追溯曲線在分析擰緊問(wèn)題中的應(yīng)用

劉良剛，劉占鋒，王光輝

（蘇州匯川聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，江蘇 蘇州 215500）

當(dāng)前螺栓緊固件被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空、 通用電子等各行各業(yè)，作為“工業(yè)之米”，尤其是在汽車(chē)行業(yè)有著不可替代的重要作用。為此，從業(yè)者已對(duì)擰緊的上下游做了大量的研究工作，本文作者結(jié)合自身多年擰緊工具制造商和主機(jī)廠裝配擰緊過(guò)程控制的從業(yè)經(jīng)歷，希望通過(guò)自身對(duì)裝配擰緊典型案例的失效分析經(jīng)驗(yàn)分享和思考，給廣大讀者和螺栓緊固工藝研究人員帶來(lái)幫助和提高。

1 螺栓斷裂問(wèn)題

通常造成螺栓斷裂（見(jiàn)圖1）的主要原因有螺栓重復(fù)擰緊、螺栓過(guò)屈服、螺栓本身強(qiáng)度不足、設(shè)備下壓力度過(guò)大等。下面通過(guò)對(duì)一些典型問(wèn)題的案例分享以及曲線分析分別進(jìn)行介紹[1]。

圖1 某螺栓斷裂照片

1.1 重復(fù)擰緊造成螺栓斷裂

在某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車(chē)間，部分螺栓擰緊工位被定義為屈服擰緊控制即采用扭矩加轉(zhuǎn)角控制策略[2]，這些螺栓本身不容許出現(xiàn)重復(fù)擰緊。從理論角度來(lái)講，螺栓擰緊本身已經(jīng)進(jìn)入塑性區(qū)間，一旦重復(fù)擰緊有極大可能性造成螺栓的斷裂。

從追溯系統(tǒng)的狀態(tài)記錄顯示來(lái)看，該位置螺栓在極短時(shí)間3秒之內(nèi)，被再次擰緊。而正常螺栓緊固的間隔時(shí)間在7秒以上。因此，判定該位置螺栓被重復(fù)擰緊。

另外，從圖2中擰緊扭矩對(duì)角度對(duì)比曲線來(lái)看，A螺栓擰緊趨勢(shì)顯示擰緊的正常角度跨度在25°左右，而失效的B螺栓在第一次擰緊后，B螺栓重復(fù)擰緊整體跨度角度僅3°，再次說(shuō)明該B螺栓擰緊位置發(fā)生了重復(fù)擰緊。

對(duì)于該失效，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查因該位置螺栓等級(jí)為12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓采用扭矩加轉(zhuǎn)角策略，實(shí)際B螺栓第一次，擰緊曲線頂端觀測(cè)已經(jīng)進(jìn)入屈服區(qū)間。而該新員工并未對(duì)螺栓進(jìn)行更換，直接對(duì)該處螺栓再次擰緊，重復(fù)擰緊曲線顯示為B螺栓復(fù)擰曲線。由此，螺栓發(fā)生過(guò)屈服斷裂[3]。針對(duì)此類(lèi)型失效，一方面，建議從管理維度，將該工位的螺栓禁止重復(fù)使用明確進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)劃和作業(yè)指導(dǎo)文件中，并加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)管理；另一方面，建議工程技術(shù)人員增加以下邏輯防錯(cuò)控制，即出現(xiàn)擰緊不合格時(shí)，且廢料盒收到不合格螺栓丟棄信息后，再利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）發(fā)送使能信號(hào)，讓擰緊工具啟動(dòng)，否則工具被鎖定無(wú)法啟動(dòng)。通過(guò)上述兩個(gè)方面的措施改進(jìn)努力，降低類(lèi)似問(wèn)題再發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 追溯系統(tǒng)螺栓重復(fù)擰緊曲線詳情

1.2 螺栓強(qiáng)度不足造成螺栓斷裂

某擰緊工位目標(biāo)擰緊扭矩為（28±3）Nm，螺栓等級(jí)為8.8級(jí)，擰緊曲線如圖3所示。其中，左側(cè)正常螺栓擰緊曲線到達(dá)貼合面之后扭矩陡升顯著，并在到達(dá)目標(biāo)扭矩后立即下降。而異常螺栓在扭矩峰值尚未達(dá)到28 Nm情況下，從異常螺栓的曲線軌跡來(lái)看，曲線頂部出現(xiàn)較長(zhǎng)平緩區(qū)間發(fā)生塑性變形，并最終發(fā)生斷裂。

圖3 追溯系統(tǒng)螺栓強(qiáng)度不足屈服擰緊曲線詳情

進(jìn)一步對(duì)該異常批次螺栓抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，該批次螺栓抗拉強(qiáng)度不符合要求，標(biāo)準(zhǔn)最低要求800 MPa，實(shí)際均在800 MPa 以下，具體如表1所示。

表1 不合格批次螺栓抗拉強(qiáng)度測(cè)量值

1.3 過(guò)擰造成螺栓斷裂

圖4為某固定式擰緊軸自動(dòng)擰緊工位的失效曲線對(duì)比詳情，從曲線上看，失效位置螺栓被多次擰緊，最后一次擰緊如左側(cè)虛線所示，峰值扭矩已經(jīng)最大，達(dá)到了18 Nm左右，遠(yuǎn)高于正常扭矩設(shè)定范圍（11.5±1.5）Nm。由于過(guò)扭擰緊導(dǎo)致螺栓斷裂。

圖4 追溯系統(tǒng)螺栓過(guò)擰緊曲線詳情

通過(guò)分析和現(xiàn)場(chǎng)了解，該工位有重試功能，當(dāng)螺栓第一次擰緊不合格后，系統(tǒng)容許多次擰緊，直至擰緊合格。

針對(duì)類(lèi)似問(wèn)題，一方面建議將重試功能取消或設(shè)定最高重試次數(shù)為3次，且重試需將螺栓初始認(rèn)帽工藝參數(shù)設(shè)置為反松后再試；另一方面，建議在擰緊程序中增加最大安全扭矩限制，比如將該工位設(shè)定15 Nm，將可有效避免螺栓斷裂情況發(fā)生。

2 擰緊不合格問(wèn)題

2.1 擰緊螺栓未貼合

這種情況，較多見(jiàn)于自攻螺栓的擰緊過(guò)程（見(jiàn)圖5），研發(fā)僅提供了制造工藝目標(biāo)扭矩和精度要求，而詳細(xì)的過(guò)程參數(shù)設(shè)定和調(diào)整則更多依靠制造過(guò)程中裝配工藝技術(shù)人員不斷的完善和優(yōu)化調(diào)整。

圖5 某自攻螺栓擰緊未貼合

通過(guò)調(diào)取追溯系統(tǒng)中的擰緊曲線，如圖6所示，正常螺栓和異常螺栓擰緊扭矩均已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)扭矩，但是異常螺栓螺栓全過(guò)程的擰緊角度相比較正常螺栓少了1 000°左右[4]。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，該自攻螺栓的擰緊過(guò)程受螺紋孔大小、螺栓規(guī)格大小、下壓力度、擰緊程序設(shè)置是否合理等多種因素影響。

圖6 螺栓擰緊未貼合追溯曲線詳情

針對(duì)這種情況，可以通過(guò)優(yōu)化擰緊程序，將全過(guò)程的監(jiān)控角度的范圍收窄，可以臨時(shí)進(jìn)一步提高該潛在失效的探測(cè)效果。最終，可以通過(guò)對(duì)原材料螺栓和螺紋孔的尺寸改善，實(shí)現(xiàn)杜絕該類(lèi)潛在擰緊未貼合問(wèn)題的目的。

2.2 螺栓漏擰緊

某工位采用阿特拉斯品牌手持電動(dòng)擰緊工具對(duì)4顆螺栓進(jìn)行擰緊，PLC和擰緊工具控制邏輯中，已設(shè)置了計(jì)數(shù)功能，即收到4個(gè)合格信號(hào)后，工件才可放行。

其中有一個(gè)螺紋孔（#1位置）內(nèi)部及表面均無(wú)任何擰緊過(guò)痕跡，實(shí)際按照擰緊順序操作的話，是對(duì)應(yīng)最后一顆擰緊位置，懷疑該處存在漏擰緊情況，如圖7所示。

通過(guò)對(duì)擰緊追溯曲線，結(jié)合全過(guò)程角度值的分布情況（圖8），可見(jiàn)第三顆異常螺栓位置，螺栓旋入角度異常（米字標(biāo)記）較正常角度明顯低了很多，離散非常明顯。可見(jiàn)，該第三顆位置螺栓被重復(fù)擰緊且被錯(cuò)誤地進(jìn)行了螺栓擰緊數(shù)量累加。

圖7 第四顆位置螺栓失效詳情

圖8 第三顆螺栓重復(fù)擰緊追溯旋入角度詳情

由本案例分析可見(jiàn)，重復(fù)擰緊和漏擰緊多數(shù)情況下是相伴相隨的。

為了規(guī)避這種情況，一方面建議收嚴(yán)監(jiān)控角度，由于本例中正常擰緊角度在4 000°以上，可將電動(dòng)擰緊工具的全過(guò)程監(jiān)控下限角度設(shè)置到4 000°或更高，可有效探測(cè)該失效；另一方面，可通過(guò)增加定位臂和位置編碼器，有效識(shí)別擰緊位置，確保螺栓按照正確的位置被擰緊，進(jìn)而防止出現(xiàn)因重復(fù)擰緊造成的其他位置漏擰緊情況產(chǎn)生。

2.3 螺紋孔偏大導(dǎo)致擰緊不合格

某工位采用阿特拉斯QST固定式擰緊軸半自動(dòng)同步擰緊7顆自攻螺栓。工藝扭矩設(shè)定要求為11.5 Nm±1.5 Nm。

如圖9所示，正常產(chǎn)品擰緊時(shí)間為6 s左右到達(dá)目標(biāo)扭矩11.5 Nm。而失效螺栓虛線擰緊曲線所示的擰緊扭矩始終在3 Nm以下，遠(yuǎn)未達(dá)到目標(biāo)扭矩11.5 Nm，且用時(shí)超過(guò)10 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工件擰緊所需時(shí)間6 s左右。

由于該工位螺栓為自攻螺栓，當(dāng)擰緊完成之后，預(yù)置螺紋光孔已被攻出牙型，無(wú)法確認(rèn)第一現(xiàn)場(chǎng)。而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的同軸度調(diào)查了解，擰緊軸套筒和螺栓已經(jīng)完全落座，并確認(rèn)螺栓已順利進(jìn)入螺紋孔。因此，排除了因設(shè)備對(duì)中不佳，造成螺栓無(wú)法順利進(jìn)入螺紋孔進(jìn)而扭矩?zé)o法上升的情況。后經(jīng)過(guò)進(jìn)料質(zhì)量技術(shù)人員對(duì)裝配產(chǎn)線后續(xù)新上線產(chǎn)品螺紋孔徑尺寸排查檢測(cè)確認(rèn)（見(jiàn)表2），最終確認(rèn)因螺紋孔尺寸偏大[5]，要求5.48 mm到5.58 mm，實(shí)際均大于5.58 mm，導(dǎo)致擰緊扭矩?zé)o法到位。針對(duì)該種失效，擰緊設(shè)備會(huì)100%進(jìn)行攔截報(bào)警無(wú)流出質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)原材料加工制成的進(jìn)一步調(diào)查分析，產(chǎn)生原因系原材料刀具管理不到位，用錯(cuò)絲錐導(dǎo)致[6]。為避免該類(lèi)問(wèn)題，除提高對(duì)換刀的變更管理納入跨部門(mén)評(píng)審以外，裝配產(chǎn)線后續(xù)也針對(duì)該失效增加進(jìn)料抽檢頻次，盡可能將該潛在問(wèn)題對(duì)裝配產(chǎn)線的合格直通率和返工返修影響降到最低。

圖9 某工位扭矩對(duì)角度追溯曲線對(duì)比詳情

表2 螺紋孔徑實(shí)際測(cè)量值

3 總結(jié)

通過(guò)上述現(xiàn)場(chǎng)擰緊問(wèn)題調(diào)查以及對(duì)擰緊追溯曲線的對(duì)比分析，可見(jiàn)針對(duì)裝配擰緊問(wèn)題的調(diào)查，需要深入裝配現(xiàn)場(chǎng)，做到現(xiàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)物，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等多個(gè)維度，系統(tǒng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亻_(kāi)展各項(xiàng)調(diào)查工作，才能夠?qū)Q緊問(wèn)題抽絲剝繭，找到根本原因。另外，通過(guò)這些案例的分析處理，也再次說(shuō)明了擰緊追溯系統(tǒng)的重要性，完善的擰緊追溯系統(tǒng)曲線和過(guò)程數(shù)據(jù)的堆疊分析功能給問(wèn)題調(diào)查帶來(lái)極大便利，加快鎖定問(wèn)題根本原因，為裝配擰緊制程管控水平和效率提升帶來(lái)巨大幫助。

當(dāng)然追溯系統(tǒng)是幫助分析和解決擰緊問(wèn)題的其中一個(gè)手段，擰緊裝配過(guò)程是否能夠全生命周期穩(wěn)定受控，依然需要建立在嚴(yán)謹(jǐn)充分的正向產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證，原材料和制程緊固裝配全產(chǎn)業(yè)鏈上下游系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)上，希望通過(guò)本文的總結(jié)歸納，從追溯系統(tǒng)的角度給廣大從業(yè)者提供一些借鑒和思考，幫助廣大從業(yè)者更好地分析和處理裝配擰緊問(wèn)題。