(完整版)汽車螺栓擰緊方式及擰緊質(zhì)量評價

1、汽車螺栓擰緊方式及擰緊質(zhì)量評價擰緊技術(shù)目前在我國并沒有被引起足夠的重視，對于擰緊技術(shù)的研究基本上還處于起步階段，但是隨著大家對擰緊技術(shù)認(rèn)識的不斷深入，該技術(shù)在國內(nèi)必將有長足的發(fā)展。在汽車制造業(yè)中，將各種汽車零部件裝配成整車的過程，需要很多種不同類型的聯(lián)接，比如焊接、螺栓聯(lián)接和粘膠聯(lián)接等。其中螺栓聯(lián)接是最重要的聯(lián)接方法之一。由于螺栓聯(lián)接可以獲得很高的聯(lián)接強(qiáng)度，又便于裝拆，具有互換性，通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，成本低而且價格便宜，經(jīng)常被應(yīng)用到發(fā)動機(jī)、變速箱和底盤等重要位置的裝配中。所以，螺栓的擰緊質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的安全性和可靠性。圖1轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊曲線螺栓聯(lián)接質(zhì)量控制原理螺栓聯(lián)接的實(shí)質(zhì)是通過

2、將螺栓的軸向預(yù)緊力控制到適當(dāng)范圍，從而將兩個工件可靠地聯(lián)接在一起。為了確保螺紋聯(lián)接的剛性、密封性、防松能力和受拉螺栓的疲勞強(qiáng)度，聯(lián)接螺栓對預(yù)緊力的精度要求是相當(dāng)高的。所以，軸向預(yù)緊力是評價螺栓聯(lián)接可靠性的重要指標(biāo)。軸向預(yù)緊力的最低限是由聯(lián)接結(jié)構(gòu)的用途決定的，該值必須保證被聯(lián)接工件在工作過程中始終可靠貼合。軸向預(yù)緊力的最高值必須保證螺栓及被聯(lián)接工件在預(yù)緊和工作過程中不會發(fā)生脫扣、剪斷和疲勞斷裂等損壞。怎樣控制和監(jiān)控預(yù)緊力的數(shù)值，使之能夠達(dá)到產(chǎn)品要求顯然是一個值得研究的課題。螺栓擰緊方法螺栓擰緊方法主要有兩類，分別是彈性擰緊和塑性擰緊。彈性擰緊一般指扭矩?cái)Q緊法，塑性擰緊主要包括轉(zhuǎn)角擰緊法、屈服點(diǎn)擰

3、緊法等。1. 扭矩?cái)Q緊法扭矩?cái)Q緊法的原理是扭矩大小和軸向預(yù)緊力之間存在一定關(guān)系。通過將擰緊工具設(shè)置到某個扭矩值來控制被聯(lián)接件的預(yù)緊力。在工藝過程、零件質(zhì)量等因素穩(wěn)定的前提下，該擰緊方式操作簡單、直觀，目前被廣泛采用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在擰緊螺栓時，有50%的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有40%消耗在螺紋的摩擦上，僅有10%的扭矩用來產(chǎn)生預(yù)緊力。由于外界不穩(wěn)定條件對扭矩?cái)Q緊法的影響很多，所以通過控制擰緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法將導(dǎo)致對軸向預(yù)緊力控制精度低。而且有極少數(shù)的螺栓聯(lián)接，扭矩已達(dá)到規(guī)定值，而螺栓頭還未完全與被聯(lián)接件貼合或間隙有時很小，目視不容易發(fā)現(xiàn)。此時扭矩值是合格的，但預(yù)緊力很小，甚至

4、沒有，所以在這種情況下，如果僅僅提出保證扭矩合格，那么保證裝配擰緊質(zhì)量就成了一句空話。圖2屈服點(diǎn)擰緊法2. 轉(zhuǎn)角擰緊法鑒于扭矩?cái)Q緊法存在的不足，美國在20世紀(jì)40年代末開始研究螺栓伸長和軸向力的關(guān)系。螺栓擰緊時的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長量和被擰緊件松動量的總和大致成比例關(guān)系，因而可采取按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來達(dá)到預(yù)定擰緊力的方法。圖1示意性地描述了轉(zhuǎn)角擰緊法的曲線走向。首先將螺栓擰緊到起始力矩Ms，即將螺栓拉伸到接近屈服點(diǎn)，然后，再旋轉(zhuǎn)一定的角度A0,將螺栓拉伸到塑性區(qū)域。旋轉(zhuǎn)角度擰緊法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長量，在彈性范圍內(nèi)軸向預(yù)緊力與伸長量成正比，控制伸長量就是控制軸向力，螺栓開始塑性變形后，雖然兩者已不

5、再成正比關(guān)系，但螺栓受拉伸時的力學(xué)性能表明，只要保持在一定范圍以內(nèi)，軸向預(yù)緊力就能穩(wěn)定在屈服載荷附近。所以，圖1中所示的兩個摩擦系數(shù)不同的螺栓，雖然采用相同的擰緊法擰緊后的最終力矩Ml與M2相差很大，但是，由于螺栓強(qiáng)度、尺寸相同，所以預(yù)緊力相差不大。與扭矩?cái)Q緊法相比，不僅高精度地完成了對擰緊的控制，而且充分提高了材料的利用率。3. 屈服點(diǎn)擰緊法屈服點(diǎn)擰緊法的理論目標(biāo)是將螺栓擰緊到剛過屈服極限點(diǎn)。圖2示意性地描述了屈服點(diǎn)控制法的擰緊曲線。采用屈服點(diǎn)擰緊時，首先將螺栓擰緊到某一個規(guī)定的起始力矩Ms,從這點(diǎn)開始，設(shè)備監(jiān)控?cái)Q緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降到超過了設(shè)定值，那么就認(rèn)為把螺栓拉伸到了屈服

6、點(diǎn)，工具停止運(yùn)行。屈服點(diǎn)擰緊法最大的優(yōu)點(diǎn)是將摩擦系數(shù)不同的螺栓都擰緊到其屈服點(diǎn)，最大限度的發(fā)揮了螺紋件強(qiáng)度的潛力，但是它對干擾因素比較敏感，同時對螺栓的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，控制難度較大。因此擰緊工具的價格十分昂貴。螺栓擰緊質(zhì)量的評價對于螺栓擰緊質(zhì)量的評價包括兩種，一種是采用數(shù)顯或表盤式力矩扳手，測量裝配后的螺栓的力矩，來評價螺栓擰緊的質(zhì)量，這種方法由于采用人工操作，所以一般采用抽檢的方式另一種是通過擰緊設(shè)備中集成的力矩及轉(zhuǎn)角傳感器，對螺栓裝配的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，這種方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)對螺栓的裝配過程進(jìn)行100%檢驗(yàn)。1. 手工檢驗(yàn)由于手工檢驗(yàn)得到的力矩值，是在裝配完成后測量的，力矩值較裝配過

7、程中有了一定程度的衰減，所以測量到的結(jié)果被稱為靜態(tài)力矩。首先采集至少100個實(shí)際扭矩測量值，然后用統(tǒng)計(jì)分析的方法，求出標(biāo)準(zhǔn)偏差s。根據(jù)不同用途的實(shí)際情況，以±2s或±3s作為控制范圍的上、下極限。如果實(shí)際測量值不在控制限之內(nèi)，則認(rèn)為被測量的擰緊不合格。圖3最終力矩的分布圖在汽車制造領(lǐng)域，大多數(shù)企業(yè)通常采用以下兩種方式對裝配后的螺栓的擰緊質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)及評價，一是裝配后立即對其抽檢，另一種是在整車經(jīng)過路試連續(xù)行駛、承受過負(fù)載后再對相關(guān)的螺栓聯(lián)接質(zhì)量進(jìn)行檢測及評價。德國大眾汽車將這兩種檢測分別定義為MNA1和MNA2。但是采用這種方法時必須注意以下幾點(diǎn)：（1）擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指

8、數(shù)CMk必須達(dá)到1.67或更高，過程能力指數(shù)Cpk>1.33；（2）測量力矩時必須采用緊固法，即在旋緊螺栓的方向上旋轉(zhuǎn)一個比較小的角度（通常不超過5°）；（3）必須在該螺栓裝配后30min內(nèi)測量MNA1；（4）測量結(jié)果的控制限，只能靠統(tǒng)計(jì)分析得出，不能采用產(chǎn)品力矩設(shè)定的公差值。2. 設(shè)備檢驗(yàn)設(shè)備測量到的力矩值，是在裝配過程中由傳感器直接讀出的，還沒有衰減，所以測量到的力矩值被稱為動態(tài)力矩值。由于屈服點(diǎn)擰緊法目前應(yīng)用不是太廣泛，而扭矩?cái)Q緊法一般采用不帶監(jiān)控功能擰緊工具，所以，我們主要以轉(zhuǎn)角擰緊法為例來介紹裝配過程中擰緊質(zhì)量的控制。轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊質(zhì)量目前主要有以下幾種評定方法：（

9、1）參考標(biāo)準(zhǔn)法。某些大型的企業(yè)集團(tuán)或標(biāo)準(zhǔn)化組織，通過實(shí)驗(yàn)，給出了一些轉(zhuǎn)角擰緊法裝配的最終力矩的評價標(biāo)準(zhǔn)。（2）最終力矩統(tǒng)計(jì)法。這種方法的前提是，必須保證過程穩(wěn)定，然后讀取擰緊后的最終力矩值，再經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，剔除不合格的值，計(jì)算出其均值、方差，來確定最終力矩的控制限。目前，擰緊設(shè)備的技術(shù)水平有了很大發(fā)展，最終力矩可以很方便地從擰緊設(shè)備中讀取得到，所以這種方法在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。在過程穩(wěn)定的前提下，最終力矩一般服從正態(tài)分布，為了使最終力矩的控制限設(shè)置得盡量合理，一般要考慮在統(tǒng)計(jì)學(xué)中經(jīng)常提到的兩類錯誤中尋找平衡，即首先我們希望我們設(shè)置的控制極限要盡可能地排除不合格的擰緊，但這樣帶來的后果是，控制限被

10、設(shè)置的很苛刻，范圍很小，導(dǎo)致把一些本來合格的擰緊剔除了（棄真），從而導(dǎo)致不合格品的大量增加，進(jìn)而增加成本；另一方面，為了盡可能避免合格的擰緊被剔除，我們需要盡可能地增大控制限，這就會導(dǎo)致某一些本來不合格的擰緊，出現(xiàn)在了我們設(shè)置的控制限之內(nèi)（存?zhèn)危?，給我們的產(chǎn)品帶來了風(fēng)險。如何在“棄真”與“存?zhèn)巍敝g找到平衡，不同的企業(yè)，結(jié)合自身的特點(diǎn)，對于避免這兩類錯誤的要求不同，但是大部分的企業(yè)，一般選擇取統(tǒng)計(jì)結(jié)果的±3s（s代表樣本的標(biāo)準(zhǔn)差）作為最終力矩的控制限。無論是采用統(tǒng)計(jì)法還是參考標(biāo)準(zhǔn)法，我們的控制對象都是轉(zhuǎn)角擰緊后的最終力矩，無論如何設(shè)置最終力矩的控制限，都不能完全保證所有最終力矩滿足控

11、制限要求的擰緊都是合格的即“存?zhèn)巍卑l(fā)生概率只可能盡量減小，不可能消除。但是，如果這種小概率事件發(fā)生在汽車重要的螺栓連接上，將給駕駛者的生命安全帶來極大隱患。（3）分析擰緊曲線法。目前很多擰緊設(shè)備都可以顯示擰緊過程中，力矩隨時間或角度變化的曲線。這種通過觀察擰緊曲線來判定扭矩轉(zhuǎn)角法是否合格的方法，雖然比較直觀、可靠，但是對于分析者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)有很高的要求，而且分析過程需要的時間比較長。所以不適合應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中去。案例我們將以上介紹的3種方法相結(jié)合，充分的利用目前先進(jìn)的擰緊設(shè)備各種監(jiān)控功能，對旋轉(zhuǎn)角度擰緊法的質(zhì)量進(jìn)行控制，取得了比較好的效果。下面以汽車前橋的1個擰緊裝配為例進(jìn)行介紹，擰緊設(shè)備采

12、用AtlasCopco擰緊機(jī)，設(shè)備編程軟件為PowerMACS，螺栓M16，強(qiáng)度等級10.9，產(chǎn)品裝配力矩為：70Nm+90。為了適應(yīng)批量生產(chǎn)對于裝配速度的要求，我們通常把擰緊劃分為幾個階段，首先采用比較快的擰緊速度使螺栓頭部下端面迅速與被夾緊零件面貼合（這里選擇20Nm）,然后再以稍低的速度使螺栓擰緊到起始力矩（70Nm）,最后，再低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角（90°），完成整個擰緊過程。為了控制轉(zhuǎn)角擰緊法的質(zhì)量，是不是只要保證最終力矩在我們設(shè)置的控制限之內(nèi)就可以了呢？通過對現(xiàn)生產(chǎn)問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中采用轉(zhuǎn)角擰緊法時，螺栓的質(zhì)量問題不是只發(fā)生在轉(zhuǎn)角擰緊階段，有的還發(fā)生在起始力矩?cái)Q緊階段。假力

13、矩就是一種發(fā)生在力矩?cái)Q緊階段的嚴(yán)重的擰緊不合格現(xiàn)象。所謂假力矩是指，雖然擰緊設(shè)備顯示擰緊達(dá)到了要求的力矩但是螺栓頭部下端面并沒有和被夾緊件緊密貼合，或者雖然結(jié)合了，但是沒有產(chǎn)生足夠的夾緊力，造成螺栓連接失效。分析失效問題，我們發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的主要原因是螺母中存在焊渣、螺栓的軸線沒有與螺母對正和螺栓太長等，這種失效往往會引起擰緊設(shè)備旋轉(zhuǎn)過的角度發(fā)生異常，所以，我們認(rèn)為在力矩?cái)Q緊過程中添加角度監(jiān)控是很有必要的。將這個擰緊過程中的數(shù)據(jù)搜集起來，然后我們采用Q-Das軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們程序設(shè)置如下：第一步，力矩控制（20Nm）角度監(jiān)控；第二步，力矩控制（70Nm）角度監(jiān)控；第三步，轉(zhuǎn)角控制（90°）力矩監(jiān)控（如圖3所示），計(jì)算結(jié)果為，402Nm516Nm,最小值411.9Nm,最大值499.4Nm，標(biāo)準(zhǔn)中的控制限的參考范圍為310Nm510Nm,所以我們設(shè)置最終力矩控制限為405Nm505Nm。為了吸取分析擰緊曲線法的優(yōu)點(diǎn)，利用Atlas擰緊軟件豐富的監(jiān)控功能，我們還監(jiān)控了轉(zhuǎn)角階段的曲線形狀，比如，監(jiān)控?cái)Q緊曲線是否在轉(zhuǎn)角階段、是否有空轉(zhuǎn)等，很好地控制了轉(zhuǎn)角擰緊的質(zhì)量。我們