多軸EC擰緊機擰緊參數的工藝優化

左志強，史智學，姚 進，張文超，郭保強

（陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 722405）

汽車產品零部件與車架、零部件與車身，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，商用汽車中單車螺紋連接件品種可達550 種，數量可達7100個，高強螺紋連接件占比達到35%，螺紋連接件成本占到商用汽車成本的1.5%～2.0%。螺紋連接件螺紋失效問題占商用汽車維修問題的30%[1-2]，螺紋連接件的裝配、擰緊質量受到各商用汽車廠的高度重視。

在汽車總裝配車間，螺紋連接件與零部件之間通過手動擰緊扳手、氣動或電動擰緊工具擰緊。電動伺服控制（Electric Servo Control, EC）擰緊工具憑借擰緊精度髙，控制系統可實現模塊化設計、系統自動報警，可以通過更換套筒來對應多個規格的螺栓、套筒的自動識別自動實現程序切換，滿足一個工位多個螺栓、不同扭矩的要求等優勢，逐漸替代傳統的手動或機械擰緊工具[3-4]。

EC擰緊機擰緊參數的合理設定，對螺紋連接件擰緊質量與擰緊結果的一致性至關重要，對汽車的裝配質量與使用性能也會產生重要影響。

1 問題溯源

總裝配線反饋采用四軸EC擰緊機擰緊C車型前橋騎馬螺栓過程中，螺紋批量失效，其表現為四個擰緊軸中總有一個軸遲遲達不到目標扭矩，該軸所擰緊螺栓一側螺紋大面積失效，另一 側完好；螺母螺紋整體失效，如圖1所示。

圖1 螺紋失效圖

2 排查過程

針對總裝配線反饋的C車型前橋騎馬螺栓螺紋批量失效問題，對前橋分裝與搭裝過程按照“人機料法環測”六個維度進行全面排查，排查內容如圖2所示。

圖2 螺紋失效原因排查魚骨圖

2.1 人的因素

經調查，前橋分裝人員與搭裝人員均接受了崗前培訓，且考核合格?，F場觀察其操作情況，前橋分裝人員未執行對角擰緊工藝，螺母-剛性墊圈、剛性墊圈-車橋存在不均勻間隙，如圖3(a)所示。這種不均勻間隙可能會造成EC擰緊機擰緊過程螺紋失效，現場予以糾正后，螺紋間隙正常，如圖3(b)所示。然而螺紋失效問題并未得到改善，排除分裝過程人的因素。前橋搭裝人員中，嚴格按作業指導書操作，無異常，排除搭裝過程人的因素。

圖3 糾正前后分裝預緊狀態

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與人的因素沒有直接關系。

2.2 機的因素

前橋騎馬螺栓擰緊采用的四軸EC擰緊機為完好設備，設備部門在騎馬螺栓螺紋批量失效問題發生后，即時對該擰緊機進行動態輸出扭矩校驗，無異常。

初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與機的因素也沒有直接關系。

2.3 料的因素

C車型是公司為M集團代工產品。問題發生后，螺栓（含螺母）供方即時進行自查，自查結果為螺栓（含螺母）尺寸性能均符合產品技術要求。第三方理化試驗結果也印證了供方的自查結果，螺栓（含螺母）化學成分、硬度與力學性能均合格。

1.硬度檢查

在螺紋橫截面上進行硬度檢查，螺栓樣件平均硬度為30.1 HRC，符合10.9級螺栓技術要求；螺母樣件平均硬度為29.9 HRC，符合10級螺母技術要求，硬度合格。

2.金相組織

在螺紋橫截面上進行微觀檢查，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.力學性能

抽取發生螺紋失效問題的同批次螺栓與螺母進行屈服扭矩、破壞扭矩與抗拉極限測試，實驗結果如表1，判定結果為力學性能合格。

表1 力學性能實驗結果

4.化學成分

試樣化學成分如表2所示，由表2各項數據，判定化學成分合格。

表2 試樣化學成分表

5.螺母螺紋

對同批次未裝配螺母試樣進行微觀檢測，縱截面螺紋形貌（10X）如圖6所示，螺紋外觀無異常，符合施必牢螺紋形狀；螺紋表面無明顯脫碳現象（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集團前期對該車型前橋騎馬螺栓螺紋副摩擦系數進行了研究測試。使用高強度墊片的螺紋扭矩系數均偏小，螺栓軸向受力偏大，螺紋失效的風險較大，建議取消墊片。磷化螺栓與螺母相配合，扭矩系數大于鍍鋅螺栓與螺母相配合，磷化螺栓軸向受力大，螺紋失效風險較大。因磷化表面處理摩擦系數相對鍍鋅穩定，建議仍保留磷化表面處理。

為保證軸向預緊力，研究決定螺栓采用扭矩系數相對穩定的磷化表面處理；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有直接關系。

2.4 法的因素

查看總裝配車間的前橋裝配作業指導書（含分裝與搭裝），前橋分裝線完成橋與板簧的分裝，并對騎馬螺栓用氣扳機進行初步擰緊?？紤]前橋在線搭裝過程板簧可調整，分裝過程對騎馬螺栓預緊扭矩沒有要求。

在線前橋搭裝使用四軸EC擰緊機對騎馬螺栓進行擰緊，擰緊機采用的是行業通用的扭矩控制+監控轉角擰緊策略[1,3-5]，M集團也采用這一擰緊策略。擰緊過程依次為低速認帽—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—本次擰緊過程結束。

擰緊機控制器界面監控“達到次高速擰緊扭矩后繼續擰緊過程擰緊軸轉角”，現場排查過程為跟進8輛底盤裝配，同步記錄左右騎馬螺栓擰緊過程，擰緊軸監控轉角數據如表3所示，平均監控轉角數據如表4所示，四個擰緊軸監控轉角最大偏差數據如表5所示。

表3 擰緊軸監控轉角數據記錄表 單位：°

表4 平均監控轉角數據表

表5 四個擰緊軸監控轉角最大偏差數據表

根據總裝配線反饋，本案例發生螺紋失效的比例約為25%。現場觀察發現，當四個擰緊軸中的一個擰緊軸相對其他擰緊軸監控轉角偏差大于540°時，容易發生螺紋失效。初步判斷本案例，前橋騎馬螺栓擰緊過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，需確認擰緊機參數設置的合理性。

螺紋副分析：根據施必牢螺紋的鎖緊原理，施必牢螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面，當螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊頂在施必牢螺紋的楔形斜面上，從而產生很大的鎖緊力。相對普通螺紋，具有更好的抗疲勞性能和抗拉強度，滿足對于抗拉強度和疲勞強度有較高要求，同時具備防松性能的應用場合的需要[6]，如圖8所示。

圖8 施必牢螺紋示意圖

相對普通螺紋副，這種鎖緊結構要求擰緊過程受力更均勻、沖擊震動更緩和。如果擰緊過程螺紋受力不均勻，尤其是集中受力，施必牢螺紋相對普通螺紋更容易失效。

2.5 環境的因素

前橋分裝與搭裝環境為多車型混線裝配，其余車型前橋裝配過程未出現類似問題，初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與環境的因素也沒有直接關系。

2.6 測量的因素

前橋騎馬螺栓螺紋失效發生在測量過程之前，測量過程不影響擰緊結果。初步判定前橋騎馬螺栓螺紋失效與測量的因素也沒有直接關系。

3 擰緊機參數分析

3.1 常規螺栓擰緊過程

通常EC擰緊工具參數的設定根據為生產現場實際擰緊過程呈現的曲線。圖9為常規螺栓擰緊過程曲線。該擰緊過程被劃分為三個階段，分別為認帽階段、旋入階段和最終擰緊階段。EC工具參數的設定主要集中在旋入階段和最終擰緊階段，絕大部分扭矩問題都會發生在這兩個階段，因此，需要重點監控[4]。

圖9 常規螺栓擰緊過程曲線

從螺栓/螺母接觸到被擰緊件到達到目標扭矩值，是一個完整的擰緊階段，最終達到目標扭矩時，螺栓旋轉過的角度是需要被限定在一定范圍內。如果角度過大，就會出現螺栓過屈服擰緊的 情況，甚至發生螺栓斷裂。

3.2 對比分析

對比常規螺栓擰緊過程曲線，對前橋騎馬螺栓擰緊過程及參數的分析結果如表6所示。

表6 擰緊過程對比分析結果

扭矩控制+監控轉角擰緊策略，其主要過程是在進行螺栓對準（認帽）和預擰緊（旋入+預緊）的基礎上，以一個確定的扭矩設定值為監控起點，開始對螺栓轉過的角度進行監控，使螺栓擰緊扭矩控制在螺栓材料由彈性變形區進入塑性變形區的轉折點（圖9中的閾值/監控點）后一定的角度，以保證夾緊力的持久性[5]。

分析后認為，本案例應該將消除橋與板簧裝配間隙對應的扭矩設置為高速擰緊扭矩（對應圖9中的轉換/貼合點），將騎馬螺栓塑性變形起點對應的扭矩設置為次高速擰緊扭矩（對應圖9中的閾值/監控點），然后監控轉角實現最終擰緊。

3.3 優化驗證

根據M集團技術文件，C車型前橋騎馬螺栓規格為M20×1.5，機械強度為10.9級，匹配同規格10級施必牢螺母，產品設計要求擰緊扭矩為530 Nm±10%。施必牢螺母廠家提供的參考扭矩（470±30）Nm，約為產品設計要求扭矩的83%～95%。采用擰緊機預緊270 Nm，數顯扭力扳手終緊消除橋與板簧裝配間隙，扭矩檢測值范圍為320～420 Nm，約為產品設計要求扭矩的60%～80%。

調整擰緊機參數驗證，結合產品設計要求扭矩的60%（318 Nm），與上文扭矩檢測值下限（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。

結合產品設計要求扭矩的85%（450 Nm），與施必牢廠家推薦扭矩下限（440 Nm），即螺栓材料塑性變形起點[6]，取440 Nm作為次高速擰緊扭矩。在次高速擰緊后到達騎馬螺栓塑性變形點。然后監控轉角，通過低速擰緊實現最終擰緊。

擰緊機參數調整后，跟蹤8臺車，記錄左右騎馬螺栓擰緊過程擰緊軸監控轉角數據如表7示，平均監控轉角數據如表8所示，四個擰緊軸監控轉角最大偏差數據如表9所示。

表7 擰緊軸監控轉角數據記錄表 單位：°

表8 平均監控轉角數據表

表9 四個擰緊軸監控轉角最大偏差數據表

經過為期一個月的跟蹤驗證，再未出現過騎馬螺栓螺紋失效現象；單次（一次擰緊4根螺栓）擰緊時間6～8 s；擰緊扭矩檢測結果500～590 Nm。

4 結束語

針對一次多軸EC擰緊機螺栓螺紋失效問題的處理，通過排查裝配過程的人、機、料、法、環、測等因素，分析分裝預緊、在線擰緊、擰緊機參數設置等裝配工藝，進行初步判斷后并組織驗證，解決了C車型騎馬螺栓螺紋批量失效問題。擰緊質量得到保證，擰緊結果一致性得到提升。同時，通過擰緊機參數的優化調整，為商用汽車裝配過程多軸EC擰緊機參數設定進行了一次成功的實踐探索，可供汽車裝配制造工藝的同仁們借鑒、參考。