陳福森 馬貝方

(吉利汽車集團(tuán)有限公司ME中心，浙江 寧波315000)

由于螺紋連接具有拆裝方便、種類多樣及連接效率高等優(yōu)點(diǎn)，汽車大部分零部件通過螺紋連接。螺紋連接過程中有多種多樣的缺陷形式，很多缺陷通過人工目視無法檢查出來，帶缺陷的螺紋連接件在用戶的使用過程中可能脫落造成異響、功能缺失甚至危害人員的生命安全。因此，汽車制造過程中有必要監(jiān)控螺紋連接件的連接質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，將問題車輛控制在工廠內(nèi)部。

目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠主要利用擰緊工具識(shí)別擰緊扭矩是否達(dá)到目標(biāo)扭矩來判別扭矩是否合格。但該方法無法識(shí)別到隱藏的缺陷，例如卡滯、粘滑、零件壓縮和螺紋損壞。這些缺陷發(fā)生時(shí)也能夠達(dá)到目標(biāo)扭矩，使用傳統(tǒng)的扭矩法無法檢出。因此需要一種能夠準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單及快速的方法來識(shí)別螺紋連接的缺陷。

通過大量的擰緊數(shù)據(jù)分析和總結(jié)，螺栓擰緊過程中的擰緊曲線特征可以有效的反應(yīng)特定的缺陷，本文將闡述幾種常見缺陷的擰緊曲線特征及分析缺陷的對(duì)應(yīng)原理。為后續(xù)擰緊曲線監(jiān)控、快速缺陷報(bào)警、自動(dòng)提示缺陷原因提供理論支撐。因此，研究擰緊曲線在螺紋連接質(zhì)量的應(yīng)用是非常有必要的。

1 擰緊曲線概念

1.1 螺紋連接的概念

螺紋連接，如圖1，是通過施加一定的扭矩，使被連接件之間形成夾緊力，從而實(shí)現(xiàn)連接件緊密連接的作用。夾緊力與施加的扭矩的關(guān)系可以用下面公式來表示[1]：

式中：P為夾緊力，N；M為扭矩，N·m；K為螺紋連接扭矩系數(shù)；D為螺紋公稱直徑，mm。

螺紋連接扭矩系數(shù)不是固定的，與螺紋之間的摩擦系數(shù)、溫度、材料和速度有關(guān)，但對(duì)于同一個(gè)螺紋連接副來說是常數(shù)，可以得到夾緊力與扭矩成正比關(guān)系。夾緊力不容易進(jìn)行測(cè)量，扭矩值的獲取較為容易，因此，通常對(duì)擰緊扭矩值進(jìn)行監(jiān)控來確保螺紋連接的夾緊力達(dá)到要求。

1.2 擰緊曲線的概念

扭矩隨著螺栓旋入角度的增大而變化的曲線稱之為擰緊曲線，如圖2理論的擰緊曲線。在旋入初期，螺栓端面還未接觸到連接件，還未形成夾緊力，此時(shí)扭矩僅克服螺紋副之間的摩擦力，扭矩較小，如圖2中a之前的區(qū)間；當(dāng)螺栓端面開始接觸連接件，每旋1圈，螺栓被拉長(zhǎng)1個(gè)螺紋間距(螺栓變形量與旋轉(zhuǎn)角度成正比)，螺栓變形產(chǎn)生夾緊力。當(dāng)螺栓處于彈性變形區(qū)間，螺栓的拉伸量與彈性力成正比。即可以推算出，在螺栓彈性變形下，螺栓擰緊扭矩與旋入角度成正比，如圖2中a到b之間。當(dāng)進(jìn)一步擰緊，螺栓到達(dá)塑性變形區(qū)間，螺栓的拉伸量與彈性力不成正比，甚至出現(xiàn)彈性力下滑，直至螺栓斷裂，如圖2中的c點(diǎn)。

實(shí)際擰緊曲線與理論擰緊曲線近似，但也有一些不同點(diǎn)，如圖3。在旋入角度在2 450°左右的時(shí)候，扭矩突然下滑至0后重新爬起。這是由于擰緊工具切換轉(zhuǎn)速引起的。為了縮短擰緊時(shí)間，工具一般會(huì)設(shè)置兩段轉(zhuǎn)速，在旋入初始階段扭矩控制精度要求不高，轉(zhuǎn)速快。進(jìn)入設(shè)定扭矩階段，扭矩控制精度要求高，轉(zhuǎn)速低。當(dāng)扭矩到達(dá)目標(biāo)扭矩(27 N·m)時(shí)，扭矩將降至0后退出工具。

2 擰緊曲線在質(zhì)量分析中的應(yīng)用

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同一個(gè)擰緊點(diǎn)的正常擰緊曲線基本一致。將數(shù)據(jù)積累迭代形成標(biāo)準(zhǔn)的擰緊曲線，在之后的生產(chǎn)過程中，將實(shí)際的擰緊曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，通過差異分析快速發(fā)現(xiàn)缺陷，并找到根本原因。下面將簡(jiǎn)述幾種常見缺陷的曲線特征。

2.1 粘滑問題

該缺陷的曲線特征是：曲線后部劇烈波動(dòng)，并伴隨著擰緊過程中咔吱的聲響。粘滑會(huì)產(chǎn)生高熱量，破壞電泳漆，高頻振動(dòng)對(duì)擰緊工具的壽命也有較大的影響。通常發(fā)生的原因是工件表面粗糙、螺紋副摩擦系數(shù)高、軟連接擰緊過程發(fā)熱嚴(yán)重、擰緊速度過快(涂層脫落)。

可以從以下幾個(gè)措施進(jìn)行規(guī)避：降低擰緊速度[2]、避免高扭矩啟動(dòng)、提高抗扭臂的剛性連接、降低螺紋副的摩擦系數(shù)。

2.2 卡滯、螺紋損壞

該缺陷的曲線特征是：扭矩阻滯一下，緊接著扭矩下滑，最后緊固的時(shí)候扭矩急劇上升，如圖5所示?？^程中受損傷或畸變的螺紋可能會(huì)損壞螺栓或螺母螺紋的涂覆層，也就是說，防腐效能會(huì)降低。也有的卡滯扭矩沒有掉落，保持一段時(shí)間后急劇上升，如圖6。也有部分卡滯是直接卡死，扭矩直接急劇上升到達(dá)目標(biāo)力矩，如圖7，曲線斜率很大。

這3種曲線是卡滯的通常表現(xiàn)，扭矩都能夠達(dá)到目標(biāo)力矩，使用通常扭矩監(jiān)控法的工具無法發(fā)現(xiàn)該問題，工具將會(huì)報(bào)合格信號(hào)，使用“扭矩+轉(zhuǎn)角”監(jiān)控的工具才可以發(fā)現(xiàn)該問題，即同時(shí)也監(jiān)控轉(zhuǎn)角是否達(dá)到目標(biāo)窗口。

2.3 零件壓縮、裝錯(cuò)件

該缺陷的曲線特征是：很快進(jìn)入較高扭矩，在特定扭矩中穩(wěn)定較長(zhǎng)一段時(shí)間，再次爬升扭矩。主要原因是旋入件螺紋孔小了，或者螺栓大了，擰緊過程在攻螺紋。如連接件的剛度不夠，受到夾緊力的作用下形變，從而導(dǎo)致螺紋孔變小也可能發(fā)生此曲線。此缺陷同卡滯類似，會(huì)造成螺紋的損害，影響防腐效能，普通扭矩監(jiān)控法的工具也是無法檢出的。

2.4 提前松手

該缺陷的曲線特征：扭矩未達(dá)到工具設(shè)定值，扭矩突然消失。例如工具設(shè)定25 N·m，一般最終的動(dòng)態(tài)扭矩都在25 N·m多一點(diǎn)，但圖9所示扭矩僅到24 N·m就開始下滑。這類問題需要對(duì)操作人員重新培訓(xùn)。

2.5 套筒脫出

該缺陷的曲線特征：扭矩值低、未達(dá)到目標(biāo)值、中途有斷點(diǎn)及后面扭矩仍維持在較低水平。這種缺陷表示套筒脫出，工具無法貼合打緊，一般發(fā)生在自動(dòng)擰緊工位。為了保證套筒不脫落，需要有沿著螺紋連接方向的力保證套筒貼合。自動(dòng)擰緊工位一般在接桿下安裝彈簧來提供貼緊力。該缺陷大部分是由于彈簧的剛度不足，擰緊過程中套筒脫出，無法擰緊到目標(biāo)扭矩。

2.6 擰緊曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控的應(yīng)用

從上面介紹的幾個(gè)常見的缺陷曲線可以看出，曲線都有明顯特定的特征用來識(shí)別，因此擰緊過程中的實(shí)時(shí)識(shí)別已經(jīng)具備理論條件。需要的硬件條件：高精度電動(dòng)擰緊工具，擰緊曲線開源并實(shí)時(shí)共享給分析系統(tǒng)，增加一套曲線分析系統(tǒng)。目前高精度電動(dòng)擰緊工具的成本較高，整車生產(chǎn)過程中全部使用電動(dòng)工具成本高昂，可以對(duì)重要的擰緊點(diǎn)，例如涉及安全、法律法規(guī)、底盤部分、功能性的零部件使用電動(dòng)工具進(jìn)行監(jiān)控，其余使用普通擰緊工具。

使用擰緊曲線監(jiān)控預(yù)計(jì)可以提高扭矩合格率4%，提高問題檢出率，為客戶提供更加可靠的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

本文闡述了擰緊曲線的概念以及幾種常見擰緊缺陷的曲線特征，為后續(xù)自動(dòng)曲線識(shí)別防錯(cuò)提供理論基石，其他制造企業(yè)可以參考于此，檢出隱藏缺陷，快速分析出原因。并且為實(shí)施擰緊曲線監(jiān)控、自動(dòng)識(shí)別報(bào)警提供理論基礎(chǔ)。