汽車裝配過程中的螺栓擰緊質量控制

許華(一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間，廣東 佛山 528000)

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汽車裝配過程中的螺栓擰緊質量控制

許華
(一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間，廣東 佛山 528000)

摘要：螺栓連接是汽車零部件之間最常用的連接方式之一，具有精度高、裝配方便、零件拆裝便利等優點，每臺小轎車的螺栓連接件約7200個，這些螺栓大多數連接了汽車重要的功能部件或是安全部件，如果擰緊質量不受控，汽車將存在極大的功能故障風險和安全隱患。深入分析探討影響擰緊質量的因素，搭建先進的電動扳手運用聯網技術，采用合適的擰緊質量評價手段，對提升汽車裝配過程擰緊質量起著關鍵性的作用。

關鍵詞：螺栓；擰緊

前言

汽車作為目前大多數人出行的交通工具，保障其功能和安全可靠性是最基本的要求，提升整車產品質量一直是各大汽車企業始終不渝的追求。最近幾年來，汽車企業因螺栓擰緊質量缺陷導致大范圍整車召回的事件時有發生，作為汽車零部件最常用連接方式之一的螺栓連接[1]，保障螺栓擰緊質量是實現整車產品質量提升中很重要的一個環節。

一、螺栓連接基本模型

螺栓是由頭部和螺桿兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個帶有通孔的零件，這種連接方式稱為螺栓連接[2]，如圖1示。

圖1　螺栓連接基本模型

扭矩：在實際生產應用中，扭矩常作為評價擰緊連接好壞的標準，但是這一參數只能作為間接參考，兩個最終扭矩相同的擰緊連接，并不一定具有相同的連接質量；

頭下摩擦：對于螺栓螺母裝配方式，不僅螺栓頭下摩擦對擰緊連接有影響，螺母頭下摩擦也很重要；

夾緊力：零件之間無論采用什么樣的連接方式，最終目的是為了將兩個或多個零件穩定地結合在一起，所以對于擰緊連接來說，真正起到作用的是擰緊后螺栓施加給被連接件的夾緊力，但是這一參數在批量生產中無法直接測量，只能依靠經驗給出相應的裝配扭矩和角度；

內部應力：金屬件和非金屬件在被夾緊的過程中都會產生一定的應力，在擰緊結束，這些瞬時產生的應力會慢慢釋放；

螺紋摩擦：汽車行業內螺紋摩擦系數標準范圍0.08~0.14，生產中使用蘸蠟和涂防松膠的螺紋就是為了保證摩擦系數達標；

保證擰緊質量的關鍵在于保證螺紋連接有足夠的夾緊力，當夾緊力過小，螺紋連接就會失效，在汽車經過了幾次動力載荷和熱力載荷后，夾緊力降為零，螺栓就會脫落下來，擰緊工作的根本就是保證所有擰緊連接擁有高一致性的夾緊力。

二、影響夾緊力的因素

如圖2所示，在通常情況下，螺栓連接中螺紋摩擦占總扭矩作用的40%，頭下摩擦(包含應力)占總扭矩作用的50%，夾緊力占總扭矩作用的10%，扭矩真正起到作用的只有10%，其他都被摩擦和應力所消耗，在常發的擰緊質量問題當中，大部分都與摩擦相關[]。

圖2　夾緊力與摩擦示意圖

影響夾緊力的因素通常包含以下幾個方面：

(1)摩擦：如果粗糙頭下表面及螺栓摩擦系數不在標準范圍內，就會導致總扭矩轉化為夾緊力的比例發生變化。例如螺栓頭支撐面下有潤滑油會導致頭下摩擦占比降低從而夾緊力占比增加；螺紋副中有缺陷，如雜質、磕碰就會導致螺紋摩擦占比增加而夾緊力占比降低；

(2)不可靠的擰緊技術：如果選擇精度差的擰緊工具或者不正確的擰緊操作也會影響夾緊力[4]，例如員工操作的電槍旋轉軸心與螺孔的回旋軸心所成角度過大時，會出現螺栓連接瞬時應力過大，螺栓過早達到力矩要求，內部應力釋放后，螺栓將產生假力矩的現象，力矩合格但是螺栓沒有擰緊到位；

(3)內部應力釋放：對于擰緊連接來說，產品自身材質和平面度等無法肉眼識別，尺寸參數的變化更值得引起注意，由于被連接件表面平面度不好，導致螺栓頭部一側受力較大，另外一側受力過小，在后續應力釋放過程中不均衡導致螺栓松動；另外不合格的材料匹配也會影響到應力釋放，例如金屬和金屬、金屬和塑料、塑料和塑料，不同的材料匹配應用于擰緊連接要求不同的情況；

(4)溫度：車身零件都遵循“熱脹冷縮”的規律，當溫度改變，螺栓和被連接件屬于不同材質，形變量也有所不同，因此夾緊力也會隨之變化；

(5)錯誤的擰緊系統選擇：擰緊系統分為很多種，一把普通的電動扳手就可以稱作一個擰緊系統，當一項工藝所使用電槍更換為轉速更快的型號，不但會增加零件被損傷的風險，還會導致瞬時應力過大，當應力釋放后，剩余的夾緊力偏低；相反，當螺栓旋入螺孔速度過慢，擰緊過沖太小，夾緊力偏高。

三、電動扳手聯網

為了提升整車擰緊質量，目前愈來愈多的汽車制造廠商也采用高精度的伺服電動扳手作為擰緊工具，既能高精度的完成擰緊任務保證擰緊質量，又能有效的儲存擰緊數據信息，便于后續問題分析、數據查看及追溯。

通過將整條生產線的電動扳手聯網，一方面可以通過與之配套的擰緊管理系統，實現對擰緊裝配參數的實時監控，做到100%檢驗；另一方面，也可以實現擰緊數據的實時傳輸，并與整車質量信息一一對應備案，這已成為一種先進的擰緊質量控制手段[5]。電動扳手聯網結構拓撲如圖3示。

圖3　電動扳手聯網結構示意圖

自動車輛識別系統擰緊PLC，接收所在生產線的整車車輛配置信息，同時發送至各工位擰緊控制電腦；

擰緊控制電腦接到車序信息后，以XML電報形式發動擰緊任務至扳手控制器，扳手控制器將擰緊任務命令給到電動扳手，同時對電動扳手擰緊完成之后的擰緊數據進行處理，反饋至擰緊控制電腦，擰緊控制電腦解析扳手控制器返回的擰緊數據文件，插入到相應車輛擰緊表中，將擰緊數據傳輸給返修電腦及服務器；

擰緊返修電腦與服務器通訊，接收本條線上的擰緊結果, 與擰緊PLC通訊，在車輛進站后調取該車在本條線的擰緊結果，負責對擰緊不合格的車輛返修后進行消項；

擰緊服務器與生產網對接，集中配置整車工藝信息，并發送至各擰緊點，接收儲存所有擰緊點擰緊數據信息，所有的擰緊數據放在數據庫服務器上，這些數據是擰緊數據評估的基礎；

電子質量系統接收擰緊服務器反饋的整車擰緊合格與否的結果，同時與整車合格證打印系統聯網，只要是有擰緊不合格項，該車無法打印合格證，無法流出車間。各模塊之間的數據流傳輸如圖4示。

圖3　電動扳手聯網數據流

四、復緊力矩檢測

復緊力矩也稱靜態力矩，是指在螺栓擰緊完成后，采用數顯力矩扳手或其他工具測量裝配后的螺栓的力矩，這種方法一般采用人工操作，所以一般采用抽檢的方式。針對汽車制造工廠，通常采用以下兩種方式對裝配后的復緊力矩進行檢驗和評價，一個是在裝配后立即檢測(通常裝配后30分鐘內測定)，另一種是在整車經過路試連續行駛、承受過載荷后再檢測，這時后大部分應力得到了釋放。德國大眾將這兩種檢測分別定義為MNA1和MNA2[5][6]。

采用復緊力矩檢測對擰緊質量進行評價時，一般需要注意以下幾點：

(1)復緊力矩為復緊螺栓或螺母轉過一定角度(不超過10 度)時的力矩最小值，通常情況下附著摩擦效應會導致峰值力矩的出現，即所謂的松動力矩，這是不允許作為復緊力矩來評價的；

(2)立即檢測(裝配后30分鐘內測定)需常常測定，以保證交貨合格，若生產線上有其他質保方式，該測量頻率可適度降低；

(3)復緊力矩不允許直接和圖紙中給定的擰緊參數和相應的公差范圍混為一談；

(4)測量結果的范圍控制極限限，需要根據統計分析的方式進行確定(比如借助統計軟件QS-Stat)。超過范圍的生產線必須時時監控并作好記錄，原因分析的結論可以是新范圍值的確定，但在沒有責任部門同意的情況下不允許改變裝配標準；

(5)擰緊設備的機器能力指數Cmk必須達≥1.67，過程能力指數Cpk≥1.33。

五、結論

本文從螺栓連接的基本原理入手，首先分析了在生產輸入時應考慮的影響夾緊力的因素，然后剖析了先進的電動扳手聯網系統結構及數據流技術，最后闡述了目前汽車工廠針對螺栓擰緊質量評價的常用的復緊力矩檢測方法，從生產輸入、過程監控、后續檢測三方面著手探討了汽車裝配過程中的螺栓擰緊質量控制方法。

參考文獻：

[1]司娟,李勇超,王樹杉.螺栓的緊固及其對汽車的影響[A].第十一屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].2014

[2]李士濤.螺栓擰緊技術及其應用[A].豪爵摩托獎廣東省汽車行業第五期學術活動論文匯編[C].2008

[3]馮德富.汽車裝配的螺栓擰緊[J].現代零部件.2009(12)

[4]李鴻,楊立鵬.汽車裝配中常見螺紋連接及其擰緊工具的選擇[J].科技風.2013(16)

[5]曲春紅.先進的螺栓擰緊系統在現代汽車生產中的應用[A].2013中國汽車工程學會年會論文集[C]. 2013

[6]李同科,簡學利.動、靜態扭矩在汽車裝配扭矩控制中的應用[J].汽車工藝與材料.2010(04)

中圖分類號：TH131；U463.99

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2016）04-0298-02

作者簡介：

許華 （1986.2），男，湖南岳陽人，碩士研究生，初級工程師，一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司總裝車間現場工程師，主要從事汽車新項目工藝及質量管理。