拉帶連接螺栓的緊固扭矩過程能力分析

申成振，栗林濤，袁文強(qiáng)，張斌，張博峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710022）

前言

汽車整車裝配，是汽車制造過程關(guān)鍵一環(huán)，螺紋副連接是汽車行業(yè)運(yùn)用最廣泛的連接工藝。螺紋副連接的預(yù)緊力是否可靠，緊固扭矩的裝配質(zhì)量和運(yùn)行能否有效保障，主要受兩方面影響：合理設(shè)定所裝配的緊固扭矩設(shè)計(jì)值，以及對(duì)螺紋副扭矩的緊固進(jìn)行有效控制。

進(jìn)行螺紋副連接的緊固扭矩過程能力的分析，是對(duì)汽車螺紋副連接質(zhì)量及運(yùn)行可靠性保障能力的評(píng)估。而本文探討的汽車尿素噴射系統(tǒng)中用于緊固尿素罐的兩條拉帶螺栓，是行業(yè)內(nèi)較常見的一種含螺紋副連接的形式，其結(jié)構(gòu)為兩端各一個(gè)T形螺栓與中間的拉帶（帶材）焊接連接形成（如圖1所示），但目前這種結(jié)構(gòu)的緊固扭矩缺乏完善的分析計(jì)算方法，主要參考經(jīng)驗(yàn)公式和工藝試驗(yàn)，同時(shí)在采用扭矩控制法緊固時(shí)，緊固特性與常規(guī)緊固件有一定的差異。這增加了明確緊固扭矩設(shè)計(jì)值和保障裝配可靠性質(zhì)量的難度。

本文對(duì)這種拉帶螺栓采用扭矩控制法進(jìn)行緊固扭矩的工藝試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)值為雙向容差，采用SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）的分析方法，進(jìn)行該工藝與設(shè)計(jì)期望正態(tài)一致性程度的評(píng)估檢驗(yàn)，分析過程能力指數(shù)(Cpk值)，進(jìn)行均值-極差（Xbar-R）控制圖分析。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和過程能力試驗(yàn)方法

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

尿素箱總成產(chǎn)品（如圖2所示）由拉帶螺栓（2條）、螺母（4個(gè)）、L形支架、橡膠條（2條）、尿素罐、計(jì)量泵支架等裝配而成；其中拉帶螺栓與螺母為螺紋副連接，橡膠條墊于尿素罐和拉帶螺栓之間，通過L形支架和計(jì)量泵支架固定尿素罐；螺紋的規(guī)格為M10粗牙，支架為碳鋼沖壓件且表面涂漆，尿素罐材料選用高密度聚乙烯。拉帶螺栓兩頭為T形螺栓，與中間采用的拉帶（帶材材料為不銹鋼）焊接形成（如圖1所示）。

圖1 拉帶螺栓結(jié)構(gòu)

圖2 尿素箱總成結(jié)構(gòu)

1.2 過程能力試驗(yàn)過程

參考?xì)W系汽車廠采用扳手測(cè)螺栓發(fā)生屈服時(shí)來估算緊固扭矩的經(jīng)驗(yàn)[1]，以尿素箱總成零件達(dá)到屈服為參考目標(biāo)，進(jìn)行緊固扭矩的工藝試驗(yàn)，得出緊固扭矩設(shè)定值目標(biāo)為5Nm±2Nm。

抽樣30件小批試生產(chǎn)驗(yàn)證中的尿素箱總成，依次進(jìn)行樣件左右2條拉帶螺栓的緊固測(cè)試。螺紋緊固采用扭矩控制法，先對(duì)拉帶螺栓底部螺栓進(jìn)行安裝緊固，然后使用杜派TDIS-40定扭氣扳手依次進(jìn)行兩條拉帶螺栓的螺紋副緊固(在圖2所示位置并控制扳手緊固沖擊次數(shù)），扳手的預(yù)設(shè)扭矩為5Nm（達(dá)到設(shè)定扭矩自動(dòng)斷氣）；最后使用數(shù)顯式扭力扳手，在2分鐘內(nèi)測(cè)取記錄扭矩讀數(shù)。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 拉帶螺栓螺紋副連接緊固扭矩 單位：Nm

2 緊固扭矩的統(tǒng)計(jì)過程控制分析

2.1 正態(tài)性檢驗(yàn)

雙向容差的汽車批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在沒有特殊偏差下，一般是服從正態(tài)分布規(guī)律的，其分布曲線為高斯曲線，記為X～N(μ，σ2)。由于在n≥30的大樣本[2]隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)下，產(chǎn)品穩(wěn)定狀態(tài)下的過程標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)未知，我們假設(shè)拉帶螺栓的緊固扭矩隨機(jī)測(cè)量值，服從產(chǎn)品期望緊固值（5Nm）要求正態(tài)分布 X～N(μ，σ2)，其誤差可信程度為 95%；則可采用“t檢驗(yàn)”[3]的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)（即μ的檢驗(yàn)）。

假設(shè)檢驗(yàn)方法為：以樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差S代替穩(wěn)定過程中產(chǎn)品的σ值，進(jìn)行無偏估計(jì)；得出拒絕這種符合正態(tài)性假設(shè)的拒絕域條件為：。為扳手的預(yù)設(shè)扭矩值5Nm，置信水平?。p尾檢驗(yàn)），則查表。計(jì)算得：左側(cè)；右側(cè) S=0.51，。則可知右側(cè)拉帶螺栓的扭矩檢測(cè)數(shù)據(jù)，在 95%的顯著性水平下接受前述的假設(shè)檢驗(yàn)，認(rèn)為符合正態(tài)分布規(guī)律；而左側(cè)雖然，但按檢驗(yàn)公式衡量：在0.05的顯著性水平下，是拒絕這30組數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布假設(shè)的，主要是由于4.799Nm的均值扳手設(shè)定值中心偏差較大所致。

對(duì)左側(cè)拉帶螺栓樣本也可以采用“p檢驗(yàn)”[2][3]。在EXCEL工作表中按公式TDIST（2.20，29，2）計(jì)算，得出其雙邊檢驗(yàn)的概率p值為0.0354，與“t檢驗(yàn)”的假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)論一致。

2.2 過程能力指數(shù)（Cpk）分析

忽略產(chǎn)品過程中心偏移：產(chǎn)品過程能力的評(píng)價(jià)可按Cp=T/6σ≈T/6 ，T為產(chǎn)品公差要求；抽樣的隨機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理，應(yīng)以S代替σ值進(jìn)行無偏估計(jì)。

實(shí)際上近似正態(tài)分布的測(cè)量數(shù)據(jù)樣本與扳手設(shè)定值的設(shè)計(jì)要求是存在中心偏移的，因此本文工序試驗(yàn)的過程能力應(yīng)按Cpk（過程能力指數(shù)）[4]進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算按式（1）：

式中：ε為樣件的均值（μ）與產(chǎn)品公差中心（M）的偏移值（即ε=|M-μ|）。

樣本的標(biāo)準(zhǔn)差S，按式（2）計(jì)算[4]

打響民生水利品牌，出自2011年廣東省水利工作會(huì)議上汪洋書記的講話。它揭示了廣東過去一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的顯著特點(diǎn)，也指明了廣東未來一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的總體方向。

左側(cè)拉帶螺栓數(shù)據(jù)樣本計(jì)算結(jié)果為：S=0.49，Cp=1.36，ε=0.20，Cpk=1.22；右側(cè)結(jié)果為：S=0.51，Cp=1.30，ε=0.04，Cpk=1.27。左右兩側(cè)的Cpk值均在1.0到1.33之間。

表明了該過程能力尚可，但未達(dá)到過程能力充足的評(píng)價(jià)等級(jí)要求；仍需注意控制，防止發(fā)生大的波動(dòng)[5]。

minitab軟件得出的左右兩側(cè)過程能力直方圖如圖3、圖4所示。

圖3 左側(cè)拉帶螺栓緊固能力直方圖

圖4 右側(cè)拉帶螺栓緊固 能力直方圖

2.3 極差-均值控制圖分析

文獻(xiàn)[4]提出：為提高過程能力(從而改進(jìn)性能)，將精力集中在減少普通原因上，為此要求對(duì)系統(tǒng)采取管理措施，加以糾正，對(duì)改變的過程制作控制圖并分析，通過連續(xù)監(jiān)視控制圖確保系統(tǒng)改進(jìn)的有效性。

表2 -R控制圖控制界限計(jì)算公式

表2 -R控制圖控制界限計(jì)算公式

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式中：A2、D3、D4為常數(shù)分別取1.880、0、3.267。R、為樣件極差值與級(jí)差均值。

圖5 樣件的控制圖（左右側(cè)整體）

圖6 樣件R控制圖 （左右側(cè)整體）

若單獨(dú)對(duì)樣件左側(cè)與右側(cè)的緊固扭矩樣本進(jìn)行受控狀態(tài)分析。控制圖控制線準(zhǔn)則按 CL=μ，μ±3σ判定。左側(cè)與右側(cè)緊固扭矩樣本控制圖如圖7、圖8所示。

圖7 左側(cè)緊固帶扭矩控制圖

圖8 右側(cè)緊固帶扭矩控制圖

可以看出：檢測(cè)生產(chǎn)過程中抽樣的樣件緊固扭矩值，其緊固扭矩的過程生產(chǎn)是可控的。（連續(xù)30均未超出上、下控制線界限；在控制域內(nèi)未出現(xiàn)間斷、傾向、周期等異常現(xiàn)象；若按“界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)判異”評(píng)判[6]，右側(cè)緊固帶扭矩中有兩組點(diǎn)連續(xù)3點(diǎn)中有2點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)外，如批產(chǎn)過程則需引起關(guān)注）。

3 統(tǒng)計(jì)過程分析的數(shù)據(jù)結(jié)論

1）正態(tài)性假設(shè)檢驗(yàn)：在 95%誤差可信程度的近似服從正態(tài)分布假設(shè)下，樣本右側(cè)拉帶螺栓扭矩值接受假設(shè)檢驗(yàn)（服從正態(tài)分布），左側(cè)拒絕假設(shè)。可以看出：杜派 TDIS-40定扭氣扳手在5Nm要求的生產(chǎn)過程保障中，可能會(huì)產(chǎn)生緊固值均值較大的“中心偏差”，進(jìn)而難以接受0.05顯著性水平下的正態(tài)性檢驗(yàn)。

2）Cpk值：左右兩側(cè)扭矩值的Cpk值均在1.0到1.33之間。按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：工序能力均都不充足，若認(rèn)可本試驗(yàn)過程則在實(shí)施時(shí)需注意控制和監(jiān)控。在本案例中，在未驗(yàn)證出更優(yōu)扭矩緊固控制方法和產(chǎn)品改進(jìn)之前，可以考慮臨時(shí)采用這種工藝生產(chǎn)，但要求工藝必須制定扳手定期標(biāo)定計(jì)劃和加強(qiáng)檢測(cè)等措施。

3）控制圖分析：小批試生產(chǎn)的驗(yàn)證，其過程是可控的?？深A(yù)估：在沒有特殊的外界偏差干擾下，其小批及批產(chǎn)過程也是具備可控能力的。

4 結(jié)論

由于尿素箱總成的拉帶螺栓緊固扭矩，比常規(guī)螺紋副的扭矩緊固更難以進(jìn)行控制；文章抽樣了使用定扭氣扳手及扭矩控制法緊固的拉帶螺栓扭矩檢測(cè)數(shù)據(jù)，借助SPC工具進(jìn)行過程能力分析。包括：樣本是否與設(shè)計(jì)設(shè)定要求一致程度的正態(tài)性假設(shè)檢驗(yàn)，過程能力分析（CPK值評(píng)價(jià)），通過控制圖進(jìn)行過程穩(wěn)定性及可控性的分析。

數(shù)據(jù)表明：1）杜派TDIS-40定扭氣扳手在緊固過程中，可能會(huì)產(chǎn)生“中心偏差”，進(jìn)而難以接受顯著水平0.05下的假設(shè)檢驗(yàn)；2）樣件緊固扭矩過程能力均不充足，如臨時(shí)接受按此工序進(jìn)行生產(chǎn)，則需加強(qiáng)生產(chǎn)過程的控制和檢測(cè)。3）生產(chǎn)過程基本上是穩(wěn)定、可控的。

根據(jù)分析結(jié)論，一方面考慮提升泵支架剛度和增加尿素罐厚度等產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善緊固扭矩設(shè)定值要求；另一方面考慮通過改進(jìn)扭矩控制方法、改進(jìn)扳手工具、制定過程監(jiān)測(cè)控制計(jì)劃等控制措施，滿足產(chǎn)品質(zhì)量保障要求。