擰緊曲線在預防緊固件裝錯方面的應用

李德鑫

摘 要：本文根據某車型發動機懸置螺栓用錯的問題，通過對比分析正常擰緊曲線和異常曲線，找出差異點，采取有針對性的電槍擰緊程序監控角度，實現了電槍設備探測懸置螺栓用錯的故障，消除了缺陷逃逸的風險。

關鍵詞：擰緊曲線;角度監控;電槍擰緊

1 前言

擰緊扭矩曲線是使用高精度電纜槍施加扭矩時，工具探測并記錄下來的擰緊過程信息，一般包括扭矩、角度、時間及轉速等信息。擰緊曲線對于緊固件的擰緊過程，就如同脈搏對于人體，從脈搏可以探知人的健康狀態。同樣，從擰緊曲線也可以看出整個擰緊過程是否正常，可以推測出擰緊過程中遇到了什么問題。以某車型A螺栓為例，其擰緊曲線如圖1所示（最終扭矩110N.m，采用兩步擰緊策略的Atlas電槍擰緊）。

擰緊曲線具有相對穩定性，當某一緊固件擰緊參數（緊固件、裝配件、裝配位置環境、擰緊程序參數等）不變時，其擰緊曲線是相對穩定的，相似的。統計50條A螺栓的擰緊曲線，可以看出擰緊曲線是具有高度一致性的，如圖2所示。

2 異常曲線分析

某車型發動機懸置固定螺栓在45工位使用Atlas電槍施加最終扭矩。由于車型配置不同，螺栓有兩種，自動檔配置使用B螺栓（M12*1.75*57.5），手動檔配置使用C螺栓（M12*1.75*70）。故障車為自動檔配置，錯誤裝配了C螺栓（由于懸置結構不同，B螺栓在手動檔配置上無法完成裝配），兩種螺栓長度不同，B螺栓為全螺牙，C螺栓為半螺牙狀態，但是螺帽相似，裝配后無法辨識區分。兩種螺栓外觀狀態如圖3所示。

該車型在45工位需要施加4顆緊固件扭矩（2個螺栓，2個螺母，均為110N.m），電槍采用相同的擰緊程序（第一目標扭矩70N.m，最終扭矩110N.m，監控角度10-150度，起始扭矩70N.m），根據裝配工藝順序，最后打緊的為懸置螺栓。

調取故障車和正常車輛的擰緊曲線進行對比，發現正常車輛4條曲線雖然局部有差異，但是整體上是相似的。故障車4條曲線中有1條與其他曲線明顯不同，正常曲線在20N.m到110N.m之間的斜率較大（較陡），并且比較穩定，如圖4所示。異常曲線則分為兩個明顯不同的部分，在20N.m到60N.m之間的斜率較小（較平緩），有小幅度的密集波動，在60N.m到110N.m之間的斜率較大（較陡），與正常曲線相似，如圖5所示。初步分析認為異常曲線是使用錯誤螺栓的擰緊曲線。

3 異常曲線故障重現

為了進一步證實異常曲線就是使用錯誤螺栓擰緊的曲線，驗證兩輛車使用錯誤螺栓進行裝配，跟蹤擰緊過程，并監控擰緊曲線，如圖6/圖7所示。

可以看出兩輛驗證車的打緊錯誤螺栓的曲線均與其他曲線不同，扭矩在20N.m到60N.m之間的斜率較小，在60N.m到110N.m之間的斜率較大，與原故障車的異常曲線有高度的相似性。經過分析可以確定，自動檔配置車型如果裝配了C螺栓，其擰緊曲線有獨特性，與正常曲線有明顯差異。

使用C螺栓預裝到自動檔車型懸置零件，可以看出螺栓有3mm左右無螺牙部分露出，如圖8所示。將驗證車的C螺栓退出后，可以明顯看出螺栓中部無螺牙區域有明顯磨損痕跡，該位置正是預裝時露出懸置的無螺牙部分，如圖9所示。分析認為，當擰緊C螺栓到無螺牙部分時（此時懸置與底座并未貼合），隨著螺栓轉動無螺牙部分開始擰入底座螺孔，螺孔螺牙被擠壓磨損，扭矩開始緩慢波動上升。當懸置與底座貼合時，扭矩開始快速上升，直到110N.m的目標扭矩，整個擰緊過程與異常曲線的表現一致。由于C螺栓和自動檔配置發動機懸置結構是穩定的，所以自動檔配置使用C螺栓擰緊的異常曲線也是穩定的，其具有的特征也是穩定的，排除了隨機性的可能。

4 異常曲線探測

依靠人員目視檢查來防止螺栓用錯的方法，可靠性差，有效性低，通過結構或設備來防錯具有更大的優勢。根據自動檔配置車型使用C螺栓裝配的擰緊曲線特點，可以通過優化擰緊程序監控角度來實現探測。

45工位電槍擰緊程序，原監控角度為10-150度（起始扭矩70N.m）。由于異常曲線在60 N.m到110N.m階段與正常螺栓曲線是相似的，所以現有角度監控無法探測出異常曲線。根據異常曲線在20N.m到60N.m階段，斜率低，轉動角度大的特點，可以增加該階段的角度監控，實現對異常曲線的探測和報警。

統計10組使用錯誤螺栓的擰緊數據，以及200組正常螺栓的擰緊數據，發現正常螺栓數據扭矩從35N.m到110N.m，轉動角度集中在50-130度之間。錯誤螺栓數據扭矩從35N.m到110N.m，轉動角度在300-500度之間。考慮到實際擰緊過程的波動性，將監控角度確定為10-170度（起始扭矩35N.m）是合理的，是可以探測出異常曲線的。

5 探測有效性驗證

更改電槍程序角度監控值后，跟蹤五個班次的擰緊數據，未發現有誤報警故障。為了驗證新程序的有效性，隨機抽取現場3輛該車型，使用錯誤螺栓進行裝配，電槍擰緊時均報警不合格（原因為監控角度超差），其中1輛驗證車電槍報警及擰緊曲線如圖10所示。

通過跟蹤驗證可以看出，新程序對正常螺栓擰緊過程無影響，不會產生誤報警問題。對使用錯誤螺栓的驗證車輛可以有效的探測出異常曲線并報警擰緊不合格，提醒員工確認螺栓狀態，防止缺陷逃逸出工位。

6 結束語

本文主要針對某車型不同配置之間發動機懸置螺栓用錯的問題，通過分析并確認使用錯誤螺栓擰緊的異常曲線，找出與正常螺栓擰緊曲線的差異，采取優化電槍擰緊程序監控角度的措施，實現了通過設備來探測螺栓用錯的故障，消除缺陷逃逸出裝配工位的風險。