追溯曲線在分析擰緊問題中的應用

劉良剛，劉占鋒，王光輝

（蘇州匯川聯合動力系統有限公司，江蘇 蘇州 215500）

當前螺栓緊固件被廣泛應用在汽車、航空、 通用電子等各行各業，作為“工業之米”，尤其是在汽車行業有著不可替代的重要作用。為此，從業者已對擰緊的上下游做了大量的研究工作，本文作者結合自身多年擰緊工具制造商和主機廠裝配擰緊過程控制的從業經歷，希望通過自身對裝配擰緊典型案例的失效分析經驗分享和思考，給廣大讀者和螺栓緊固工藝研究人員帶來幫助和提高。

1 螺栓斷裂問題

通常造成螺栓斷裂（見圖1）的主要原因有螺栓重復擰緊、螺栓過屈服、螺栓本身強度不足、設備下壓力度過大等。下面通過對一些典型問題的案例分享以及曲線分析分別進行介紹[1]。

圖1 某螺栓斷裂照片

1.1 重復擰緊造成螺栓斷裂

在某發動機裝配車間，部分螺栓擰緊工位被定義為屈服擰緊控制即采用扭矩加轉角控制策略[2]，這些螺栓本身不容許出現重復擰緊。從理論角度來講，螺栓擰緊本身已經進入塑性區間，一旦重復擰緊有極大可能性造成螺栓的斷裂。

從追溯系統的狀態記錄顯示來看，該位置螺栓在極短時間3秒之內，被再次擰緊。而正常螺栓緊固的間隔時間在7秒以上。因此，判定該位置螺栓被重復擰緊。

另外，從圖2中擰緊扭矩對角度對比曲線來看，A螺栓擰緊趨勢顯示擰緊的正常角度跨度在25°左右，而失效的B螺栓在第一次擰緊后，B螺栓重復擰緊整體跨度角度僅3°，再次說明該B螺栓擰緊位置發生了重復擰緊。

對于該失效，經過現場調查因該位置螺栓等級為12.9級高強度螺栓采用扭矩加轉角策略，實際B螺栓第一次，擰緊曲線頂端觀測已經進入屈服區間。而該新員工并未對螺栓進行更換，直接對該處螺栓再次擰緊，重復擰緊曲線顯示為B螺栓復擰曲線。由此，螺栓發生過屈服斷裂[3]。針對此類型失效，一方面，建議從管理維度，將該工位的螺栓禁止重復使用明確進現場控制計劃和作業指導文件中，并加強對操作人員的培訓管理；另一方面，建議工程技術人員增加以下邏輯防錯控制，即出現擰緊不合格時，且廢料盒收到不合格螺栓丟棄信息后，再利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）發送使能信號，讓擰緊工具啟動，否則工具被鎖定無法啟動。通過上述兩個方面的措施改進努力，降低類似問題再發的潛在風險。

圖2 追溯系統螺栓重復擰緊曲線詳情

1.2 螺栓強度不足造成螺栓斷裂

某擰緊工位目標擰緊扭矩為（28±3）Nm，螺栓等級為8.8級，擰緊曲線如圖3所示。其中，左側正常螺栓擰緊曲線到達貼合面之后扭矩陡升顯著，并在到達目標扭矩后立即下降。而異常螺栓在扭矩峰值尚未達到28 Nm情況下，從異常螺栓的曲線軌跡來看，曲線頂部出現較長平緩區間發生塑性變形，并最終發生斷裂。

圖3 追溯系統螺栓強度不足屈服擰緊曲線詳情

進一步對該異常批次螺栓抗拉強度進行測量確認，該批次螺栓抗拉強度不符合要求，標準最低要求800 MPa，實際均在800 MPa 以下，具體如表1所示。

表1 不合格批次螺栓抗拉強度測量值

1.3 過擰造成螺栓斷裂

圖4為某固定式擰緊軸自動擰緊工位的失效曲線對比詳情，從曲線上看，失效位置螺栓被多次擰緊，最后一次擰緊如左側虛線所示，峰值扭矩已經最大，達到了18 Nm左右，遠高于正常扭矩設定范圍（11.5±1.5）Nm。由于過扭擰緊導致螺栓斷裂。

圖4 追溯系統螺栓過擰緊曲線詳情

通過分析和現場了解，該工位有重試功能，當螺栓第一次擰緊不合格后，系統容許多次擰緊，直至擰緊合格。

針對類似問題，一方面建議將重試功能取消或設定最高重試次數為3次，且重試需將螺栓初始認帽工藝參數設置為反松后再試；另一方面，建議在擰緊程序中增加最大安全扭矩限制，比如將該工位設定15 Nm，將可有效避免螺栓斷裂情況發生。

2 擰緊不合格問題

2.1 擰緊螺栓未貼合

這種情況，較多見于自攻螺栓的擰緊過程（見圖5），研發僅提供了制造工藝目標扭矩和精度要求，而詳細的過程參數設定和調整則更多依靠制造過程中裝配工藝技術人員不斷的完善和優化調整。

圖5 某自攻螺栓擰緊未貼合

通過調取追溯系統中的擰緊曲線，如圖6所示，正常螺栓和異常螺栓擰緊扭矩均已經達到目標扭矩，但是異常螺栓螺栓全過程的擰緊角度相比較正常螺栓少了1 000°左右[4]。經過調查分析，該自攻螺栓的擰緊過程受螺紋孔大小、螺栓規格大小、下壓力度、擰緊程序設置是否合理等多種因素影響。

圖6 螺栓擰緊未貼合追溯曲線詳情

針對這種情況，可以通過優化擰緊程序，將全過程的監控角度的范圍收窄，可以臨時進一步提高該潛在失效的探測效果。最終，可以通過對原材料螺栓和螺紋孔的尺寸改善，實現杜絕該類潛在擰緊未貼合問題的目的。

2.2 螺栓漏擰緊

某工位采用阿特拉斯品牌手持電動擰緊工具對4顆螺栓進行擰緊，PLC和擰緊工具控制邏輯中，已設置了計數功能，即收到4個合格信號后，工件才可放行。

其中有一個螺紋孔（#1位置）內部及表面均無任何擰緊過痕跡，實際按照擰緊順序操作的話，是對應最后一顆擰緊位置，懷疑該處存在漏擰緊情況，如圖7所示。

通過對擰緊追溯曲線，結合全過程角度值的分布情況（圖8），可見第三顆異常螺栓位置，螺栓旋入角度異常（米字標記）較正常角度明顯低了很多，離散非常明顯。可見，該第三顆位置螺栓被重復擰緊且被錯誤地進行了螺栓擰緊數量累加。

圖7 第四顆位置螺栓失效詳情

圖8 第三顆螺栓重復擰緊追溯旋入角度詳情

由本案例分析可見，重復擰緊和漏擰緊多數情況下是相伴相隨的。

為了規避這種情況，一方面建議收嚴監控角度，由于本例中正常擰緊角度在4 000°以上，可將電動擰緊工具的全過程監控下限角度設置到4 000°或更高，可有效探測該失效；另一方面，可通過增加定位臂和位置編碼器，有效識別擰緊位置，確保螺栓按照正確的位置被擰緊，進而防止出現因重復擰緊造成的其他位置漏擰緊情況產生。

2.3 螺紋孔偏大導致擰緊不合格

某工位采用阿特拉斯QST固定式擰緊軸半自動同步擰緊7顆自攻螺栓。工藝扭矩設定要求為11.5 Nm±1.5 Nm。

如圖9所示，正常產品擰緊時間為6 s左右到達目標扭矩11.5 Nm。而失效螺栓虛線擰緊曲線所示的擰緊扭矩始終在3 Nm以下，遠未達到目標扭矩11.5 Nm，且用時超過10 s，遠遠超過正常工件擰緊所需時間6 s左右。

由于該工位螺栓為自攻螺栓，當擰緊完成之后，預置螺紋光孔已被攻出牙型，無法確認第一現場。而通過現場對設備的同軸度調查了解，擰緊軸套筒和螺栓已經完全落座，并確認螺栓已順利進入螺紋孔。因此，排除了因設備對中不佳，造成螺栓無法順利進入螺紋孔進而扭矩無法上升的情況。后經過進料質量技術人員對裝配產線后續新上線產品螺紋孔徑尺寸排查檢測確認（見表2），最終確認因螺紋孔尺寸偏大[5]，要求5.48 mm到5.58 mm，實際均大于5.58 mm，導致擰緊扭矩無法到位。針對該種失效，擰緊設備會100%進行攔截報警無流出質量風險。通過對原材料加工制成的進一步調查分析，產生原因系原材料刀具管理不到位，用錯絲錐導致[6]。為避免該類問題，除提高對換刀的變更管理納入跨部門評審以外，裝配產線后續也針對該失效增加進料抽檢頻次，盡可能將該潛在問題對裝配產線的合格直通率和返工返修影響降到最低。

圖9 某工位扭矩對角度追溯曲線對比詳情

表2 螺紋孔徑實際測量值

3 總結

通過上述現場擰緊問題調查以及對擰緊追溯曲線的對比分析，可見針對裝配擰緊問題的調查，需要深入裝配現場，做到現時現場現物，從人、機、料、法、環等多個維度，系統和嚴謹地開展各項調查工作，才能夠將擰緊問題抽絲剝繭，找到根本原因。另外，通過這些案例的分析處理，也再次說明了擰緊追溯系統的重要性，完善的擰緊追溯系統曲線和過程數據的堆疊分析功能給問題調查帶來極大便利，加快鎖定問題根本原因，為裝配擰緊制程管控水平和效率提升帶來巨大幫助。

當然追溯系統是幫助分析和解決擰緊問題的其中一個手段，擰緊裝配過程是否能夠全生命周期穩定受控，依然需要建立在嚴謹充分的正向產品設計驗證，原材料和制程緊固裝配全產業鏈上下游系統管理的基礎上，希望通過本文的總結歸納，從追溯系統的角度給廣大從業者提供一些借鑒和思考，幫助廣大從業者更好地分析和處理裝配擰緊問題。