汽車生產(chǎn)的擰緊工藝研究

戴力

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

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汽車生產(chǎn)的擰緊工藝研究

戴力

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，擰緊工藝被作為總裝工廠的核心技術(shù)一直在不斷提升。作為成品車制造的最后一道工序，如何將各零部件以最恰當(dāng)、最經(jīng)濟的方式結(jié)合在一起就顯得尤為重要，這不僅僅關(guān)系著制造的成本，也決定著駕乘人員的生命財產(chǎn)安全。通過有效且穩(wěn)定的擰緊工藝控制，保證所生產(chǎn)出來的車輛均處于較高的質(zhì)量水平。

汽車；總裝工廠；擰緊工藝

0 引言

擰緊工藝作為總裝的核心技術(shù)，一直在不斷發(fā)展更新，硬件不斷提升的同時，出現(xiàn)了越來越多的控制方法、管控策略。如何將擰緊的效果發(fā)揮到最佳，使各部件能夠可靠地結(jié)合在一起也是各研發(fā)制造部門需長期研究的。隨著擰緊水平的提高，能夠從生產(chǎn)過程中獲得詳細(xì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，據(jù)此對擰緊的生產(chǎn)過程進行控制，這些對提升擰緊工藝都有很大幫助。

1 基本的擰緊控制方法

總裝廠內(nèi)常見的基本的擰緊控制方法包括：扭矩控制法、扭矩控制—角度監(jiān)測法、扭矩+角度控制法、斜率法等。每一種方法都須結(jié)合現(xiàn)場硬件等級情況實施，最終目的都是期望得到合適的預(yù)緊力(也稱張緊力、夾緊力等)，保證零部件之間能夠存在可靠的連接。

但因預(yù)緊力往往不易測得，并且也很少有具備直接測量預(yù)緊力的生產(chǎn)型設(shè)備，所以需通過運用各種擰緊控制方法，來達到最終形成合適的預(yù)緊力這一目的。

1.1 扭矩控制

扭矩控制法也叫扭矩法、直接擰緊法、扭矩擰緊法等，此方法是目前最為主流的一種擰緊控制方法，優(yōu)勢為操作簡單、對設(shè)備要求不高。主要是依據(jù)螺栓在擰緊過程中，其預(yù)緊力隨著螺栓的拉伸呈線性變化這一特性，如圖1所示。

圖1 預(yù)緊力與扭矩呈線性關(guān)系

T=KFd

式中：T為控制扭矩；K為擰緊扭矩系數(shù)；F為預(yù)緊力；d為螺栓公稱直徑。

擰緊扭矩系數(shù)K與工件狀態(tài)、表面粗糙度等諸多因素有關(guān)。這種控制方法大致步驟為：在計算出此處需要的預(yù)緊力之后，根據(jù)國標(biāo)或者VDI等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及前期設(shè)計的工況綜合判斷，進行緊固件選型，然后使用選出來的緊固件進行多次測試，在擰緊的過程中根據(jù)擰緊曲線在達到所要求的預(yù)緊力時的點位得出初步的控制扭矩。

可使用如ATLAS廠家的BLM5000和TPT200/100夾緊力傳感器、MC900超聲波分析儀及配套軟件、高精度電控扭矩扳手STWrench等設(shè)備，配合至少50顆已貼超聲波貼片的螺栓進行測試。常見的擰緊工藝測量設(shè)備如圖2所示。

例如，作者對某車的副車架與車身連接螺栓進行測試(現(xiàn)場測量狀態(tài)見圖3)，需達到的預(yù)緊力為80 kN，使用的標(biāo)準(zhǔn)件為規(guī)格10.9級M16×2粗牙螺栓。經(jīng)過多次測量及數(shù)據(jù)分析，此規(guī)格螺栓臺架試驗的最小極限拉伸載荷為180 kN(見圖4)，可滿足所需預(yù)緊力要求，在扭矩為258 N·m時可達到要求的預(yù)緊力(見表1)，±3σ的偏離程度為7.24%，處于經(jīng)驗公式以內(nèi)，因此±3σ可作為初步管控標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 現(xiàn)場測量狀態(tài)

圖4 螺栓臺架試驗的擰緊曲線

扭矩軸向力平均值257．93N·m79．91kN標(biāo)準(zhǔn)差s6．236．653s18．6819．943s的離散程度(±)7．24%24．95%最大值271．72N·m99．17kN最小值249．92N·m67．13kN

1.2 扭矩控制—角度監(jiān)測法

此方法是在扭矩控制法的基礎(chǔ)之上，引入角度監(jiān)測，用于識別多種異常工況。

一般情況是：

(1)扭矩及角度均在要求監(jiān)控范圍內(nèi)，力矩合格。

(2)扭矩值達到要求，角度值低于監(jiān)控范圍，可能螺紋孔有焊渣、殘膠，螺栓未手動預(yù)緊導(dǎo)致歪斜，或者零件、標(biāo)準(zhǔn)件出現(xiàn)異常。

(3)扭矩值達到要求，角度值高于監(jiān)控范圍，可能螺栓或螺紋被破壞，沾染油漬，出現(xiàn)擰斷，或者零件、標(biāo)準(zhǔn)件出現(xiàn)異常。

(4)扭矩值低于要求，角度值高于監(jiān)控范圍，可能出現(xiàn)螺紋被破壞，出現(xiàn)打滑，或者零件、標(biāo)準(zhǔn)件出現(xiàn)異常。

(5)出現(xiàn)其他情況，可能因設(shè)備故障。

APEX擰緊電槍的程序編輯界面(圖5)中，Angle Low Limit和Angle High Limit就已限定了角度監(jiān)控的范圍，Threshold 為門檻扭矩，即角度監(jiān)視的0°對應(yīng)力矩上的起始點。

參數(shù)來源上，門檻扭矩的來源多以經(jīng)驗公式計算或者從曲線上進行分析判斷，但二者基本都基于實際擰緊數(shù)據(jù)而得出。

例如，以某車型的轉(zhuǎn)向機與前副車架連接螺栓的擰緊(如圖6所示)為例，擰緊的目標(biāo)力矩為105 N·m，使用的設(shè)備為APEX的48EAE175AX6B擰緊電槍、MPRO400GC-E控制器。

圖5 APEX擰緊電槍的程序編輯頁面

圖6 某車的轉(zhuǎn)向機與前副車架連接

從控制器提取出曲線，并將大量曲線按照同樣的比例進行投影，模擬出大量螺栓的擰緊曲線分布情況。單條曲線的投影見圖7，多條曲線的投影見圖8。

從投影中可見在螺栓處于擰緊初步階段曲線差異較大，隨著擰緊作業(yè)持續(xù)，軸向力越來越大，使扭矩產(chǎn)生差異的因素作用越來越小(如零件和緊固件表面的細(xì)微差別等)，最終曲線都能穩(wěn)定在較小的區(qū)域內(nèi)。

選取門檻扭矩時，應(yīng)避免前期對扭矩產(chǎn)生影響的干擾區(qū)域。在這個案例中，可按照投影中穩(wěn)定區(qū)域的起點55 N·m進行選取，最終大量角度落在了154°～187°之間，然后將這些樣本按照±3σ進行計算，最終角度監(jiān)控的范圍是174°±30°。

圖7 單條曲線

圖8 多條曲線的投影

1.3 扭矩+角度控制法

扭矩+角度控制法是利用了緊固件相對于零部件有更好的先天條件。因緊固件存在各項標(biāo)準(zhǔn)，一致性更好，在受到拉伸時穩(wěn)定輸出一定的預(yù)緊力，而緊固件旋轉(zhuǎn)一定的角度后產(chǎn)生的拉伸量也較一致。該方法的優(yōu)勢是降低了不穩(wěn)定且難于精確控制的摩擦因素，能夠使預(yù)緊力獲得較小的離散差，從而提高擰緊質(zhì)量。

角度值的來源借鑒了扭矩控制—角度監(jiān)測法，即大量測量從門檻扭矩M0開始，以此時的角度值作為起始值，擰緊到要求的預(yù)緊力之間旋轉(zhuǎn)的角度φ。最終的控制方法為M0+φ。

圖9(a)中，在相同的扭矩M1作用完畢后，預(yù)緊力差異為ΔF；圖9(b)中，在達到門檻扭矩M0之后，分別旋轉(zhuǎn)φ角度，此時預(yù)緊力差異為ΔF0，相對于M1作用下產(chǎn)生的ΔF1更小，也就是能夠使預(yù)緊力差異更小。

圖9 角度與預(yù)緊力的關(guān)系

例如某車的動力總成后懸置支架擰緊工藝要求為(55±6)N·m +(90±9)°，其動力總成后懸置擰緊工藝要求為(180±18)N·m +(45±5)°等。

1.4 斜率法

斜率法應(yīng)用范圍較小，因為對擰緊設(shè)備的要求較高，需在測試螺紋副裝配扭矩隨時間變化量的同時，不斷地測試螺紋擰緊轉(zhuǎn)角隨時間的變化量。這種方法大部分都是將最終的擰緊點擰至屈服極限，因此也叫屈服點法。

Δ=dT/dφ

式中：Δ為斜率；dT為擰緊扭矩變化量；dφ為擰緊角度變化量。

斜率法原理圖如圖10所示：當(dāng)擰緊進入線性區(qū)域時，此時的斜率能達到最大值；當(dāng)擰緊進入螺栓的材料屈服階段后，隨著擰緊角度的不斷增加，扭矩的增速開始放緩，因Δ為變化率的比值，所以Δ開始降低，當(dāng)Δ趨向于規(guī)定值，一般為(1/2～1/3)Δmax，發(fā)出結(jié)束擰緊控制信號。該控制方法的擰緊質(zhì)量只與螺栓屈服強度有關(guān)，而屈服強度不受扭矩控制法的摩擦因數(shù)和轉(zhuǎn)角控制法的轉(zhuǎn)角起始點的影響，從而克服了扭矩控制法和扭矩+角度控制法的缺點，提高了裝配質(zhì)量，并最大限度地發(fā)揮了緊固件的潛力。

圖10 斜率法原理圖

因為斜率法的上述優(yōu)點，某主機廠副車架采用了屈服點擰緊法的擰緊機，如圖11所示。

圖11 某主機廠副車架采用了屈服點擰緊法的擰緊機

2 動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩的轉(zhuǎn)換

擰緊作業(yè)的檢測是不可再現(xiàn)的，在緊固件擰緊完畢、動力工具作業(yè)完畢后，螺紋副之間的摩擦由動摩擦變?yōu)殪o摩擦，并且在斷開動力工具輸出之后還存在一定的力矩衰減，工件之間產(chǎn)生細(xì)微的形變。這樣就產(chǎn)生了動力工具的設(shè)定值與表盤扳手的檢測值之間的差異，也產(chǎn)生了動態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩的概念。

動態(tài)扭矩是指在緊固件緊固過程中，由緊固動力工具設(shè)定或由其傳感器測得的緊固過程扭矩峰值，動態(tài)扭矩不能在緊固件被緊固完之后測量。靜態(tài)扭矩是指在緊固件緊固完成之后，在一定時間內(nèi)由扭矩檢定工具在規(guī)定的轉(zhuǎn)動幅度下繼續(xù)在緊固方向上轉(zhuǎn)動測得的扭矩值。

動態(tài)扭矩由工具定值機構(gòu)或者傳感器進行控制，精度高，需要的設(shè)備成本高，由于是轉(zhuǎn)動過程中的峰值，所以不能直觀地顯示為最終的擰緊效果。歐美主機廠常用動態(tài)扭矩進行工藝控制和設(shè)備配套策略，主要采用的動力工具是擰緊軸、擰緊電槍等。靜態(tài)扭矩多數(shù)依靠人工檢測，檢測工具簡單，操作便利，所需設(shè)備成本低，較為接近緊固件的自然狀況，能更直觀地顯示最終的擰緊效果，日韓系主機廠多采用靜態(tài)扭矩進行工藝控制，主要采用動力工具配合扭矩扳手的形式。

動態(tài)扭矩用于生產(chǎn)，靜態(tài)扭矩用于檢驗。研發(fā)給出的扭矩值需提前確認(rèn)好屬于哪一類，然后進行另一套標(biāo)準(zhǔn)的建立。

2.1 動態(tài)扭矩到靜態(tài)扭矩的轉(zhuǎn)換

某主機廠的動態(tài)力矩到靜態(tài)力矩的釋放流程如圖12所示。

圖12 某主機廠的動態(tài)力矩到靜態(tài)力矩的釋放流程

在研發(fā)給出動態(tài)扭矩作為控制標(biāo)準(zhǔn)時，首先整理所有擰緊點的作業(yè)情況，將有動力工具作為最終擰緊的工序，將工具調(diào)至動態(tài)扭矩目標(biāo)值，擰緊后收集靜態(tài)數(shù)據(jù)，若滿足力矩要求即可進行力矩預(yù)釋放。繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析，計算出±3σ或者±4σ，然后與經(jīng)驗公式和工藝范圍進行比對，按照生產(chǎn)工藝品質(zhì)的要求，進行最終釋放。后期的力矩檢測主要以此靜態(tài)扭矩標(biāo)準(zhǔn)作為控制方案。

2.2 靜態(tài)扭矩到動態(tài)扭矩的轉(zhuǎn)換

在研發(fā)給出靜態(tài)扭矩作為控制標(biāo)準(zhǔn)時，由于最初沒有動態(tài)扭矩，并不知道靜態(tài)扭矩需要對應(yīng)什么樣的動態(tài)扭矩，且經(jīng)過衰減后能保證達到靜態(tài)扭矩的要求，因此需要由專門的小組在前期車輛試制階段來完成此工作。先將靜態(tài)扭矩設(shè)定到動力工具上，進行10次一組的測量，測量要通過表盤扳手測試并記錄，該扭矩為測量扭矩，需要與扭矩數(shù)據(jù)庫中的扭矩數(shù)據(jù)進行對比，如果一致則可將該靜態(tài)扭矩作為動態(tài)扭矩直接釋放到力矩管控清單，如果不一致則需要重新設(shè)定工具的扭矩，直到測量的扭矩結(jié)果和靜態(tài)扭矩一致為止。某主機廠的靜態(tài)力矩到動態(tài)力矩的釋放流程如圖13所示。

圖13 某主機廠的靜態(tài)力矩到動態(tài)力矩的釋放流程

現(xiàn)以動態(tài)扭矩到靜態(tài)扭矩為例。

例如，某主機廠的某車型，其后副車架與車身連接螺栓，研發(fā)輸入的為動態(tài)扭矩值200 N·m，使用的設(shè)備為ATLAS 型號為QST 62-350CT擰緊軸，將設(shè)定值調(diào)至200 N·m之后，進行實車擰緊，然后使用NORBAR型號為WC4-340數(shù)顯扭矩扳手測量靜態(tài)扭矩(見圖14)，大致步驟如下：

圖14 某車型的后副車架與車身連接工序

(1)預(yù)釋放流程

收集20組數(shù)據(jù)，進行分析，如圖15可見，滿足預(yù)釋放要求。

圖15 20組數(shù)據(jù)的預(yù)釋放分析結(jié)果

(2)最終釋放流程

預(yù)釋放通過之后，收集50組數(shù)據(jù)(見表2)，進行分析。

表2 收集要進行最終釋放的50組數(shù)據(jù)

續(xù)表2

對樣本進行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 50組數(shù)據(jù)的計算結(jié)果

進行單值控制圖分析，與預(yù)釋放無大偏差，如圖16所示。

圖16 單值控制圖

對樣本進行正態(tài)性分析，P值大于0.05，如圖17所示。

圖17 概率圖

按照上述的過程進行之后，將±4倍公差(±4SL)范圍與經(jīng)驗公式范圍進行比較，上限取較低者：+4SL為230.72 N·m低于經(jīng)驗公式270 N·m；下限取較高者：-4SL為166.46 N·m低于經(jīng)驗公式170 N·m,如表4所示。

表4 最終釋放的結(jié)果

(3)輸出結(jié)果：產(chǎn)線用于檢測的靜態(tài)扭矩范圍為170～231 N·m，如表4所示。

3 結(jié)束語

擰緊工藝作為各車企總裝工廠的核心工藝，隨著現(xiàn)代擰緊設(shè)備的飛速發(fā)展，各種以前實現(xiàn)不了的擰緊控制策略都已陸續(xù)實現(xiàn)。可以預(yù)見在未來發(fā)展中，會出現(xiàn)越來越多的更加合理的擰緊方法，而這些軟硬件的發(fā)展也將大幅提升整車擰緊裝配質(zhì)量，進而推動汽車行業(yè)的發(fā)展。

[1]熊云奇，盧海波．螺紋緊固件擰緊工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢[C]//2007年中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2007.

[2]朱正德，林湖.基于螺栓裝配技術(shù)中扭矩法與扭矩/轉(zhuǎn)角法比較與應(yīng)用研究[J].柴油機設(shè)計與制造，2005,14 (2) :14-17. ZHU Z D,LIN H.Comparison and Application Analysis of Torque Method and Torque/Rotation Method for Bolt Assembly[J].Design and Manufacture of Diesel Engine,2005,14(2):14-17.

[3]黃健.裝配過程常用擰緊控制策略分析[J].電動工具，2008(2):9-12.

奧升德在2017中國國際橡塑展上推介應(yīng)用于汽車行業(yè)的泛達?尼龍66產(chǎn)品組合

2017年6月21日，垂直一體化尼龍66樹脂生產(chǎn)商——奧升德功能材料在2017中國國際橡塑展上為與會觀眾推介應(yīng)用于汽車行業(yè)的全系列產(chǎn)品。

奧升德展出了采用尼龍66生產(chǎn)、可應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)、機油管理、動力傳動系統(tǒng)、輪胎簾子布以及電子元件的各種汽車零配件。

“如今，駕駛員對汽車性能的期望值要比以往更高。他們希望車輛能夠擁有更尖端的技術(shù)、更出色的性能表現(xiàn)、更高的燃油效率以及更佳的舒適度。”奧升德高性能材料汽車行業(yè)全球業(yè)務(wù)經(jīng)理Philip JESZKE表示。“原始設(shè)備制造商和零配件生產(chǎn)商相信，奧升德世界級的一體化運營模式能夠為他們提供品質(zhì)和供貨保障，從而幫助他們在市場中鞏固競爭優(yōu)勢。”

憑借優(yōu)異的熱阻系數(shù)與耐水解性能，奧升德的尼龍66樹脂與工程塑料產(chǎn)品組合能夠幫助原始設(shè)備制造商實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。泛達?H系列屬于玻璃填充型耐熱品級，可以有效避免引擎蓋下積攢熱量帶來損壞，而且具有耐化學(xué)品腐蝕性，從而使其成為機油管理、活性炭罐、進氣歧管以及汽缸蓋等多種汽車應(yīng)用場合的理想選擇。今年，奧升德將展示面向汽車領(lǐng)域量身打造的多款尼龍66創(chuàng)新產(chǎn)品，其中包括：(1)在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)等苛刻應(yīng)用環(huán)境，泛達?HR系列能夠提供行業(yè)最佳的耐熱和耐水解老化性能。(2)應(yīng)用于對燃油效率要求較高的渦輪增壓發(fā)動機中，奧升德的泛達?HT系列能夠有效防止機器在長期熱暴露后出現(xiàn)性能退化現(xiàn)象。

奧升德的泛達?J系列屬于玻璃填充型品級，具有電中性、不含鹵素，耐熱性極佳，可以在高于155 ℃的持續(xù)超高溫環(huán)境中使用。泛達?J系列品級的絕緣電阻率較高，非常適用于混合動力車與電動車。今年，奧升德將在展會上推介J系列產(chǎn)品家族的以下材料：泛達?R515J, R530J 和 R535J玻璃填充型品級，具有電中性和熱穩(wěn)定性，能夠為薄壁零部件鑄造工藝提供出色的流動性，而且可以提高生產(chǎn)率。

“我們看到，作為傳統(tǒng)金屬材料的一種多功能替代材料，尼龍66已經(jīng)充分展示了它的優(yōu)勢。它可以通過減輕汽車整體質(zhì)量來提升燃油效率，而且無須以犧牲性能表現(xiàn)或駕駛舒適度作為代價。”奧升德亞洲汽車技術(shù)經(jīng)理David LIU如是說。“我們致力于推動全球尼龍66產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。這是我們能夠與客戶開展長期合作、率先開發(fā)創(chuàng)新型塑料解決方案、順利應(yīng)對汽車行業(yè)各種挑戰(zhàn)的重要基礎(chǔ)。”

(來源：俞慶華)

Technics of Torque Fastening in Automobile Production

DAI Li

(BYD Auto Industry Co., Ltd.,Shenzhen Guangdong 518118,China)

With the development of automobile industry，the fastening process is a core technology which has been improved in the assembly plant. As a final vehicle product manufacturing process, how to make the parts in the most appropriate and most economical way together is particularly important.This not only relates manufacturing cost，but also determines the driving safety of life and property. Through the effective and stable fastening process controlling，the produced vehicles were ensured at a higher level of quality.

Automobile; Assembly plant; Torque fastening process

2017-04-29

戴力(1986—), 男, 學(xué)士,助理工程師,研究方向為擰緊工藝、自動化設(shè)備、信息系統(tǒng)。E-mail：506888922@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.016

U466

A

1674-1986(2017)07-057-07