制極限限，需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方式進(jìn)行確定(比如借助統(tǒng)計(jì)軟件QS-Stat)。超過(guò)范圍的生產(chǎn)線必須時(shí)時(shí)監(jiān)控并作好記錄，原因分析的結(jié)論可以是新范圍值的確定，但在沒(méi)有責(zé)任部門同意的情況下不允許改變裝配標(biāo)準(zhǔn)；

(5)擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)Cmk必須達(dá)≥1.67，過(guò)程能力指數(shù)Cpk≥1.33。

五、結(jié)論

本文從螺栓連接的基本原理入手，首先分析了在生產(chǎn)輸入時(shí)應(yīng)考慮的影響夾緊力的因素，然后剖析了先進(jìn)的電動(dòng)扳手聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流技術(shù)，最后闡述了目前汽車工廠針對(duì)螺栓擰緊質(zhì)量評(píng)價(jià)的常用的復(fù)緊力矩檢測(cè)方法，從生產(chǎn)輸入、過(guò)程監(jiān)控、后續(xù)檢測(cè)三方面著手探討了汽車裝配過(guò)程中的螺栓擰緊質(zhì)量控制方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]司娟,李勇超,王樹杉.螺栓的緊固及其對(duì)汽車的影響[A].第十一屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].2014

[2]李士濤.螺栓擰緊技術(shù)及其應(yīng)用[A].豪爵摩托獎(jiǎng)廣東省汽車行業(yè)第五期學(xué)術(shù)活動(dòng)論文匯編[C].2008

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[5]曲春紅.先進(jìn)的螺栓擰緊系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[A].2013中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C]. 2013

[6]李同科,簡(jiǎn)學(xué)利.動(dòng)、靜態(tài)扭矩在汽車裝配扭矩控制中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料.2010(04)

中圖分類號(hào)：TH131；U463.99

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-864X（2016）04-0298-02

作者簡(jiǎn)介：

許華 （1986.2），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，初級(jí)工程師，一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間現(xiàn)場(chǎng)工程師，主要從事汽車新項(xiàng)目工藝及質(zhì)量管理。