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，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，是汽車制造過程關鍵一環，螺紋副連接是汽車行業運用最廣泛的連接工藝。螺紋副連接的預緊力是否可靠，緊固扭矩的裝配質量和運行能否有效保障，主要受兩方面影響：合理設定所裝配的緊固扭矩設計值，以及對螺紋副扭矩的緊固進行有效控制。

進行螺紋副連接的緊固扭矩過程能力的分析，是對汽車螺紋副連接質量及運行可靠性保障能力的評估。而本文探討的汽車尿素噴射系統中用于緊固尿素罐的兩條拉帶螺栓，是行業內較常見的一種含螺紋副連接的形式，其結構為兩端各一個T形螺栓與中間的拉帶（帶材）焊接連接形成（如圖1所示），但目前這種結構的緊固扭矩缺乏完善的分析計算方法，主要參考經驗公式和工藝試驗，同時在采用扭矩控制法緊固時，緊固特性與常規緊固件有一定的差異。這增加了明確緊固扭矩設計值和保障裝配可靠性質量的難度。

本文對這種拉帶螺栓采用扭矩控制法進行緊固扭矩的工藝試驗，其設計值為雙向容差，采用SPC（統計過程控制）的分析方法，進行該工藝與設計期望正態一致性程度的評估檢驗，分析過程能力指數(Cpk值)，進行均值-極差（Xbar-R）控制圖分析。

1 產品結構和過程能力試驗方法

1.1 產品結構

尿素箱總成產品（如圖2所示）由拉帶螺栓（2條）、螺母（4個）、L形支架、橡膠條（2條）、尿素罐、計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形支架和計量泵支架固定尿素罐；螺紋的規格為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 拉帶螺栓結構

圖2 尿素箱總成結構

1.2 過程能力試驗過程

參考歐系汽車廠采用扳手測螺栓發生屈服時來估算緊固扭矩的經驗[1]，以尿素箱總成零件達到屈服為參考目標，進行緊固扭矩的工藝試驗，得出緊固扭矩設定值目標為5Nm±2Nm。

抽樣30件小批試生產驗證中的尿素箱總成，依次進行樣件左右2條拉帶螺栓的緊固測試。螺紋緊固采用扭矩控制法，先對拉帶螺栓底部螺栓進行安裝緊固，然后使用杜派TDIS-40定扭氣扳手依次進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），扳手的預設扭矩為5Nm（達到設定扭矩自動斷氣）；最后使用數顯式扭力扳手，在2分鐘內測取記錄扭矩讀數。測量結果見表1。

表1 拉帶螺栓螺紋副連接緊固扭矩 單位：Nm

2 緊固扭矩的統計過程控制分析

2.1 正態性檢驗

雙向容差的汽車批量產品生產過程中，在沒有特殊偏差下，一般是服從正態分布規律的，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]隨機抽樣數據下，產品穩定狀態下的過程標準偏差(σ)未知，我們假設拉帶螺栓的緊固扭矩隨機測量值，服從產品期望緊固值（5Nm）要求正態分布 X～N(μ，σ2)，其誤差可信程度為 95%；則可采用“t檢驗”[3]的統計量進行假設檢驗（即μ的檢驗）。

假設檢驗方法為：以樣本的標準偏差S代替穩定過程中產品的σ值，進行無偏估計；得出拒絕這種符合正態性假設的拒絕域條件為：。為扳手的預設扭矩值5Nm，置信水平?。p尾檢驗），則查表。計算得：左側；右側 S=0.51，。則可知右側拉帶螺栓的扭矩檢測數據，在 95%的顯著性水平下接受前述的假設檢驗，認為符合正態分布規律；而左側雖然，但按檢驗公式衡量：在0.05的顯著性水平下，是拒絕這30組數據近似服從正態分布假設的，主要是由于4.799Nm的均值扳手設定值中心偏差較大所致。

對左側拉帶螺栓樣本也可以采用“p檢驗”[2][3]。在EXCEL工作表中按公式TDIST（2.20，29，2）計算，得出其雙邊檢驗的概率p值為0.0354，與“t檢驗”的假設檢驗結論一致。

2.2 過程能力指數（Cpk）分析

忽略產品過程中心偏移：產品過程能力的評價可按Cp=T/6σ≈T/6 ，T為產品公差要求；抽樣的隨機測試數據的處理，應以S代替σ值進行無偏估計。

實際上近似正態分布的測量數據樣本與扳手設定值的設計要求是存在中心偏移的，因此本文工序試驗的過程能力應按Cpk（過程能力指數）[4]進行評價。計算按式（1）：

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

樣本的標準差S，按式（2）計算[4]

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

左側拉帶螺栓數據樣本計算結果為：S=0.49，Cp=1.36，ε=0.20，Cpk=1.22；右側結果為：S=0.51，Cp=1.30，ε=0.04，Cpk=1.27。左右兩側的Cpk值均在1.0到1.33之間。

表明了該過程能力尚可，但未達到過程能力充足的評價等級要求；仍需注意控制，防止發生大的波動[5]。

minitab軟件得出的左右兩側過程能力直方圖如圖3、圖4所示。

圖3 左側拉帶螺栓緊固能力直方圖

圖4 右側拉帶螺栓緊固 能力直方圖

2.3 極差-均值控制圖分析

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

表2 -R控制圖控制界限計算公式

表2 -R控制圖控制界限計算公式

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

圖5 樣件的控制圖（左右側整體）

圖6 樣件R控制圖 （左右側整體）

若單獨對樣件左側與右側的緊固扭矩樣本進行受控狀態分析。控制圖控制線準則按 CL=μ，μ±3σ判定。左側與右側緊固扭矩樣本控制圖如圖7、圖8所示。

圖7 左側緊固帶扭矩控制圖

圖8 右側緊固帶扭矩控制圖

可以看出：檢測生產過程中抽樣的樣件緊固扭矩值，其緊固扭矩的過程生產是可控的。（連續30均未超出上、下控制線界限；在控制域內未出現間斷、傾向、周期等異?，F象；若按“界內點排列不隨機判異”評判[6]，右側緊固帶扭矩中有兩組點連續3點中有2點落在中心線同一側的B區外，如批產過程則需引起關注）。

3 統計過程分析的數據結論

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

2）Cpk值：左右兩側扭矩值的Cpk值均在1.0到1.33之間。按評價標準：工序能力均都不充足，若認可本試驗過程則在實施時需注意控制和監控。在本案例中，在未驗證出更優扭矩緊固控制方法和產品改進之前，可以考慮臨時采用這種工藝生產，但要求工藝必須制定扳手定期標定計劃和加強檢測等措施。

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

4 結論

由于尿素箱總成的拉帶螺栓緊固扭矩，比常規螺紋副的扭矩緊固更難以進行控制；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數據，借助SPC工具進行過程能力分析。包括：樣本是否與設計設定要求一致程度的正態性假設檢驗，過程能力分析（CPK值評價），通過控制圖進行過程穩定性及可控性的分析。

數據表明：1）杜派TDIS-40定扭氣扳手在緊固過程中，可能會產生“中心偏差”，進而難以接受顯著水平0.05下的假設檢驗；2）樣件緊固扭矩過程能力均不充足，如臨時接受按此工序進行生產，則需加強生產過程的控制和檢測。3）生產過程基本上是穩定、可控的。

根據分析結論，一方面考慮提升泵支架剛度和增加尿素罐厚度等產品設計優化，改善緊固扭矩設定值要求；另一方面考慮通過改進扭矩控制方法、改進扳手工具、制定過程監測控制計劃等控制措施，滿足產品質量保障要求。