利用螺栓擰緊曲線調整優化擰緊策略

張 俊

（上海柴油機股份有限公司，上海 200438）

在發動機制造過程中，螺紋聯接是應用最廣泛的聯接方式，也是占比最大的作業過程。以某型2.0 L柴油發動機為例，發動機物料共計288種720個，其中螺紋聯接件物料共106種327個，種類和個數的占比分別為36.8%和45.4%。可見，在發動機制造過程中，螺紋聯接件裝配質量控制的重要性。通過對發動機裝配過程中某螺栓擰緊問題及發動機螺栓擰緊曲線的分析，得出優化改善擰緊策略的辦法。

1 螺栓擰緊工具的發展

在對產品質量、過程防錯要求以及生產自動化、智能化水平要求日益提高的情況下，發動機螺紋聯接件的裝配方式已基本淘汰了使用油壓脈沖扳手和定扭矩咔噠扳手作為批量生產裝配工具的方式，取而代之的是以電動擰緊軸和手持式電動擰緊扳手為代表的扭矩控制動力工具。與前者相比，扭矩控制動力工具具有兩方面優勢。一方面，螺栓的擰緊結果（是否符合設定要求、最終結果數據）可以即時顯示，從而可以即時判別、即時處置。另一方面，螺栓的擰緊可以由結果控制進化為過程控制，擰緊策略由“簡單的數據結果+合格/不合格判定信號”轉變為“可分步擰緊+全過程數據采集和控制”[1]。

扭矩控制動力工具在螺栓擰緊過程中記錄的“角度、扭矩、速度、時間”信息，見圖1。

圖1 螺栓的擰緊曲線

擰緊曲線具有相對穩定性。當某擰緊參數（螺紋聯接件、裝配環境、擰緊程序參數等）不變時，其擰緊曲線是相對穩定的。擰緊曲線可以表征整個擰緊過程是否正常。針于擰緊過程中遇到的問題，它可以幫助分析推測成因，進而解決問題。

2 某擰緊過程報錯問題的發現

某型2.0 L柴油發動機油底殼螺栓使用16顆M6螺栓固定在機體下框架上。該螺栓使用機器人控制的4軸電動擰緊機自動供釘、自動擰緊[2]。由于產品變型需要，該發動機油底殼有兩種配置：一種為原始配置油底殼，靜音設計，三明治結構；另一種為低成本配置油底殼，單層鋼板沖壓結構。油底殼螺栓目標扭矩均為14 N·m±1 N·m。低成本配置油底殼為新增變型，投入裝配后頻繁發生擰緊機擰緊過程報錯，多次造成生產中斷，成為阻礙正常生產的主要因素（表1為部分報錯螺栓擰緊數據）。

表1 部分報錯螺栓擰緊數據

3 擰緊過程報錯問題分析

從表1可以看出，擰緊過程報錯的油底殼螺栓一般表現為最終扭矩超出扭矩限制上限（15 N·m）。單從擰緊機控制器的擰緊結果上看，只能得到“NOK”的報警和最終扭矩值超出扭矩限制上限信息。這樣的結果用于生產線過程防錯已足夠，但不足以分析擰緊過程報錯的原因[3]。

從影響螺栓擰緊過程的因素分析，容易通過設備標定和物料數據橫向-縱向對比分別排除設備精度因素和物料因素。

對比調取報錯螺栓擰緊曲線（見圖2的報錯螺栓擰緊曲線）和合格螺栓擰緊曲線（見圖3的合格螺栓擰緊曲線）可以發現，兩者在扭矩-角度曲線上并無明顯差異，但是扭矩-時間曲線形態完全不同。合格螺栓扭矩-時間擰緊曲線呈現出明顯的雙峰形態，符合“多步法擰緊”的擰緊曲線特征，而報錯螺栓扭矩-時間擰緊曲線則是單峰結構。

圖2 報錯螺栓擰緊曲線

圖3 合格螺栓擰緊曲線

結合從擰緊設備工作日志可以查詢到的設備報錯信息（見圖4的事件記錄），可以發現設備報錯發生在擰緊過程的第3步和第5步。

圖4 事件記錄

查閱該螺栓的擰緊參數：第1步是軸診斷；第2步是認帽；第3步是將螺栓擰緊到8 N·m，檢查“故障安全時間”和“故障安全扭矩”；第4步是將螺栓擰緊到14 N·m，檢查“故障安全時間”“故障安全扭矩”和“峰值扭矩”；第5步是循環結束。第3步為“以700 r·min-1的轉速正向擰緊到8 N·m”，限制條件為“故障安全時間”和“故障安全扭矩”。

綜合以上分析可知，該擰緊過程故障報錯原因為在擰緊程序擰緊到第3步時，過程扭矩超出了所設定的安全扭矩限值（15 N·m）和峰值扭矩限值（15 N·m），導致擰緊程序在第3步中止運行報警并在第5步“Cycle End”報警，從而報錯螺栓“扭矩/時間”擰緊曲線呈現出單峰形態[4]。分析擰緊程序擰緊到第3步時超安全扭矩的原因，在于被聯接件的性質（零件一致性差異等）發生了變化，導致在擰緊過程進行到第3步時易扭矩過沖超過安全扭矩限值。

調閱合格螺栓擰緊曲線后同樣發現擰緊程序擰緊到第3步時，過程扭矩普遍存在不同程度超出該步設定扭矩（8 N·m）的現象，佐證了被聯接件一致性差異導致的扭矩過沖非偶發現象。

4 擰緊過程報錯問題的解決和驗證

從過程控制角度解決此油底殼螺栓擰緊過程中出現的扭矩過沖導致的超安全扭矩限值報警主要有以下手段。首先，降低過程轉速，有效減少扭矩過沖現象；其次，增加擰緊步驟，高速預擰緊保證節拍，低速到達最終目標扭矩保證擰緊質量；最后，優化過程參數，調整過程目標扭矩值，避免扭矩過沖后超出限值[5]。

本案例中考慮到生產節拍的需要，采用降低過程目標扭矩值的辦法優化擰緊策略，調整和優化第3步過程扭矩值，并在調整擰緊參數后持續跟蹤5 000余臺發動機80 000余條擰緊曲線，結果未再出現“超故障安全扭矩限值”和“超過程扭矩峰值”導致的設備報警現象，驗證了措施的有效性。

5 結語

不同螺紋聯接件的過程會以形態各異的擰緊曲線表現出來，因此擰緊曲線不僅可以幫助識別擰緊過程的結果，而且可以幫助分析不同的擰緊失效原因和優化改善擰緊策略，達到提高擰緊過程質量控制能力和提高生產效率的目的。