汽車(chē)安全帶自攻螺栓擰緊程序開(kāi)發(fā)

李高 馮昊 王懿 韓飛

上汽通用汽車(chē)有限公司 整車(chē)制造工程部 上海市 201206

1 前言

自攻螺栓，顧名思義即裝配過(guò)程自動(dòng)攻螺紋的螺栓。其具有很好的防松性效果。汽車(chē)總裝線上，自攻螺栓大量使用。本文根據(jù)與螺栓配合的對(duì)手零件材料特性，分成兩類(lèi)：自攻螺釘（又名螺絲）和自攻螺栓。自攻螺釘應(yīng)用于被擰緊零件為塑料的場(chǎng)合， 如前后保蒙皮、前后輪罩內(nèi)襯、內(nèi)飾版等。螺釘直徑和扭矩普遍較小，一般目標(biāo)扭矩在1.5Nm，2.5Nm等為多。自攻螺栓則應(yīng)用于被擰緊零件為金屬的場(chǎng)合，如座椅螺栓、安全帶螺栓、車(chē)頂側(cè)氣囊螺栓。裝配過(guò)程中，自攻螺栓旋入被連接零件的預(yù)制孔的過(guò)程，靠螺栓的螺紋擠壓，在預(yù)制孔內(nèi)形成內(nèi)螺紋，達(dá)到連接與緊固之目的。 這類(lèi)螺栓，具有很好的防松性能，其尺寸和結(jié)構(gòu)是法規(guī)對(duì)汽車(chē)安全帶螺栓等的默認(rèn)推薦形式之一；使用推薦形式之外的螺栓，需要額外證明零件能滿足法規(guī)要求。這類(lèi)螺栓直徑相對(duì)較大，扭矩相對(duì)較高，如安全帶螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩達(dá)到45Nm。

因自攻螺栓扭矩特性非常特殊，又應(yīng)用于整車(chē)安全關(guān)鍵零件，法規(guī)要求非常嚴(yán)。車(chē)企控制計(jì)劃中對(duì)這些零件的裝配有很高的要求，包括使用電動(dòng)工具擰緊和進(jìn)行角度監(jiān)控等。但如何定制合適的擰緊程序，使電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的擰緊、防錯(cuò)和監(jiān)控是擺在車(chē)企面前的難題。本論文通過(guò)自攻螺栓扭矩特性的分析和實(shí)際案例，總結(jié)自攻螺栓擰緊程序開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)、方法和技巧。

2 研究方向

2.1 常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程特性分析

如圖1，常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程分成4個(gè)階段：認(rèn)帽（OA）、旋入(AB)、擰緊(BD)和停止(DG)階段。認(rèn)帽指工具與螺栓配合。旋入指認(rèn)帽結(jié)束，螺栓旋轉(zhuǎn)到螺帽與工件貼合。擰緊指旋入結(jié)束到擰緊到目標(biāo)扭矩。停止則指擰緊結(jié)束到工具完全釋放的過(guò)程。其中對(duì)擰緊結(jié)果影響最大的是擰緊階段(BD)。為獲得良好的擰緊效果（較高的擰緊效率，精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)扭矩和更穩(wěn)定的靜態(tài)扭矩），針對(duì)擰緊階段一般又分成兩步完成。第一步(BC預(yù)緊)以較高速度擰緊到目標(biāo)扭矩的一半，停頓一會(huì)，讓形變充分釋放，再第二步（CD終緊）以較低速度擰緊到目標(biāo)扭矩。從圖1常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程“扭矩-角度”曲線看出，從工具認(rèn)帽到螺栓擰緊到目標(biāo)扭矩，扭矩_角度曲線是持續(xù)上升的過(guò)程。工具根據(jù)扭矩傳感器動(dòng)態(tài)反饋的扭矩來(lái)識(shí)別和判斷認(rèn)帽完成、旋入完成、預(yù)緊完成、和終緊完成點(diǎn).并自動(dòng)切換到下一階段的預(yù)設(shè)程序。

2.2 自攻螺栓擰緊過(guò)程特性分析

見(jiàn)圖2，對(duì)自攻螺栓，在螺栓旋入階段，需要對(duì)預(yù)制孔攻螺紋，從攻絲開(kāi)始到攻絲完成存在扭矩快速上升然后下降的過(guò)程，見(jiàn)AF段曲線。前邊說(shuō)到，工具根據(jù)扭矩傳感器動(dòng)態(tài)反饋的扭矩來(lái)識(shí)別和判斷認(rèn)帽完成、旋入完成、預(yù)緊完成、和終緊完成點(diǎn)。攻螺紋階段扭矩波峰的出現(xiàn)，并且波峰較高的話，將使工具在攻螺紋階段（AE段）就完成了從旋入到終緊的程序切換。工具將直接以終緊階段的預(yù)設(shè)程序參數(shù)完成剩余旋入和預(yù)緊/終緊過(guò)程。影響了擰緊的效率（終緊階段程序速度較低）和消除了分步擰緊的優(yōu)化效果（無(wú)擰緊過(guò)程形變釋放過(guò)程）。

圖1 常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程

自攻螺栓擰緊程序編程的核心，就是通過(guò)合適的程序參數(shù)設(shè)置，過(guò)濾自攻階段扭矩波峰的干擾，使工具按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)， 精確完成旋入、預(yù)緊和終緊。

圖2 自攻螺栓擰緊過(guò)程（使用常規(guī)螺栓擰緊程序）

圖3 自攻螺栓擰緊過(guò)程（選用自攻螺栓擰緊程序）

圖4 自攻螺栓擰緊過(guò)程（簡(jiǎn)化法）

3 自攻程序開(kāi)發(fā)

3.1 自攻長(zhǎng)度應(yīng)用

自攻程序開(kāi)發(fā)核心，是過(guò)濾攻螺紋階段扭矩波峰對(duì)擰緊程序的影響。最優(yōu)的方法是引入自攻長(zhǎng)度（角度）和自攻扭矩最大值兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)主動(dòng)控制，見(jiàn)圖3和表1。在自攻長(zhǎng)度范圍內(nèi)，工具始終按照旋入階段的程序參數(shù)運(yùn)行而不受扭矩影響。自攻角度結(jié)束后，再按照常規(guī)螺栓的策略，以扭矩大小觸發(fā)旋入完成B、預(yù)緊完成C、終緊完成D節(jié)點(diǎn)，因而保證了擰緊過(guò)程的完整性和擰緊程序與螺栓擰緊過(guò)程特性的匹配。

表1 自攻螺栓旋入階段關(guān)鍵程序參數(shù)

3.2 自攻長(zhǎng)度以及各程序參數(shù)設(shè)置建議

自攻長(zhǎng)度的選取非常重要，見(jiàn)圖3，其取值應(yīng)大于AF且小于AB，過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響程序正常功能。 該角度選定參考下面順序獲?。?以常規(guī)擰緊程序擰緊自攻螺栓并且采集“扭矩-角度”曲線-＞ 通過(guò)擰緊曲線選取AF和AB段長(zhǎng)度的中間值作為自攻長(zhǎng)度（角度）-＞根據(jù)曲線確定B點(diǎn)扭矩值（B點(diǎn)取曲線拐點(diǎn)右側(cè)附近扭矩值，且應(yīng)大于F點(diǎn)扭矩）。C點(diǎn)一般取扭矩公稱(chēng)值的50%。D點(diǎn)取扭矩公稱(chēng)值。自攻扭矩最大值限值默認(rèn)取發(fā)布扭矩的下限（見(jiàn)2.3說(shuō)明）。

3.3 自攻扭矩最大值限值應(yīng)用

自攻長(zhǎng)度能夠?qū)崿F(xiàn)擰緊過(guò)程的精確控制。但因其過(guò)濾了扭矩的影響，以角度優(yōu)先，若自攻角度設(shè)置不合理，如自攻角度AF大于終擰緊角度AD，則會(huì)發(fā)生過(guò)擰緊損壞螺栓。為避免過(guò)擰緊發(fā)生，可使用“自攻扭矩最大值限值”進(jìn)行限制，自攻扭矩最大值限值默認(rèn)取發(fā)布扭矩的下限，則自攻過(guò)程中，當(dāng)扭矩達(dá)到發(fā)布扭矩的下限時(shí)，工具停止并報(bào)錯(cuò)，從而避免發(fā)生過(guò)擰緊后果。

圖5 自攻螺栓擰緊過(guò)程（簡(jiǎn)化法+外部監(jiān)控）

圖6 實(shí)車(chē)擰緊曲線

3.4 自攻螺栓其他程序設(shè)置策略

有些工具廠家，其工具缺少上述通過(guò)“自攻長(zhǎng)度（角度）和自攻扭矩最大值限值”兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)主動(dòng)控制工具運(yùn)行的功能，則需要對(duì)擰緊過(guò)程進(jìn)行精簡(jiǎn)（見(jiàn)圖4），將認(rèn)帽、旋入、預(yù)緊整合為一個(gè)步驟（步驟1），終緊為另一個(gè)步驟（步驟2）。步驟1的終止扭矩C需大于自攻階段扭矩最大值（E點(diǎn)扭矩值），且一般小于60%發(fā)布扭矩公稱(chēng)值（若此步驟扭矩值過(guò)高， 容易發(fā)生過(guò)擰緊，擰緊失效率高）。步驟2的終止扭矩取發(fā)布扭矩的公稱(chēng)值。

此策略對(duì)攻螺紋過(guò)程的精細(xì)化控制不足；且當(dāng)攻螺紋階段扭矩波峰接近或者大于目標(biāo)扭矩，工具無(wú)法實(shí)施合格擰緊。

為改善上述“攻螺紋過(guò)程精細(xì)化控制不足”問(wèn)題，部分廠家在自攻螺栓擰緊程序中加入了外部監(jiān)控。（圖5）

通過(guò)在程序中加入JH和JK兩個(gè)區(qū)域的扭矩和角度監(jiān)控設(shè)置（由角度A1，A2，A3，A4和扭矩T1，T2確定），當(dāng)擰緊完成后，從最終扭矩開(kāi)始往前計(jì)算實(shí)際擰緊曲線任意點(diǎn)的扭矩和角度，不與擰緊程序中預(yù)設(shè)的JH和JK 區(qū)域范圍重合，從而判斷實(shí)際擰緊過(guò)程與自攻螺栓正常的擰緊過(guò)程吻合，而達(dá)到識(shí)別異常和防錯(cuò)的目的。這種方法也可以理解為“曲線監(jiān)控”，屬于事后監(jiān)控。

4 自攻程序編程舉例

以45+/-5Nm安全帶螺栓程序設(shè)置為例，參照?qǐng)D3介紹自攻程序定制具體案例。

4.1 步驟一

關(guān)閉擰緊程序“自攻模式”，以目標(biāo)扭矩45Nm（D點(diǎn)）），扭矩下限40Nm， 扭矩上限50Nm設(shè)置常規(guī)擰緊程序。認(rèn)帽階段，角度設(shè)為默認(rèn)值90°。預(yù)緊階段結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）取50%目標(biāo)扭矩即22.5Nm。

4.2 步驟二

實(shí)車(chē)擰緊并采集擰緊過(guò)程曲線（圖6）。

4.3 步驟三

根據(jù)擰緊過(guò)程曲線優(yōu)化程序設(shè)置：自攻模式打開(kāi)，根據(jù)曲線觀察，自攻長(zhǎng)度取4000°。自攻階段扭矩最大值限值（E點(diǎn)）取目標(biāo)扭矩下限40Nm。旋入結(jié)束扭矩(B點(diǎn))，應(yīng)大于自攻完成時(shí)的扭矩(F點(diǎn))，且小于預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)），這里旋入結(jié)束扭矩(B點(diǎn))取20Nm。為使螺栓張力釋放的效果更好，且避免B點(diǎn)(20NM)與C(22.5Nm)扭矩過(guò)于接近（相差2.5Nm.只占目標(biāo)扭矩5.5%，意義不大）把預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）提高到推薦值上限，即60%目標(biāo)扭矩，預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）改為30Nm。

4.4 步驟4

使用自攻程序?qū)嵻?chē)擰緊并采集曲線，檢驗(yàn)自攻程序擰緊效果，并按需優(yōu)化。

5 總結(jié)

通過(guò)電控?zé)o線扭矩系統(tǒng)對(duì)自攻螺栓擰緊過(guò)程數(shù)據(jù)的采集和分析，能夠發(fā)現(xiàn)自攻螺栓的擰緊過(guò)程特性，并不斷測(cè)試和優(yōu)化擰緊程序參數(shù)設(shè)置，為后續(xù)各類(lèi)自攻螺栓擰緊程序的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和編程指導(dǎo)，以更好的提升實(shí)際的擰緊精度和防錯(cuò)效果，以及縮短量產(chǎn)工廠程序開(kāi)發(fā)周期。