螺紋緊固件擰緊過程角度監(jiān)控和扭矩監(jiān)控研究

馬貝方，陳智隆，于樂翔，張敏捷，陳福森

螺紋緊固件擰緊過程角度監(jiān)控和扭矩監(jiān)控研究

馬貝方，陳智隆，于樂翔，張敏捷，陳福森

（吉利汽車集團有限公司ME中心，浙江 寧波 315000）

在汽車開發(fā)到制造過程中，扭矩是重要的工藝參數(shù)，對質(zhì)量起到重大影響。螺紋緊固件在擰緊過程中，不僅要控制最終的扭矩，其過程中的扭矩和角度也要進行監(jiān)控，避免出現(xiàn)最終扭矩合格，實際上內(nèi)部出現(xiàn)異常，存在例如卡滯、滑牙等隱患。對擰緊過程的扭矩監(jiān)控和角度監(jiān)控，能更好地發(fā)現(xiàn)擰緊過程的異常問題，進一步提升螺紋緊固質(zhì)量。通過對擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，扭矩控制法緊固點進行角度統(tǒng)計分析，設(shè)定監(jiān)控范圍。扭矩加轉(zhuǎn)角控制法進行扭矩統(tǒng)計分析，設(shè)定監(jiān)控范圍。對超差樣本進行問題排查分析，找出問題點解決掉，真正提升螺紋連接質(zhì)量。

汽車制造；扭矩；角度監(jiān)控；扭矩監(jiān)控

引言

目前各車企車輛出廠時扭矩合格，但是在市場上經(jīng)過一段時間后，仍然有松動異響、脫落等異?，F(xiàn)象。

隨著各車企對擰緊質(zhì)量的重視，傳感器式電動工具使用已經(jīng)越來越多，傳感器式電動工具可以記錄擰緊結(jié)果和擰緊曲線，便于調(diào)取分析。為扭矩的角度監(jiān)控和扭矩監(jiān)控[1]提供了前提條件。

通過對動態(tài)扭矩[2]擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析[3]，扭矩控制法緊固點進行角度統(tǒng)計分析，設(shè)定角度監(jiān)控范圍。扭矩加轉(zhuǎn)角控制法[4]進行扭矩統(tǒng)計分析，設(shè)定扭矩監(jiān)控范圍。擰緊過程，如果出現(xiàn)監(jiān)控范圍超差，工具報警[5]，操作者進行返工，避免異常問題流出。同時對超差樣本進行問題排查分析，找出問題點解決掉，真正提升螺紋連接質(zhì)量。

1 角度監(jiān)控

針對扭矩控制法緊固點，最終控制的是扭矩，需要對角度進行監(jiān)控。

1.1 角度監(jiān)控初設(shè)

角度監(jiān)控分2段進行，見圖1所示：

圖1 扭矩控制法接頭角度監(jiān)控原理圖

第1段監(jiān)控螺栓是否正常進入螺紋。扭矩從1到2，角度2的值要求大于720°，即轉(zhuǎn)過2圈。說明螺栓已經(jīng)進入正規(guī)，已正常嚙合進螺紋。已定義手預(yù)帶的緊固點，可以不做第1段角度監(jiān)控。

1根據(jù)不同螺栓規(guī)格可以定義標準值進行初設(shè)定，根據(jù)擰緊曲線進行修正，低于螺栓快速旋入時候的扭矩值。2在曲線中進入穩(wěn)定變化的直線段時選取一點。一般情況按照50%的目標扭矩初設(shè)。

第1段角度監(jiān)控主要控制螺栓是否正常進入螺栓，發(fā)現(xiàn)傾斜緊固造成的卡滯。

第2段監(jiān)控螺栓貼合之后，扭矩從3到4目標扭矩，4扭矩合格前提下，4角度是否合格。

在螺栓端面和工件貼合之后，扭矩曲線處于角度和扭矩穩(wěn)定變化的直線段時，選取一點作為開始監(jiān)控的扭矩起始點3。一般操作初設(shè)按照50%的目標扭矩作為監(jiān)控起始扭矩，再結(jié)合擰緊曲線確認此監(jiān)控起始扭矩的合理性。

第2段角度監(jiān)控是真正發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量風(fēng)險，可以發(fā)現(xiàn)卡滯導(dǎo)致監(jiān)控角度偏小情況，可以發(fā)現(xiàn)滑牙導(dǎo)致監(jiān)控角度偏大的情況。

1.2 角度監(jiān)控擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)收集和分析

以第2段角度監(jiān)控為例，在傳感器式電動工具控制器上設(shè)置角度監(jiān)控3監(jiān)控起始扭矩，初設(shè)3為50%的目標扭矩4。扭矩從3到4的角度4的范圍，初設(shè)為0°～9 999°，作為數(shù)據(jù)采集。

生產(chǎn)10臺車輛之后，查看擰緊曲線，觀察3是否處于扭矩穩(wěn)定變化的直線段。如果不是，則修正3。

3確定后，生產(chǎn)1 000個車輛，電動工具擰緊之后，擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)會上傳工具服務(wù)器，訪問工具服務(wù)器網(wǎng)址，將要分析緊固點的擰緊結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出來。對監(jiān)控的角度值4進行統(tǒng)計分析，監(jiān)控范圍按照±4.5σ設(shè)定。監(jiān)控下限小于0時，根據(jù)樣本分布情況，取5°～10°中的數(shù)值。

不同角度值的樣本數(shù)量以柱狀圖方式展示，符合正態(tài)分布。第2段角度監(jiān)控例如圖2：平均值36°，西格瑪6°，±4.5σ計算得出監(jiān)控范圍11°～62°。

圖2 角度監(jiān)控數(shù)據(jù)分布圖

小于角度監(jiān)控下限和大于角度監(jiān)控上限的樣本要開展原因分析，從人員操作、工具標定、標準件摩擦系數(shù)、零件材質(zhì)和表面涂層、車身螺紋孔是否有雜質(zhì)等方面進行問題排查。

問題解決后，再次進行統(tǒng)計分析，以確認樣本分布更加收斂，超差情況得以改善。后期可定期進行統(tǒng)計分析，確保生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定。

1.3 工具參數(shù)修正

將優(yōu)化后的擰緊結(jié)果統(tǒng)計分析后的角度監(jiān)控范圍，設(shè)置到傳感器式電動工具的控制器中，超出角度監(jiān)控范圍的工具報警，操作者進行返工。確保異常問題及時發(fā)現(xiàn)和解決。

2 扭矩監(jiān)控

扭矩加轉(zhuǎn)角控制法緊固點，最終控制的是角度，需要對扭矩進行監(jiān)控。

2.1 扭矩監(jiān)控初設(shè)

非屈服點扭矩加轉(zhuǎn)角控制法緊固點，如圖3所示：

圖3 非屈服點扭矩加轉(zhuǎn)角控制法接頭扭矩監(jiān)控原理圖

初始扭矩到達3，再轉(zhuǎn)動4目標角度，獲取4的扭矩值，對4設(shè)定監(jiān)控范圍。初始監(jiān)控范圍根據(jù)螺紋接頭試驗得出。

屈服點扭矩加轉(zhuǎn)角控制法緊固點，如圖4：

圖4 屈服點扭矩加轉(zhuǎn)角控制法接頭扭矩監(jiān)控原理圖

2.2 扭矩監(jiān)控驗證優(yōu)化

對4樣本進行統(tǒng)計分析，例如某緊固點，90 N.m+140°，初設(shè)扭矩監(jiān)控范圍為125 N.m～280 N.m，統(tǒng)計分析，扭矩平均值為172 N.m，為12 N.m，±4.5σ的計算范圍為120 N.m～224 N.m。最終加嚴控制，監(jiān)控范圍優(yōu)化為125 N.m～224 N.m。不同扭矩值的樣本數(shù)量以柱狀圖方式展示，符合正態(tài)分布。如圖5所示：

圖5 扭矩監(jiān)控數(shù)據(jù)分布圖

小于扭矩監(jiān)控下限和大于扭矩監(jiān)控上限的樣本要開展原因分析，從人員操作、工具標定、標準件摩擦系數(shù)、零件材質(zhì)和表面涂層、車身螺紋孔是否有雜質(zhì)等方面進行問題排查。

問題解決后，再次進行統(tǒng)計分析，以確認樣本分布更加收斂，超差情況得以改善。后期可定期進行統(tǒng)計分析，確保生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定。

2.3 工具參數(shù)修正

將優(yōu)化后的擰緊結(jié)果統(tǒng)計分析后的扭矩監(jiān)控范圍，設(shè)置到傳感器式電動工具的控制器中，超出扭矩監(jiān)控范圍的工具報警，操作者進行返工，確保異常問題及時發(fā)現(xiàn)和解決。

3 角度監(jiān)控案例

3.1 超下限和超上限樣本分析

某緊固點，動態(tài)扭矩70 N.m，設(shè)定扭矩到達35 N.m開始計角度，統(tǒng)計1 000個樣本。角度分布如圖6所示：

圖6 角度監(jiān)控超差樣本分析

平均值67°，為13°。角度監(jiān)控范圍：20°～120°。下限超差2個，上限超差9個，總超差率1.11%。需要對這超差的11個樣本進行分析。如圖中紅圈圈示的偏小和偏大樣本。

查看其擰緊曲線，和擰緊結(jié)果詳細數(shù)據(jù)。必要時拆解該車輛此處螺栓，查看標準件螺紋及車身螺紋情況，是否有雜質(zhì)、涂油、滑牙。

有雜質(zhì)情況下，摩擦系數(shù)增大，達到相同扭矩轉(zhuǎn)動的角度偏小。角度監(jiān)控的樣本分布在超下限區(qū)域。

涂油情況下，摩擦系數(shù)降低，達到相同扭矩轉(zhuǎn)動的角度偏大。角度監(jiān)控的樣本分布在超上限區(qū)域。

滑牙情況下，角度監(jiān)控的樣本分布在超上限區(qū)域。曲線狀態(tài)為扭矩上不去，角度不斷增加。

3.2 重復(fù)擰緊分析

某緊固點，一把槍只打1個緊固點，分布圖出現(xiàn)2個波峰的情況，發(fā)現(xiàn)有一部分樣本比較集中在小數(shù)值區(qū)域。如圖7所示。

經(jīng)過現(xiàn)場查看操作者的擰緊過程，發(fā)現(xiàn)操作者有習(xí)慣性多按一次的情況。對該操作者進行提醒。

為了規(guī)避此問題的發(fā)生，修正工具參數(shù)，將角度監(jiān)控范圍下限增加到15°，當員工出現(xiàn)重復(fù)打緊時，工具報警提示，引導(dǎo)操作者改正不良的操作習(xí)慣。

圖7 角度監(jiān)控重復(fù)擰緊分析

3.3 多類型緊固點分析

某工具的數(shù)據(jù)情況，角度監(jiān)控平均值40°，σ為18°，監(jiān)控范圍5°～120°，樣本分布圖出現(xiàn)2個波峰。如下圖8所示：

圖8 角度監(jiān)控多類型緊固點分析

確認此工具，相同扭矩緊固多個緊固點，其中1個緊固點和其他點的結(jié)構(gòu)狀態(tài)差異較大。存在2類不同類型結(jié)構(gòu)的緊固點。

此情況可采用2種解決方式：

方式1：工具程序維持1個擰緊程序，角度監(jiān)控范圍擴大，覆蓋2類緊固點，對這兩類緊固點進行一起監(jiān)控。

方式2：工具程序改成2個擰緊程序，對2個擰緊程序的數(shù)據(jù)分別設(shè)定角度監(jiān)控范圍，對這兩類緊固點采用分別監(jiān)控。

兩種方式，第2種對質(zhì)量控制更加嚴格，監(jiān)控更加精準。

3.4 標準件摩擦系數(shù)監(jiān)控

某緊固點，角度監(jiān)控平均值37°，為6°，樣本比較收斂。如圖9所示：

圖9 角度監(jiān)控摩擦系數(shù)分析1

經(jīng)過一段時間后，再次進行角度分析，發(fā)現(xiàn)平均值為67°，為13°。如下圖10所示：

圖10 角度監(jiān)控摩擦系數(shù)分析2

不同時間段的角度監(jiān)控平均值發(fā)生較大幅度變化時，需要進行問題排查分析。

經(jīng)確認，零部件端面的摩擦系數(shù)發(fā)生了變化。反饋供應(yīng)商對摩擦系數(shù)進行重點管控。

扭矩監(jiān)控方法和角度監(jiān)控相同。通常在樣車試制試生產(chǎn)階段，根據(jù)50個樣本做第一輪優(yōu)化，在量產(chǎn)之后，根據(jù)1 000個樣本做第二輪優(yōu)化。

通過角度監(jiān)控和扭矩監(jiān)控分析，對零部件狀態(tài)、人員操作狀態(tài)、工具狀態(tài)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)之前不容易發(fā)現(xiàn)的問題點，找出問題，優(yōu)化解決，從根本上提高了扭矩質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文從角度監(jiān)控、扭矩監(jiān)控兩個方面，對扭矩監(jiān)控方法進行研究，使用統(tǒng)計學(xué)方法對角度監(jiān)控值或扭矩監(jiān)控值進行統(tǒng)計分析，并針對超差問題開展各類影響因素分析，找出根本原因并解決問題，真正實現(xiàn)提高螺紋連接擰緊質(zhì)量的目的，為各制造公司扭矩質(zhì)量提升工作提供了理論指導(dǎo)。

[1] 張文濤,尹利亮.汽車制造過程中裝配扭矩的控制和管理[J].科學(xué)家,2017,5(09):37-39.

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[3] 朱正德.螺栓擰緊的統(tǒng)計過程控制[J].中國質(zhì)量,2003(10):74-77.

[4] 王海淵,孫希波,邵立新,等.淺析“扭矩+轉(zhuǎn)角”緊固法在連桿螺栓緊固過程中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機,2013(02):31-33.

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Screw Fastener Angle Monitoring and Torque Monitoring

MA Beifang, CHEN Zhilong, YU Lexiang, ZHANG Minjie, CHEN Fusen

( Geely Automobile Group Co., Ltd., ME Center, Zhejiang Ningbo 315000 )

Torque is an important technological parameter in the process of automobile development and manufacturing, which has a great influence on the quality.During the tightening process of threaded fasteners, not only the final torque should be controlled, but also the torque and angle in the process should be monitored.Avoid the occurrence of qualified final torque, actually internal abnormalities, such as stuck, screw loose and other hidden dangers.By monitoring the torque and angle of the tightening process, the abnormal problems in the tightening process can be better found and the screw thread fastening quality can be further improved.The tightening result data was statistically analyzed, the tightening point of torque control method was statistically analyzed, and the monitoring range was set.Torque and angle control method is used to analyze torque statistics and set the monitoring range.Check and analyze the out-of-tolerance samples to find out the problem points and solve them, so as to improve the quality of thread connection.

Automobile manufacturing; Torque; Angle monitoring; Torque monitoring

TH 16

A

1671-7988(2021)24-109-05

TH 16

A

1671-7988(2021)24-109-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.025

馬貝方（1982—），男，總裝工藝工程師，大學(xué)本科，就職于吉利汽車集團有限公司ME中心，主要從事同步工程、工藝開發(fā)、扭矩、防錯等方面的研究。