關(guān)于發(fā)動機連桿螺栓擰緊過程擰緊機報警的分析

韋家襯，龐承可

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

0 前言

目前工業(yè)上螺栓擰緊的主要控制方法有扭矩控制法、扭矩-角度控制法和屈服點控制法。連桿作為發(fā)動機中的重要部件，普遍采用扭矩-角度控制法。然而，扭矩-角度控制法存在一個缺點，即不易對擰緊結(jié)果進(jìn)行檢查。目前工業(yè)上主要有兩種方法來避免扭矩-角度控制法的缺點帶來的風(fēng)險：一種是定期檢測擰緊機擰緊螺栓后的預(yù)緊力，確保設(shè)備的穩(wěn)定性；另一種是利用擰緊扭矩的正態(tài)分布特性計算擰緊扭矩的控制范圍，利用扭矩對擰緊結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。某發(fā)動機的連桿螺栓，使用扭矩-角度控制法擰緊，以擰緊機擰緊扭矩作為監(jiān)控。設(shè)備在使用一段時間后，擰緊機頻繁發(fā)生報警，擰緊機顯示的擰緊角度合格，顯示的擰緊動態(tài)扭矩小于設(shè)定的監(jiān)控值，平均報警率高達(dá)14.38%，嚴(yán)重影響了車間的正常生產(chǎn)。

1 擰緊機報警的可能原因

在螺紋緊固件的裝配過程中，扭矩系數(shù)的影響因素有很多，且影響的程度各不相同，主要有表面粗糙度、表面處理、表面介質(zhì)、擰緊速度及溫度等[1]。按照七鉆法的思路對可能存在的原因逐步進(jìn)行分析。

1.1 擰緊機未標(biāo)定

經(jīng)過對現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行調(diào)查，裝配車間安裝有中央空調(diào)，裝配環(huán)境溫度恒定，可排除環(huán)境溫度的影響。前三鉆可能存在的問題就是擰緊設(shè)備因長期未標(biāo)定，擰緊數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致擰緊機報警。

1.2 連桿總成存在質(zhì)量問題

連桿的材料、硬度、清潔度、粗糙度及表面潤滑等因素均會影響螺栓扭矩的大小。如果這些因素在生產(chǎn)過程中發(fā)生變異，超出設(shè)計要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍，最終影響到螺栓擰緊扭矩的大小，可能會導(dǎo)致擰緊機發(fā)生報警。

1.3 工藝參數(shù)設(shè)定不合理

扭矩只是一個監(jiān)控值作為參考，螺栓連接需要的是被連接體間的軸向壓緊力。擰緊的扭矩雖然與壓緊力成正比，但其比例系數(shù)隨摩擦系數(shù)的不同，離散度較大[2]。影響摩擦系數(shù)的表面粗糙度、清潔度、表面潤滑等因素，在生產(chǎn)過程中會因人員的變動、使用新的設(shè)備、模具的磨損、不同的原材料或者外界環(huán)境的變化等而發(fā)生變異，導(dǎo)致摩擦系數(shù)在不同時間段內(nèi)有所差異。摩擦系數(shù)的變化導(dǎo)致螺栓擰緊后扭矩的偏移，如偏移過大超出擰緊機的監(jiān)控值則會導(dǎo)致擰緊機報警。但如果此時軸向壓緊力合格，則需要重新設(shè)定工藝參數(shù)。

1.4 連桿總成設(shè)計不合理

如果連桿或者連桿螺栓在設(shè)計時選用的粗糙度、硬度等公差范圍過大，會導(dǎo)致生產(chǎn)出來的連桿總成一致性差。在擰緊機擰緊連桿螺栓后擰緊扭矩經(jīng)常發(fā)生偏移，導(dǎo)致擰緊機報警。

2 對可能原因進(jìn)行排查

以上分析了設(shè)備報警可能存在的原因，對可能存在的原因需逐一對其進(jìn)行驗證，以確認(rèn)其是否是導(dǎo)致設(shè)備報警的真正原因。

2.1 標(biāo)定擰緊機

車間使用的連桿螺栓擰緊機屬于半自動四軸擰緊設(shè)備，精度等級為3級，經(jīng)專業(yè)人員使用更高精度等級的扭矩儀對擰緊機進(jìn)行標(biāo)定，對標(biāo)定數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1.

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄及分析

分析結(jié)果顯示，動態(tài)扭矩的最大相對誤差為0.86%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的3%，符合設(shè)備精度等級要求。

2.2 連桿總成質(zhì)量檢測

根據(jù)圖紙及相關(guān)技術(shù)文件的要求，分別測量連桿體、連桿蓋及連桿螺栓的材料和硬度，均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，檢測連桿總成的清潔度沒有超標(biāo)。

連桿蓋與連桿螺栓結(jié)合面處及連桿螺栓法蘭面處的粗糙度設(shè)計值均為Ra3.2.使用粗糙度儀檢測連桿蓋與連桿螺栓結(jié)合面處粗糙度為Ra1.3～Ra2.3，連桿螺栓法蘭面的粗糙度為Ra1.1～Ra1.6.

2.3 驗證工藝參數(shù)

經(jīng)過以上分析可知，前四鉆沒有問題，接下來需要調(diào)整工藝參數(shù)降低擰緊機報警率。在調(diào)整工藝參數(shù)前，需確保在現(xiàn)有設(shè)計和工藝參數(shù)不變的條件下，螺栓擰緊后軸向預(yù)緊力是合格的，即導(dǎo)致螺栓擰緊后扭矩偏移的因素的變化不會影響到螺栓最終的軸向預(yù)緊力。

2.3.1 測量連桿螺栓預(yù)緊力

用測伸長量法測量螺栓預(yù)緊力。螺栓擰緊前使用千分尺測量螺栓長度，然后使用現(xiàn)有設(shè)計和工藝參數(shù)對螺栓進(jìn)行擰緊后再松開，對松下的螺栓再使用千分尺測量螺栓長度。根據(jù)螺栓擰緊前后螺栓長度的變化量及圖1所示的“螺栓預(yù)緊力-塑性變形量間特性試驗曲線”，得到螺栓的預(yù)緊力，結(jié)果如表2.

圖1 預(yù)緊力-塑性變形量間特性試驗曲線

表2 連桿螺栓預(yù)緊力測量記錄

螺栓設(shè)計的塑性變形量為0.3～0.8 mm，從測量記錄表可以看出，按現(xiàn)有設(shè)計和工藝參數(shù)對螺栓進(jìn)行上緊，螺栓最小變形量0.050 mm，最大變形量0.064 mm，平均0.057 mm，符合螺栓設(shè)計要求。

2.3.2 驗證擰緊轉(zhuǎn)速對擰緊扭矩的影響

研究表明，螺栓的摩擦系數(shù)隨擰緊轉(zhuǎn)速的增大而減小；扭矩系數(shù)與摩擦系數(shù)呈同增減趨勢[3]。將擰緊機“角度控制、扭矩監(jiān)控器”階段的轉(zhuǎn)速由原來的20 rpm降低至10 rpm，并記錄擰緊機報警情況。根據(jù)驗證記錄，調(diào)整擰緊機轉(zhuǎn)速后擰緊機報警率為13%，相比調(diào)整前的報警率沒有多大改變，如繼續(xù)降低擰緊轉(zhuǎn)速則影響了工位生產(chǎn)節(jié)拍，因此終止了繼續(xù)降低擰緊轉(zhuǎn)速的驗證。

2.3.3 驗證監(jiān)控扭矩范圍是否合理

收集擰緊機擰緊后動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)，取1 000個連桿螺栓擰緊扭矩數(shù)據(jù)，列出其分布情況并分析計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 螺栓擰緊扭矩分布圖

由圖2看出，將監(jiān)控扭矩下限值設(shè)定為19 N·m并不合理。根據(jù)正態(tài)分布計算，X±3 δ范圍為（16.5~27）N·m.

3 措施實施及驗證

根據(jù)以上分析，擰緊機報警原因為設(shè)備的扭矩監(jiān)控范圍設(shè)置不合理，根據(jù)計算結(jié)果，將擰緊機扭矩監(jiān)控范圍設(shè)置為16.5~27 N·m.監(jiān)控扭矩只是擰緊機的一個監(jiān)控參數(shù)，更改此參數(shù)不會影響螺栓擰緊后的預(yù)緊力，因此更改監(jiān)控值后不需要重新測量螺栓預(yù)緊力。

調(diào)整擰緊機扭矩監(jiān)控范圍后，對車間裝配過程連桿螺栓擰緊機報警情況進(jìn)行記錄，并繪制報警率趨勢圖，如圖3所示。

根據(jù)圖3所示趨勢圖可見，經(jīng)過重新調(diào)整擰緊機扭矩監(jiān)控值后，設(shè)備報警率已下降至1%以下。

圖3 擰緊機扭矩監(jiān)控范圍調(diào)整前后報警率趨勢圖

4 結(jié)論

使用扭矩-角度控制法擰緊的螺栓，其最終扭矩對摩擦系數(shù)比較敏感，導(dǎo)致最終扭矩比較分散。如果通過控制粗糙度、表面潤滑等的一致性以便降低摩擦系數(shù)的分散程度，勢必會大大增加生產(chǎn)成本，而對發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量并沒有多大提升。擰緊機的扭矩監(jiān)控值是在特定條件下通過統(tǒng)計計算得出的，只能在一段時間內(nèi)起作用，當(dāng)擰緊機最終擰緊扭矩不在監(jiān)控值范圍內(nèi)時，應(yīng)盡快查找前四鉆是否存在問題。在確認(rèn)前四鉆沒有問題且螺栓預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計要求的前提下可以更改擰緊機的扭矩監(jiān)控值，繼續(xù)正常生產(chǎn)而不會影響發(fā)動機質(zhì)量。但如果調(diào)整擰緊機扭矩監(jiān)控值過于頻繁，則應(yīng)考慮從設(shè)計上減小零件設(shè)計公差，提高零件的一致性以降低調(diào)整擰緊機扭矩監(jiān)控值的頻率。