利用螺栓擰緊曲線調(diào)整優(yōu)化擰緊策略

張 俊

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438）

在發(fā)動機(jī)制造過程中，螺紋聯(lián)接是應(yīng)用最廣泛的聯(lián)接方式，也是占比最大的作業(yè)過程。以某型2.0 L柴油發(fā)動機(jī)為例，發(fā)動機(jī)物料共計288種720個，其中螺紋聯(lián)接件物料共106種327個，種類和個數(shù)的占比分別為36.8%和45.4%。可見，在發(fā)動機(jī)制造過程中，螺紋聯(lián)接件裝配質(zhì)量控制的重要性。通過對發(fā)動機(jī)裝配過程中某螺栓擰緊問題及發(fā)動機(jī)螺栓擰緊曲線的分析，得出優(yōu)化改善擰緊策略的辦法。

1 螺栓擰緊工具的發(fā)展

在對產(chǎn)品質(zhì)量、過程防錯要求以及生產(chǎn)自動化、智能化水平要求日益提高的情況下，發(fā)動機(jī)螺紋聯(lián)接件的裝配方式已基本淘汰了使用油壓脈沖扳手和定扭矩咔噠扳手作為批量生產(chǎn)裝配工具的方式，取而代之的是以電動擰緊軸和手持式電動擰緊扳手為代表的扭矩控制動力工具。與前者相比，扭矩控制動力工具具有兩方面優(yōu)勢。一方面，螺栓的擰緊結(jié)果（是否符合設(shè)定要求、最終結(jié)果數(shù)據(jù)）可以即時顯示，從而可以即時判別、即時處置。另一方面，螺栓的擰緊可以由結(jié)果控制進(jìn)化為過程控制，擰緊策略由“簡單的數(shù)據(jù)結(jié)果+合格/不合格判定信號”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱煞植綌Q緊+全過程數(shù)據(jù)采集和控制”[1]。

扭矩控制動力工具在螺栓擰緊過程中記錄的“角度、扭矩、速度、時間”信息，見圖1。

圖1 螺栓的擰緊曲線

擰緊曲線具有相對穩(wěn)定性。當(dāng)某擰緊參數(shù)（螺紋聯(lián)接件、裝配環(huán)境、擰緊程序參數(shù)等）不變時，其擰緊曲線是相對穩(wěn)定的。擰緊曲線可以表征整個擰緊過程是否正常。針于擰緊過程中遇到的問題，它可以幫助分析推測成因，進(jìn)而解決問題。

2 某擰緊過程報錯問題的發(fā)現(xiàn)

某型2.0 L柴油發(fā)動機(jī)油底殼螺栓使用16顆M6螺栓固定在機(jī)體下框架上。該螺栓使用機(jī)器人控制的4軸電動擰緊機(jī)自動供釘、自動擰緊[2]。由于產(chǎn)品變型需要，該發(fā)動機(jī)油底殼有兩種配置：一種為原始配置油底殼，靜音設(shè)計，三明治結(jié)構(gòu)；另一種為低成本配置油底殼，單層鋼板沖壓結(jié)構(gòu)。油底殼螺栓目標(biāo)扭矩均為14 N·m±1 N·m。低成本配置油底殼為新增變型，投入裝配后頻繁發(fā)生擰緊機(jī)擰緊過程報錯，多次造成生產(chǎn)中斷，成為阻礙正常生產(chǎn)的主要因素（表1為部分報錯螺栓擰緊數(shù)據(jù)）。

表1 部分報錯螺栓擰緊數(shù)據(jù)

3 擰緊過程報錯問題分析

從表1可以看出，擰緊過程報錯的油底殼螺栓一般表現(xiàn)為最終扭矩超出扭矩限制上限（15 N·m）。單從擰緊機(jī)控制器的擰緊結(jié)果上看，只能得到“NOK”的報警和最終扭矩值超出扭矩限制上限信息。這樣的結(jié)果用于生產(chǎn)線過程防錯已足夠，但不足以分析擰緊過程報錯的原因[3]。

從影響螺栓擰緊過程的因素分析，容易通過設(shè)備標(biāo)定和物料數(shù)據(jù)橫向-縱向?qū)Ρ确謩e排除設(shè)備精度因素和物料因素。

對比調(diào)取報錯螺栓擰緊曲線（見圖2的報錯螺栓擰緊曲線）和合格螺栓擰緊曲線（見圖3的合格螺栓擰緊曲線）可以發(fā)現(xiàn)，兩者在扭矩-角度曲線上并無明顯差異，但是扭矩-時間曲線形態(tài)完全不同。合格螺栓扭矩-時間擰緊曲線呈現(xiàn)出明顯的雙峰形態(tài)，符合“多步法擰緊”的擰緊曲線特征，而報錯螺栓扭矩-時間擰緊曲線則是單峰結(jié)構(gòu)。

圖2 報錯螺栓擰緊曲線

圖3 合格螺栓擰緊曲線

結(jié)合從擰緊設(shè)備工作日志可以查詢到的設(shè)備報錯信息（見圖4的事件記錄），可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備報錯發(fā)生在擰緊過程的第3步和第5步。

圖4 事件記錄

查閱該螺栓的擰緊參數(shù)：第1步是軸診斷；第2步是認(rèn)帽；第3步是將螺栓擰緊到8 N·m，檢查“故障安全時間”和“故障安全扭矩”；第4步是將螺栓擰緊到14 N·m，檢查“故障安全時間”“故障安全扭矩”和“峰值扭矩”；第5步是循環(huán)結(jié)束。第3步為“以700 r·min-1的轉(zhuǎn)速正向擰緊到8 N·m”，限制條件為“故障安全時間”和“故障安全扭矩”。

綜合以上分析可知，該擰緊過程故障報錯原因為在擰緊程序擰緊到第3步時，過程扭矩超出了所設(shè)定的安全扭矩限值（15 N·m）和峰值扭矩限值（15 N·m），導(dǎo)致擰緊程序在第3步中止運(yùn)行報警并在第5步“Cycle End”報警，從而報錯螺栓“扭矩/時間”擰緊曲線呈現(xiàn)出單峰形態(tài)[4]。分析擰緊程序擰緊到第3步時超安全扭矩的原因，在于被聯(lián)接件的性質(zhì)（零件一致性差異等）發(fā)生了變化，導(dǎo)致在擰緊過程進(jìn)行到第3步時易扭矩過沖超過安全扭矩限值。

調(diào)閱合格螺栓擰緊曲線后同樣發(fā)現(xiàn)擰緊程序擰緊到第3步時，過程扭矩普遍存在不同程度超出該步設(shè)定扭矩（8 N·m）的現(xiàn)象，佐證了被聯(lián)接件一致性差異導(dǎo)致的扭矩過沖非偶發(fā)現(xiàn)象。

4 擰緊過程報錯問題的解決和驗證

從過程控制角度解決此油底殼螺栓擰緊過程中出現(xiàn)的扭矩過沖導(dǎo)致的超安全扭矩限值報警主要有以下手段。首先，降低過程轉(zhuǎn)速，有效減少扭矩過沖現(xiàn)象；其次，增加擰緊步驟，高速預(yù)擰緊保證節(jié)拍，低速到達(dá)最終目標(biāo)扭矩保證擰緊質(zhì)量；最后，優(yōu)化過程參數(shù)，調(diào)整過程目標(biāo)扭矩值，避免扭矩過沖后超出限值[5]。

本案例中考慮到生產(chǎn)節(jié)拍的需要，采用降低過程目標(biāo)扭矩值的辦法優(yōu)化擰緊策略，調(diào)整和優(yōu)化第3步過程扭矩值，并在調(diào)整擰緊參數(shù)后持續(xù)跟蹤5 000余臺發(fā)動機(jī)80 000余條擰緊曲線，結(jié)果未再出現(xiàn)“超故障安全扭矩限值”和“超過程扭矩峰值”導(dǎo)致的設(shè)備報警現(xiàn)象，驗證了措施的有效性。

5 結(jié)語

不同螺紋聯(lián)接件的過程會以形態(tài)各異的擰緊曲線表現(xiàn)出來，因此擰緊曲線不僅可以幫助識別擰緊過程的結(jié)果，而且可以幫助分析不同的擰緊失效原因和優(yōu)化改善擰緊策略，達(dá)到提高擰緊過程質(zhì)量控制能力和提高生產(chǎn)效率的目的。