汽車安全帶自攻螺栓擰緊程序開發

李高 馮昊 王懿 韓飛

上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部 上海市 201206

1 前言

自攻螺栓，顧名思義即裝配過程自動攻螺紋的螺栓。其具有很好的防松性效果。汽車總裝線上，自攻螺栓大量使用。本文根據與螺栓配合的對手零件材料特性，分成兩類：自攻螺釘（又名螺絲）和自攻螺栓。自攻螺釘應用于被擰緊零件為塑料的場合， 如前后保蒙皮、前后輪罩內襯、內飾版等。螺釘直徑和扭矩普遍較小，一般目標扭矩在1.5Nm，2.5Nm等為多。自攻螺栓則應用于被擰緊零件為金屬的場合，如座椅螺栓、安全帶螺栓、車頂側氣囊螺栓。裝配過程中，自攻螺栓旋入被連接零件的預制孔的過程，靠螺栓的螺紋擠壓，在預制孔內形成內螺紋，達到連接與緊固之目的。 這類螺栓，具有很好的防松性能，其尺寸和結構是法規對汽車安全帶螺栓等的默認推薦形式之一；使用推薦形式之外的螺栓，需要額外證明零件能滿足法規要求。這類螺栓直徑相對較大，扭矩相對較高，如安全帶螺栓標準扭矩達到45Nm。

因自攻螺栓扭矩特性非常特殊，又應用于整車安全關鍵零件，法規要求非常嚴。車企控制計劃中對這些零件的裝配有很高的要求，包括使用電動工具擰緊和進行角度監控等。但如何定制合適的擰緊程序，使電動工具實現最優的擰緊、防錯和監控是擺在車企面前的難題。本論文通過自攻螺栓扭矩特性的分析和實際案例，總結自攻螺栓擰緊程序開發的經驗、方法和技巧。

2 研究方向

2.1 常規螺栓擰緊過程特性分析

如圖1，常規螺栓擰緊過程分成4個階段：認帽（OA）、旋入(AB)、擰緊(BD)和停止(DG)階段。認帽指工具與螺栓配合。旋入指認帽結束，螺栓旋轉到螺帽與工件貼合。擰緊指旋入結束到擰緊到目標扭矩。停止則指擰緊結束到工具完全釋放的過程。其中對擰緊結果影響最大的是擰緊階段(BD)。為獲得良好的擰緊效果（較高的擰緊效率，精準的動態扭矩和更穩定的靜態扭矩），針對擰緊階段一般又分成兩步完成。第一步(BC預緊)以較高速度擰緊到目標扭矩的一半，停頓一會，讓形變充分釋放，再第二步（CD終緊）以較低速度擰緊到目標扭矩。從圖1常規螺栓擰緊過程“扭矩-角度”曲線看出，從工具認帽到螺栓擰緊到目標扭矩，扭矩_角度曲線是持續上升的過程。工具根據扭矩傳感器動態反饋的扭矩來識別和判斷認帽完成、旋入完成、預緊完成、和終緊完成點.并自動切換到下一階段的預設程序。

2.2 自攻螺栓擰緊過程特性分析

見圖2，對自攻螺栓，在螺栓旋入階段，需要對預制孔攻螺紋，從攻絲開始到攻絲完成存在扭矩快速上升然后下降的過程，見AF段曲線。前邊說到，工具根據扭矩傳感器動態反饋的扭矩來識別和判斷認帽完成、旋入完成、預緊完成、和終緊完成點。攻螺紋階段扭矩波峰的出現，并且波峰較高的話，將使工具在攻螺紋階段（AE段）就完成了從旋入到終緊的程序切換。工具將直接以終緊階段的預設程序參數完成剩余旋入和預緊/終緊過程。影響了擰緊的效率（終緊階段程序速度較低）和消除了分步擰緊的優化效果（無擰緊過程形變釋放過程）。

圖1 常規螺栓擰緊過程

自攻螺栓擰緊程序編程的核心，就是通過合適的程序參數設置，過濾自攻階段扭矩波峰的干擾，使工具按照預設的標準， 精確完成旋入、預緊和終緊。

圖2 自攻螺栓擰緊過程（使用常規螺栓擰緊程序）

圖3 自攻螺栓擰緊過程（選用自攻螺栓擰緊程序）

圖4 自攻螺栓擰緊過程（簡化法）

3 自攻程序開發

3.1 自攻長度應用

自攻程序開發核心，是過濾攻螺紋階段扭矩波峰對擰緊程序的影響。最優的方法是引入自攻長度（角度）和自攻扭矩最大值兩個關鍵參數來主動控制，見圖3和表1。在自攻長度范圍內，工具始終按照旋入階段的程序參數運行而不受扭矩影響。自攻角度結束后，再按照常規螺栓的策略，以扭矩大小觸發旋入完成B、預緊完成C、終緊完成D節點，因而保證了擰緊過程的完整性和擰緊程序與螺栓擰緊過程特性的匹配。

表1 自攻螺栓旋入階段關鍵程序參數

3.2 自攻長度以及各程序參數設置建議

自攻長度的選取非常重要，見圖3，其取值應大于AF且小于AB，過大或者過小都會影響程序正常功能。 該角度選定參考下面順序獲取： 以常規擰緊程序擰緊自攻螺栓并且采集“扭矩-角度”曲線-＞ 通過擰緊曲線選取AF和AB段長度的中間值作為自攻長度（角度）-＞根據曲線確定B點扭矩值（B點取曲線拐點右側附近扭矩值，且應大于F點扭矩）。C點一般取扭矩公稱值的50%。D點取扭矩公稱值。自攻扭矩最大值限值默認取發布扭矩的下限（見2.3說明）。

3.3 自攻扭矩最大值限值應用

自攻長度能夠實現擰緊過程的精確控制。但因其過濾了扭矩的影響，以角度優先，若自攻角度設置不合理，如自攻角度AF大于終擰緊角度AD，則會發生過擰緊損壞螺栓。為避免過擰緊發生，可使用“自攻扭矩最大值限值”進行限制，自攻扭矩最大值限值默認取發布扭矩的下限，則自攻過程中，當扭矩達到發布扭矩的下限時，工具停止并報錯，從而避免發生過擰緊后果。

圖5 自攻螺栓擰緊過程（簡化法+外部監控）

圖6 實車擰緊曲線

3.4 自攻螺栓其他程序設置策略

有些工具廠家，其工具缺少上述通過“自攻長度（角度）和自攻扭矩最大值限值”兩個關鍵參數來主動控制工具運行的功能，則需要對擰緊過程進行精簡（見圖4），將認帽、旋入、預緊整合為一個步驟（步驟1），終緊為另一個步驟（步驟2）。步驟1的終止扭矩C需大于自攻階段扭矩最大值（E點扭矩值），且一般小于60%發布扭矩公稱值（若此步驟扭矩值過高， 容易發生過擰緊，擰緊失效率高）。步驟2的終止扭矩取發布扭矩的公稱值。

此策略對攻螺紋過程的精細化控制不足；且當攻螺紋階段扭矩波峰接近或者大于目標扭矩，工具無法實施合格擰緊。

為改善上述“攻螺紋過程精細化控制不足”問題，部分廠家在自攻螺栓擰緊程序中加入了外部監控。（圖5）

通過在程序中加入JH和JK兩個區域的扭矩和角度監控設置（由角度A1，A2，A3，A4和扭矩T1，T2確定），當擰緊完成后，從最終扭矩開始往前計算實際擰緊曲線任意點的扭矩和角度，不與擰緊程序中預設的JH和JK 區域范圍重合，從而判斷實際擰緊過程與自攻螺栓正常的擰緊過程吻合，而達到識別異常和防錯的目的。這種方法也可以理解為“曲線監控”，屬于事后監控。

4 自攻程序編程舉例

以45+/-5Nm安全帶螺栓程序設置為例，參照圖3介紹自攻程序定制具體案例。

4.1 步驟一

關閉擰緊程序“自攻模式”，以目標扭矩45Nm（D點）），扭矩下限40Nm， 扭矩上限50Nm設置常規擰緊程序。認帽階段，角度設為默認值90°。預緊階段結束扭矩（C點）取50%目標扭矩即22.5Nm。

4.2 步驟二

實車擰緊并采集擰緊過程曲線（圖6）。

4.3 步驟三

根據擰緊過程曲線優化程序設置：自攻模式打開，根據曲線觀察，自攻長度取4000°。自攻階段扭矩最大值限值（E點）取目標扭矩下限40Nm。旋入結束扭矩(B點)，應大于自攻完成時的扭矩(F點)，且小于預緊結束扭矩（C點），這里旋入結束扭矩(B點)取20Nm。為使螺栓張力釋放的效果更好，且避免B點(20NM)與C(22.5Nm)扭矩過于接近（相差2.5Nm.只占目標扭矩5.5%，意義不大）把預緊結束扭矩（C點）提高到推薦值上限，即60%目標扭矩，預緊結束扭矩（C點）改為30Nm。

4.4 步驟4

使用自攻程序實車擰緊并采集曲線，檢驗自攻程序擰緊效果，并按需優化。

5 總結

通過電控無線扭矩系統對自攻螺栓擰緊過程數據的采集和分析，能夠發現自攻螺栓的擰緊過程特性，并不斷測試和優化擰緊程序參數設置，為后續各類自攻螺栓擰緊程序的開發提供數據支持和編程指導，以更好的提升實際的擰緊精度和防錯效果，以及縮短量產工廠程序開發周期。