擰緊方法對擰緊質量的影響分析

李德鑫　韋軍　覃祖賓

摘 要：在汽車總裝線，通過螺紋連接實現零件裝配是一項主要工作，合適的擰緊方法對擰緊質量有重要影響。本文以電動汽車動力電池總成裝配為實例，選擇多種擰緊方法進行實車裝配，檢測靜態扭矩數據進行分析，驗證了“多步擰緊”法對提高動力電池固定螺栓擰緊質量有重要作用。

關鍵詞：擰緊扭矩 多步擰緊 靜態扭矩

1 前言

螺紋連接是汽車零部件裝配最常見的方式之一，與鉚接、焊接等方式相比，螺紋連接的裝配與維修更方便，更高效。擰緊工藝是總裝車間“四大裝配工藝”之首（擰緊、管線、加注和裝調），占整車裝配線上工作量的70%以上。隨著電動擰緊工具在汽車裝配線的普及，尤其是高精度可編程電纜槍（簡稱電槍）的廣泛使用，為汽車零部件選擇合適的擰緊方法進行裝配提供了工具基礎。

2 擰緊方法

在滿足要求的前提下，擰緊方法應該盡量簡化，常見的擰緊方法有“扭矩法”、“轉角法”等。

“轉角法”是基于一定的轉角，使螺栓產生軸向伸長及連接件被壓縮，實現軸向預緊力。在轉角階段，摩擦力對螺栓軸向預緊力影響減小。對螺栓軸向預緊力精度影響最大的是轉角開始的起始扭矩點。該方法實現的預緊力穩定性較高，能更好的適應設計需求，但是對擰緊工具性能要求高，緊固件利用率可以達到80-90%。

“扭矩法”是通過控制扭矩的方法來獲得預緊力，受到摩擦系數的影響大，預緊力的離散值可以達到20-30%，為了保證一定的預緊力，往往采用較高的設計余量，緊固件利用率偏低，約40-60%。“扭矩法”根據擰緊步驟的不同，又分為“一步擰緊”，“兩步擰緊”和“多步擰緊”。本文主要針對“扭矩法”進行驗證分析。

3 擰緊環境

動力電池總成是電動汽車核心“三電”之一，其自身重量大，成本占比高。某車型動力電池總成由8顆螺栓固定，設計扭矩55-65N.m，電槍擰緊設定值60N.m，檢測扭矩監控標準50-70N.m。本文以提升動力電池固定螺栓檢測扭矩質量為目標，驗證不同擰緊方法的改善效果。為了降低其他因素的影響，在同班次（人員不變），同批次零件的狀態下進行驗證。

4 不同擰緊方法效果驗證

4.1 兩步擰緊

使用電槍裝配時，“一步擰緊”法已經極少使用。該車型動力電池使用“兩步擰緊”法裝配，第一步擰緊到33N.m，第二步擰緊到60N.m。為方便記錄，我們將此擰緊方法稱為“60N.m法”，對應擰緊曲線如圖１所示。

對使用“60N.m法”完成裝配的車輛，抽檢靜態扭矩數據。如表１所示。

從表１可以看出，抽檢扭矩不合格頻次高（紅色字體），整體合格率為64.6%，抽檢扭矩均值為51.8N.m，計算CPK為0.13，抽檢靜態扭矩狀態差。

4.2 多步擰緊（增加反松）

在原有“60N.m法”的基礎上，增加反松90°步驟。即，分兩步擰緊到60N.m后，反松90°，然后再分兩步擰緊到60N.m，稱為“60N-90A+60N法”，對應擰緊曲線如圖２所示。

對使用“60N-90A+60N法”完成裝配的車輛，隨機抽取5臺車進行靜態扭矩測量。如表２所示。

從表２可以看出，抽檢扭矩合格率為87.5%，均值為55.2N.m，CPK為0.38，改善效果明顯，但是整體狀態依然較差。

4.3 多步擰緊（反松+提升擰緊扭矩）

增加反松步驟后，改善效果明顯，但是仍未滿足生產需求。電槍工具精度高，通過編程設置擰緊扭矩值和扭矩監控窗口，實現在設計扭矩范圍內精準調整輸出扭矩。為了進一步提升檢測扭矩質量，需要驗證施加63N.m的效果。即，在“60N-90A+60N法”的基礎上，將最終擰緊扭矩提升為63N.m，稱為“60N-90A+63N法”，對應擰緊曲線如圖３所示。

對使用“60N-90A+63N法”完成裝配的車輛，進行靜態扭矩測量。如表３所示。

可以看出，抽檢扭矩合格率提升到100%，均值為57.9N.m，CPK為0.79，過程能力有待進一步提升。

4.4 多步擰緊（取消反松+提升擰緊扭矩）

“60N-90A+63N法”改善效果明顯，同時也發現擰緊時間變長，電槍正反轉切換導致穩定性差，報警頻次增加等問題。驗證取消反松90°步驟，即分兩步擰緊到60N.m后，再擰緊到63N.m。由于取消了反松，在螺栓剩余扭矩較大的情況下再次施加扭矩，沖擊較大，需要將63N.m步驟設置為“一步擰緊”，稱為“60N+63N法”，對應擰緊曲線如圖４所示。

對使用“60N+63N法”完成裝配的車輛，隨機抽取5臺車進行靜態扭矩測量。如表4所示。

從表４可以看出，抽檢扭矩合格率為100%，均值為58.5N.m，CPK為1.47，整體狀態良好。

4.5 不同擰緊方法效果對比

對上述擰緊方法的驗證結果進行匯總對比，如表5所示。

從表5可以看出，對動力電池固定螺栓裝配，普通的“兩步擰緊”效果較差，不能滿足要求。增加反松和提升擰緊扭矩步驟后，在合格率、均值及CPK方面都有明顯提升。綜合驗證數據來看，多步擰緊“60N+63N法”是更適合該車型動力電池裝配的擰緊方法。

5 結束語

擰緊方法對擰緊扭矩質量有直接且重要的影響，對于動力電池總成這種自重大，擰緊顆數多的零件裝配，普通“兩步擰緊”法裝配效果較差，不能很好的滿足要求。“多步擰緊”法中，對“反松”等步驟的不同組合，會產生不同的改善效果，在提升扭矩質量的同時，也導致操作時間變長，電槍設備報警頻次增加等問題。制定合適的擰緊方法，需要對具體零件進行具體分析，以實際驗證數據為依據，綜合考慮節拍、合格率等多方面因素，在擰緊質量和生產效率之間找到一個最優解。