拉帶連接螺栓的緊固扭矩過程能力分析

申成振，栗林濤，袁文強(qiáng)，張斌，張博峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710022）

前言

汽車整車裝配，是汽車制造過程關(guān)鍵一環(huán)，螺紋副連接是汽車行業(yè)運(yùn)用最廣泛的連接工藝。螺紋副連接的預(yù)緊力是否可靠，緊固扭矩的裝配質(zhì)量和運(yùn)行能否有效保障，主要受兩方面影響：合理設(shè)定所裝配的緊固扭矩設(shè)計(jì)值，以及對(duì)螺紋副扭矩的緊固進(jìn)行有效控制。

進(jìn)行螺紋副連接的緊固扭矩過程能力的分析，是對(duì)汽車螺紋副連接質(zhì)量及運(yùn)行可靠性保障能力的評(píng)估。而本文探討的汽車尿素噴射系統(tǒng)中用于緊固尿素罐的兩條拉帶螺栓，是行業(yè)內(nèi)較常見的一種含螺紋副連接的形式，其結(jié)構(gòu)為兩端各一個(gè)T形螺栓與中間的拉帶（帶材）焊接連接形成（如圖1所示），但目前這種結(jié)構(gòu)的緊固扭矩缺乏完善的分析計(jì)算方法，主要參考經(jīng)驗(yàn)公式和工藝試驗(yàn)，同時(shí)在采用扭矩控制法緊固時(shí)，緊固特性與常規(guī)緊固件有一定的差異。這增加了明確緊固扭矩設(shè)計(jì)值和保障裝配可靠性質(zhì)量的難度。

本文對(duì)這種拉帶螺栓采用扭矩控制法進(jìn)行緊固扭矩的工藝試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)值為雙向容差，采用SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）的分析方法，進(jìn)行該工藝與設(shè)計(jì)期望正態(tài)一致性程度的評(píng)估檢驗(yàn)，分析過程能力指數(shù)(Cpk值)，進(jìn)行均值-極差（Xbar-R）控制圖分析。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和過程能力試驗(yàn)方法

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

尿素箱總成產(chǎn)品（如圖2所示）由拉帶螺栓（2條）、螺母（4個(gè)）、L形支架、橡膠條（2條）、尿素罐、計(jì)量泵支架等裝配而成；其中拉帶螺栓與螺母為螺紋副連接，橡膠條墊于尿素罐和拉帶螺栓之間，通過L形支架和計(jì)量泵支架固定尿素罐；螺紋的規(guī)格為M10粗牙，支架為碳鋼沖壓件且表面涂漆，尿素罐材料選用高密度聚乙烯。拉帶螺栓兩頭為T形螺栓，與中間采用的拉帶（帶材材料為不銹鋼）焊接形成（如圖1所示）。

圖1 拉帶螺栓結(jié)構(gòu)

圖2 尿素箱總成結(jié)構(gòu)

1.2 過程能力試驗(yàn)過程

參考?xì)W系汽車廠采用扳手測螺栓發(fā)生屈服時(shí)來估算緊固扭矩的經(jīng)驗(yàn)[1]，以尿素箱總成零件達(dá)到屈服為參考目標(biāo)，進(jìn)行緊固扭矩的工藝試驗(yàn)，得出緊固扭矩設(shè)定值目標(biāo)為5Nm±2Nm。

抽樣30件小批試生產(chǎn)驗(yàn)證中的尿素箱總成，依次進(jìn)行樣件左右2條拉帶螺栓的緊固測試。螺紋緊固采用扭矩控制法，先對(duì)拉帶螺栓底部螺栓進(jìn)行安裝緊固，然后使用杜派TDIS-40定扭氣扳手依次進(jìn)行兩條拉帶螺栓的螺紋副緊固(在圖2所示位置并控制扳手緊固沖擊次數(shù)），扳手的預(yù)設(shè)扭矩為5Nm（達(dá)到設(shè)定扭矩自動(dòng)斷氣）；最后使用數(shù)顯式扭力扳手，在2分鐘內(nèi)測取記錄扭矩讀數(shù)。測量結(jié)果見表1。

表1 拉帶螺栓螺紋副連接緊固扭矩 單位：Nm

2 緊固扭矩的統(tǒng)計(jì)過程控制分析

2.1 正態(tài)性檢驗(yàn)

雙向容差的汽車批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在沒有特殊偏差下，一般是服從正態(tài)分布規(guī)律的，其分布曲線為高斯曲線，記為X～N(μ，σ2)。由于在n≥30的大樣本[2]隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)下，產(chǎn)品穩(wěn)定狀態(tài)下的過程標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)未知，我們假設(shè)拉帶螺栓的緊固扭矩隨機(jī)測量值，服從產(chǎn)品期望緊固值（5Nm）要求正態(tài)分布 X～N(μ，σ2)，其誤差可信程度為 95%；則可采用“t檢驗(yàn)”[3]的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)（即μ的檢驗(yàn)）。

假設(shè)檢驗(yàn)方法為：以樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差S代替穩(wěn)定過程中產(chǎn)品的σ值，進(jìn)行無偏估計(jì)；得出拒絕這種符合正態(tài)性假設(shè)的拒絕域條件為：。為扳手的預(yù)設(shè)扭矩值5Nm，置信水平取（雙尾檢驗(yàn)），則查表。計(jì)算得：左側(cè)；右側(cè) S=0.51，。則可知右側(cè)拉帶螺栓的扭矩檢測數(shù)據(jù)，在 95%的顯著性水平下接受前述的假設(shè)檢驗(yàn)，認(rèn)為符合正態(tài)分布規(guī)律；而左側(cè)雖然，但按檢驗(yàn)公式衡量：在0.05的顯著性水平下，是拒絕這30組數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布假設(shè)的，主要是由于4.799Nm的均值扳手設(shè)定值中心偏差較大所致。

對(duì)左側(cè)拉帶螺栓樣本也可以采用“p檢驗(yàn)”[2][3]。在EXCEL工作表中按公式TDIST（2.20，29，2）計(jì)算，得出其雙邊檢驗(yàn)的概率p值為0.0354，與“t檢驗(yàn)”的假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)論一致。

2.2 過程能力指數(shù)（Cpk）分析

忽略產(chǎn)品過程中心偏移：產(chǎn)品過程能力的評(píng)價(jià)可按Cp=T/6σ≈T/6 ，T為產(chǎn)品公差要求；抽樣的隨機(jī)測試數(shù)據(jù)的處理，應(yīng)以S代替σ值進(jìn)行無偏估計(jì)。

實(shí)際上近似正態(tài)分布的測量數(shù)據(jù)樣本與扳手設(shè)定值的設(shè)計(jì)要求是存在中心偏移的，因此本文工序試驗(yàn)的過程能力應(yīng)按Cpk（過程能力指數(shù)）[4]進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算按式（1）：

式中：ε為樣件的均值（μ）與產(chǎn)品公差中心（M）的偏移值（即ε=|M-μ|）。

樣本的標(biāo)準(zhǔn)差S，按式（2）計(jì)算[4]

打響民生水利品牌，出自2011年廣東省水利工作會(huì)議上汪洋書記的講話。它揭示了廣東過去一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的顯著特點(diǎn)，也指明了廣東未來一個(gè)時(shí)期水利改革發(fā)展的總體方向。

左側(cè)拉帶螺栓數(shù)據(jù)樣本計(jì)算結(jié)果為：S=0.49，Cp=1.36，ε=0.20，Cpk=1.22；右側(cè)結(jié)果為：S=0.51，Cp=1.30，ε=0.04，Cpk=1.27。左右兩側(cè)的Cpk值均在1.0到1.33之間。

表明了該過程能力尚可，但未達(dá)到過程能力充足的評(píng)價(jià)等級(jí)要求；仍需注意控制，防止發(fā)生大的波動(dòng)[5]。

minitab軟件得出的左右兩側(cè)過程能力直方圖如圖3、圖4所示。

圖3 左側(cè)拉帶螺栓緊固能力直方圖

圖4 右側(cè)拉帶螺栓緊固 能力直方圖

2.3 極差-均值控制圖分析

文獻(xiàn)[4]提出：為提高過程能力(從而改進(jìn)性能)，將精力集中在減少普通原因上，為此要求對(duì)系統(tǒng)采取管理措施，加以糾正，對(duì)改變的過程制作控制圖并分析，通過連續(xù)監(jiān)視控制圖確保系統(tǒng)改進(jìn)的有效性。

表2 -R控制圖控制界限計(jì)算公式

表2 -R控制圖控制界限計(jì)算公式

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式中：A2、D3、D4為常數(shù)分別取1.880、0、3.267。R、為樣件極差值與級(jí)差均值。

圖5 樣件的控制圖（左右側(cè)整體）

圖6 樣件R控制圖 （左右側(cè)整體）

若單獨(dú)對(duì)樣件左側(cè)與右側(cè)的緊固扭矩樣本進(jìn)行受控狀態(tài)分析。控制圖控制線準(zhǔn)則按 CL=μ，μ±3σ判定。左側(cè)與右側(cè)緊固扭矩樣本控制圖如圖7、圖8所示。

圖7 左側(cè)緊固帶扭矩控制圖

圖8 右側(cè)緊固帶扭矩控制圖

可以看出：檢測生產(chǎn)過程中抽樣的樣件緊固扭矩值，其緊固扭矩的過程生產(chǎn)是可控的。（連續(xù)30均未超出上、下控制線界限；在控制域內(nèi)未出現(xiàn)間斷、傾向、周期等異常現(xiàn)象；若按“界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)判異”評(píng)判[6]，右側(cè)緊固帶扭矩中有兩組點(diǎn)連續(xù)3點(diǎn)中有2點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)外，如批產(chǎn)過程則需引起關(guān)注）。

3 統(tǒng)計(jì)過程分析的數(shù)據(jù)結(jié)論

1）正態(tài)性假設(shè)檢驗(yàn)：在 95%誤差可信程度的近似服從正態(tài)分布假設(shè)下，樣本右側(cè)拉帶螺栓扭矩值接受假設(shè)檢驗(yàn)（服從正態(tài)分布），左側(cè)拒絕假設(shè)。可以看出：杜派 TDIS-40定扭氣扳手在5Nm要求的生產(chǎn)過程保障中，可能會(huì)產(chǎn)生緊固值均值較大的“中心偏差”，進(jìn)而難以接受0.05顯著性水平下的正態(tài)性檢驗(yàn)。

2）Cpk值：左右兩側(cè)扭矩值的Cpk值均在1.0到1.33之間。按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：工序能力均都不充足，若認(rèn)可本試驗(yàn)過程則在實(shí)施時(shí)需注意控制和監(jiān)控。在本案例中，在未驗(yàn)證出更優(yōu)扭矩緊固控制方法和產(chǎn)品改進(jìn)之前，可以考慮臨時(shí)采用這種工藝生產(chǎn)，但要求工藝必須制定扳手定期標(biāo)定計(jì)劃和加強(qiáng)檢測等措施。

3）控制圖分析：小批試生產(chǎn)的驗(yàn)證，其過程是可控的。可預(yù)估：在沒有特殊的外界偏差干擾下，其小批及批產(chǎn)過程也是具備可控能力的。

4 結(jié)論

由于尿素箱總成的拉帶螺栓緊固扭矩，比常規(guī)螺紋副的扭矩緊固更難以進(jìn)行控制；文章抽樣了使用定扭氣扳手及扭矩控制法緊固的拉帶螺栓扭矩檢測數(shù)據(jù)，借助SPC工具進(jìn)行過程能力分析。包括：樣本是否與設(shè)計(jì)設(shè)定要求一致程度的正態(tài)性假設(shè)檢驗(yàn)，過程能力分析（CPK值評(píng)價(jià)），通過控制圖進(jìn)行過程穩(wěn)定性及可控性的分析。

數(shù)據(jù)表明：1）杜派TDIS-40定扭氣扳手在緊固過程中，可能會(huì)產(chǎn)生“中心偏差”，進(jìn)而難以接受顯著水平0.05下的假設(shè)檢驗(yàn)；2）樣件緊固扭矩過程能力均不充足，如臨時(shí)接受按此工序進(jìn)行生產(chǎn)，則需加強(qiáng)生產(chǎn)過程的控制和檢測。3）生產(chǎn)過程基本上是穩(wěn)定、可控的。

根據(jù)分析結(jié)論，一方面考慮提升泵支架剛度和增加尿素罐厚度等產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善緊固扭矩設(shè)定值要求；另一方面考慮通過改進(jìn)扭矩控制方法、改進(jìn)扳手工具、制定過程監(jiān)測控制計(jì)劃等控制措施，滿足產(chǎn)品質(zhì)量保障要求。