多軸EC擰緊機(jī)擰緊參數(shù)的工藝優(yōu)化

左志強(qiáng)，史智學(xué)，姚 進(jìn)，張文超，郭保強(qiáng)

（陜汽集團(tuán)商用車(chē)有限公司，陜西 寶雞 722405）

汽車(chē)產(chǎn)品零部件與車(chē)架、零部件與車(chē)身，以及零部件之間的連接方式有鉚釘連接、螺紋連接、焊接以及粘接等多種形式。其中以螺紋連接為主要形式，商用汽車(chē)中單車(chē)螺紋連接件品種可達(dá)550 種，數(shù)量可達(dá)7100個(gè)，高強(qiáng)螺紋連接件占比達(dá)到35%，螺紋連接件成本占到商用汽車(chē)成本的1.5%～2.0%。螺紋連接件螺紋失效問(wèn)題占商用汽車(chē)維修問(wèn)題的30%[1-2]，螺紋連接件的裝配、擰緊質(zhì)量受到各商用汽車(chē)廠(chǎng)的高度重視。

在汽車(chē)總裝配車(chē)間，螺紋連接件與零部件之間通過(guò)手動(dòng)擰緊扳手、氣動(dòng)或電動(dòng)擰緊工具擰緊。電動(dòng)伺服控制（Electric Servo Control, EC）擰緊工具憑借擰緊精度髙，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，可以通過(guò)更換套筒來(lái)對(duì)應(yīng)多個(gè)規(guī)格的螺栓、套筒的自動(dòng)識(shí)別自動(dòng)實(shí)現(xiàn)程序切換，滿(mǎn)足一個(gè)工位多個(gè)螺栓、不同扭矩的要求等優(yōu)勢(shì)，逐漸替代傳統(tǒng)的手動(dòng)或機(jī)械擰緊工具[3-4]。

EC擰緊機(jī)擰緊參數(shù)的合理設(shè)定，對(duì)螺紋連接件擰緊質(zhì)量與擰緊結(jié)果的一致性至關(guān)重要，對(duì)汽車(chē)的裝配質(zhì)量與使用性能也會(huì)產(chǎn)生重要影響。

1 問(wèn)題溯源

總裝配線(xiàn)反饋采用四軸EC擰緊機(jī)擰緊C車(chē)型前橋騎馬螺栓過(guò)程中，螺紋批量失效，其表現(xiàn)為四個(gè)擰緊軸中總有一個(gè)軸遲遲達(dá)不到目標(biāo)扭矩，該軸所擰緊螺栓一側(cè)螺紋大面積失效，另一 側(cè)完好；螺母螺紋整體失效，如圖1所示。

圖1 螺紋失效圖

2 排查過(guò)程

針對(duì)總裝配線(xiàn)反饋的C車(chē)型前橋騎馬螺栓螺紋批量失效問(wèn)題，對(duì)前橋分裝與搭裝過(guò)程按照“人機(jī)料法環(huán)測(cè)”六個(gè)維度進(jìn)行全面排查，排查內(nèi)容如圖2所示。

圖2 螺紋失效原因排查魚(yú)骨圖

2.1 人的因素

經(jīng)調(diào)查，前橋分裝人員與搭裝人員均接受了崗前培訓(xùn)，且考核合格。現(xiàn)場(chǎng)觀察其操作情況，前橋分裝人員未執(zhí)行對(duì)角擰緊工藝，螺母-剛性墊圈、剛性墊圈-車(chē)橋存在不均勻間隙，如圖3(a)所示。這種不均勻間隙可能會(huì)造成EC擰緊機(jī)擰緊過(guò)程螺紋失效，現(xiàn)場(chǎng)予以糾正后，螺紋間隙正常，如圖3(b)所示。然而螺紋失效問(wèn)題并未得到改善，排除分裝過(guò)程人的因素。前橋搭裝人員中，嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)書(shū)操作，無(wú)異常，排除搭裝過(guò)程人的因素。

圖3 糾正前后分裝預(yù)緊狀態(tài)

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與人的因素沒(méi)有直接關(guān)系。

2.2 機(jī)的因素

前橋騎馬螺栓擰緊采用的四軸EC擰緊機(jī)為完好設(shè)備，設(shè)備部門(mén)在騎馬螺栓螺紋批量失效問(wèn)題發(fā)生后，即時(shí)對(duì)該擰緊機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)輸出扭矩校驗(yàn)，無(wú)異常。

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與機(jī)的因素也沒(méi)有直接關(guān)系。

2.3 料的因素

C車(chē)型是公司為M集團(tuán)代工產(chǎn)品。問(wèn)題發(fā)生后，螺栓（含螺母）供方即時(shí)進(jìn)行自查，自查結(jié)果為螺栓（含螺母）尺寸性能均符合產(chǎn)品技術(shù)要求。第三方理化試驗(yàn)結(jié)果也印證了供方的自查結(jié)果，螺栓（含螺母）化學(xué)成分、硬度與力學(xué)性能均合格。

1.硬度檢查

在螺紋橫截面上進(jìn)行硬度檢查，螺栓樣件平均硬度為30.1 HRC，符合10.9級(jí)螺栓技術(shù)要求；螺母樣件平均硬度為29.9 HRC，符合10級(jí)螺母技術(shù)要求，硬度合格。

2.金相組織

在螺紋橫截面上進(jìn)行微觀檢查，基體組織為致密均勻的回火索氏體，金相組織（500X）如圖4、圖5所示，未見(jiàn)增脫碳等異常，金相組織合格。

圖4 螺栓試樣金相組織圖（500X）

圖5 螺母試樣金相組織圖（500X）

3.力學(xué)性能

抽取發(fā)生螺紋失效問(wèn)題的同批次螺栓與螺母進(jìn)行屈服扭矩、破壞扭矩與抗拉極限測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，判定結(jié)果為力學(xué)性能合格。

表1 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.化學(xué)成分

試樣化學(xué)成分如表2所示，由表2各項(xiàng)數(shù)據(jù)，判定化學(xué)成分合格。

表2 試樣化學(xué)成分表

5.螺母螺紋

對(duì)同批次未裝配螺母試樣進(jìn)行微觀檢測(cè)，縱截面螺紋形貌（10X）如圖6所示，螺紋外觀無(wú)異常，符合施必牢螺紋形狀；螺紋表面無(wú)明顯脫碳現(xiàn)象（50X），如圖7所示，螺紋合格。

圖6 螺母縱向螺紋圖（10X）

圖7 螺母微觀螺紋圖（50X）

C集團(tuán)前期對(duì)該車(chē)型前橋騎馬螺栓螺紋副摩擦系數(shù)進(jìn)行了研究測(cè)試。使用高強(qiáng)度墊片的螺紋扭矩系數(shù)均偏小，螺栓軸向受力偏大，螺紋失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，建議取消墊片。磷化螺栓與螺母相配合，扭矩系數(shù)大于鍍鋅螺栓與螺母相配合，磷化螺栓軸向受力大，螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)較大。因磷化表面處理摩擦系數(shù)相對(duì)鍍鋅穩(wěn)定，建議仍保留磷化表面處理。

為保證軸向預(yù)緊力，研究決定螺栓采用扭矩系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的磷化表面處理；螺母與剛性墊片采用防銹蝕能力更好的鍍鋅表面處理。

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與料的因素也沒(méi)有直接關(guān)系。

2.4 法的因素

查看總裝配車(chē)間的前橋裝配作業(yè)指導(dǎo)書(shū)（含分裝與搭裝），前橋分裝線(xiàn)完成橋與板簧的分裝，并對(duì)騎馬螺栓用氣扳機(jī)進(jìn)行初步擰緊。考慮前橋在線(xiàn)搭裝過(guò)程板簧可調(diào)整，分裝過(guò)程對(duì)騎馬螺栓預(yù)緊扭矩沒(méi)有要求。

在線(xiàn)前橋搭裝使用四軸EC擰緊機(jī)對(duì)騎馬螺栓進(jìn)行擰緊，擰緊機(jī)采用的是行業(yè)通用的扭矩控制+監(jiān)控轉(zhuǎn)角擰緊策略[1,3-5]，M集團(tuán)也采用這一擰緊策略。擰緊過(guò)程依次為低速認(rèn)帽—高速擰緊—中停等待1—次高速擰緊—中停等待2—低速終擰緊—擰緊合格—擰緊軸完成卸荷—本次擰緊過(guò)程結(jié)束。

擰緊機(jī)控制器界面監(jiān)控“達(dá)到次高速擰緊扭矩后繼續(xù)擰緊過(guò)程擰緊軸轉(zhuǎn)角”，現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程為跟進(jìn)8輛底盤(pán)裝配，同步記錄左右騎馬螺栓擰緊過(guò)程，擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表3所示，平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表4所示，四個(gè)擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)如表5所示。

表3 擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)記錄表 單位：°

表4 平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

表5 四個(gè)擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)表

根據(jù)總裝配線(xiàn)反饋，本案例發(fā)生螺紋失效的比例約為25%。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)四個(gè)擰緊軸中的一個(gè)擰緊軸相對(duì)其他擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角偏差大于540°時(shí)，容易發(fā)生螺紋失效。初步判斷本案例，前橋騎馬螺栓擰緊過(guò)程中四根擰緊軸受力不均勻，最后一軸所擰緊螺栓受力集中造成螺紋失效，需確認(rèn)擰緊機(jī)參數(shù)設(shè)置的合理性。

螺紋副分析：根據(jù)施必牢螺紋的鎖緊原理，施必牢螺紋的牙底處有一個(gè)30°的楔形斜面，當(dāng)螺栓螺母相互擰緊時(shí)，螺栓的牙尖就緊緊頂在施必牢螺紋的楔形斜面上，從而產(chǎn)生很大的鎖緊力。相對(duì)普通螺紋，具有更好的抗疲勞性能和抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足對(duì)于抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度有較高要求，同時(shí)具備防松性能的應(yīng)用場(chǎng)合的需要[6]，如圖8所示。

圖8 施必牢螺紋示意圖

相對(duì)普通螺紋副，這種鎖緊結(jié)構(gòu)要求擰緊過(guò)程受力更均勻、沖擊震動(dòng)更緩和。如果擰緊過(guò)程螺紋受力不均勻，尤其是集中受力，施必牢螺紋相對(duì)普通螺紋更容易失效。

2.5 環(huán)境的因素

前橋分裝與搭裝環(huán)境為多車(chē)型混線(xiàn)裝配，其余車(chē)型前橋裝配過(guò)程未出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與環(huán)境的因素也沒(méi)有直接關(guān)系。

2.6 測(cè)量的因素

前橋騎馬螺栓螺紋失效發(fā)生在測(cè)量過(guò)程之前，測(cè)量過(guò)程不影響擰緊結(jié)果。初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與測(cè)量的因素也沒(méi)有直接關(guān)系。

3 擰緊機(jī)參數(shù)分析

3.1 常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程

通常EC擰緊工具參數(shù)的設(shè)定根據(jù)為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際擰緊過(guò)程呈現(xiàn)的曲線(xiàn)。圖9為常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程曲線(xiàn)。該擰緊過(guò)程被劃分為三個(gè)階段，分別為認(rèn)帽階段、旋入階段和最終擰緊階段。EC工具參數(shù)的設(shè)定主要集中在旋入階段和最終擰緊階段，絕大部分扭矩問(wèn)題都會(huì)發(fā)生在這兩個(gè)階段，因此，需要重點(diǎn)監(jiān)控[4]。

圖9 常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程曲線(xiàn)

從螺栓/螺母接觸到被擰緊件到達(dá)到目標(biāo)扭矩值，是一個(gè)完整的擰緊階段，最終達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)，螺栓旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度是需要被限定在一定范圍內(nèi)。如果角度過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)螺栓過(guò)屈服擰緊的 情況，甚至發(fā)生螺栓斷裂。

3.2 對(duì)比分析

對(duì)比常規(guī)螺栓擰緊過(guò)程曲線(xiàn)，對(duì)前橋騎馬螺栓擰緊過(guò)程及參數(shù)的分析結(jié)果如表6所示。

表6 擰緊過(guò)程對(duì)比分析結(jié)果

扭矩控制+監(jiān)控轉(zhuǎn)角擰緊策略，其主要過(guò)程是在進(jìn)行螺栓對(duì)準(zhǔn)（認(rèn)帽）和預(yù)擰緊（旋入+預(yù)緊）的基礎(chǔ)上，以一個(gè)確定的扭矩設(shè)定值為監(jiān)控起點(diǎn)，開(kāi)始對(duì)螺栓轉(zhuǎn)過(guò)的角度進(jìn)行監(jiān)控，使螺栓擰緊扭矩控制在螺栓材料由彈性變形區(qū)進(jìn)入塑性變形區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖9中的閾值/監(jiān)控點(diǎn)）后一定的角度，以保證夾緊力的持久性[5]。

分析后認(rèn)為，本案例應(yīng)該將消除橋與板簧裝配間隙對(duì)應(yīng)的扭矩設(shè)置為高速擰緊扭矩（對(duì)應(yīng)圖9中的轉(zhuǎn)換/貼合點(diǎn)），將騎馬螺栓塑性變形起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩設(shè)置為次高速擰緊扭矩（對(duì)應(yīng)圖9中的閾值/監(jiān)控點(diǎn)），然后監(jiān)控轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)最終擰緊。

3.3 優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)M集團(tuán)技術(shù)文件，C車(chē)型前橋騎馬螺栓規(guī)格為M20×1.5，機(jī)械強(qiáng)度為10.9級(jí)，匹配同規(guī)格10級(jí)施必牢螺母，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求擰緊扭矩為530 Nm±10%。施必牢螺母廠(chǎng)家提供的參考扭矩（470±30）Nm，約為產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求扭矩的83%～95%。采用擰緊機(jī)預(yù)緊270 Nm，數(shù)顯扭力扳手終緊消除橋與板簧裝配間隙，扭矩檢測(cè)值范圍為320～420 Nm，約為產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求扭矩的60%～80%。

調(diào)整擰緊機(jī)參數(shù)驗(yàn)證，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求扭矩的60%（318 Nm），與上文扭矩檢測(cè)值下限（320 Nm），取320 Nm作為高速擰緊扭矩，在高速擰緊后消除橋與板簧之間的裝配間隙。

結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求扭矩的85%（450 Nm），與施必牢廠(chǎng)家推薦扭矩下限（440 Nm），即螺栓材料塑性變形起點(diǎn)[6]，取440 Nm作為次高速擰緊扭矩。在次高速擰緊后到達(dá)騎馬螺栓塑性變形點(diǎn)。然后監(jiān)控轉(zhuǎn)角，通過(guò)低速擰緊實(shí)現(xiàn)最終擰緊。

擰緊機(jī)參數(shù)調(diào)整后，跟蹤8臺(tái)車(chē)，記錄左右騎馬螺栓擰緊過(guò)程擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表7示，平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表8所示，四個(gè)擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)如表9所示。

表7 擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)記錄表 單位：°

表8 平均監(jiān)控轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

表9 四個(gè)擰緊軸監(jiān)控轉(zhuǎn)角最大偏差數(shù)據(jù)表

經(jīng)過(guò)為期一個(gè)月的跟蹤驗(yàn)證，再未出現(xiàn)過(guò)騎馬螺栓螺紋失效現(xiàn)象；單次（一次擰緊4根螺栓）擰緊時(shí)間6～8 s；擰緊扭矩檢測(cè)結(jié)果500～590 Nm。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一次多軸EC擰緊機(jī)螺栓螺紋失效問(wèn)題的處理，通過(guò)排查裝配過(guò)程的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等因素，分析分裝預(yù)緊、在線(xiàn)擰緊、擰緊機(jī)參數(shù)設(shè)置等裝配工藝，進(jìn)行初步判斷后并組織驗(yàn)證，解決了C車(chē)型騎馬螺栓螺紋批量失效問(wèn)題。擰緊質(zhì)量得到保證，擰緊結(jié)果一致性得到提升。同時(shí)，通過(guò)擰緊機(jī)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，為商用汽車(chē)裝配過(guò)程多軸EC擰緊機(jī)參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了一次成功的實(shí)踐探索，可供汽車(chē)裝配制造工藝的同仁們借鑒、參考。