工具轉速對擰緊扭矩質量的影響分析

李德鑫 韋軍 覃祖賓

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 前言

汽車總裝線常見擰緊工具按動力源可以分為三類：手動擰緊工具，電動擰緊工具和氣動擰緊工具。其中，電動擰緊工具因其具有體積小，重量輕，性能穩定可靠等優點而得到廣泛使用。常見手持式電動擰緊工具以電池作為動力源，通常被稱為“電池槍”。電池槍擰緊精度在10%以內，受手部人機工程限制，一般適合用于小扭矩擰緊點（≤10N.m）。

2 擰緊扭矩影響因素

衡量零部件裝配后的擰緊質量，常見方法是測量緊固件的靜態扭矩（也稱檢測扭矩），測量的靜態扭矩在監控范圍內，并且計算的過程能力水平高CP ≥1.33（CPK 受均值影響大，不適用于本文驗證環境），說明擰緊扭矩質量穩定可靠。影響靜態扭矩的因素很多，包括緊固件類型、摩擦系數、工具性能、擰緊轉速、零件材料等等，本文主要探討擰緊轉速的影響。

3 轉速影響分析

電池槍沒有復雜的控制器和傳感器，整個擰緊過程轉速是固定的。在生產線實際運行中，為了減少操作時間，電池槍轉速一般會設置的比較高。較高的轉速會造成工具穩定性差，受轉動慣性等因素的影響，轉速越高扭矩過沖問題越嚴重。同時，較高的轉速也會降低擰緊過程的摩擦系數，引起軸向夾緊力變大[1]，造成滑牙，鈑金變形及支架開裂等缺陷的風險增大。

4 擰緊驗證

小扭矩擰緊點按材料不同，一般可以分為“擰緊鈑金”和“擰緊塑料”兩類，兩者擰緊環境存在差異。選取某車型擰緊鈑金類型的前門鎖體，以及擰緊塑料類型的真空罐和壓力傳感器為驗證對象，對不同擰緊類型的前門鎖體和真空罐，驗證相同的轉速變化，對相同擰緊類型的真空罐和壓力傳感器驗證不同的轉速變化。

4.1 前門鎖體高轉速擰緊

前門鎖體裝配工藝如表1 所示。

表1 前門鎖體裝配工藝表

將標定合格的電池槍轉速調整為600rpm（轉/每分鐘），在生產線驗證擰緊100 顆前門鎖體螺栓（車門鈑金、鎖體以及緊固件均為相同批次，狀態差異可控），統計一次擰緊合格率為92%（擰緊過程發生脫帽4 次、滑牙2 次、打歪2 次），擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共32 組，如表2 所示。

表2 前門鎖體高轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖1所示。

圖1 前門鎖體高轉速擰緊檢測扭矩分析

4.2 前門鎖體低轉速擰緊

調整電池槍工具轉速為250rpm，繼續驗證擰緊100 顆前門鎖體螺栓，統計一次擰緊合格率為100%，擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共30 組，如表3 所示。

表3 前門鎖體低轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖2所示。

圖2 前門鎖體低轉速擰緊檢測扭矩分析

4.3 真空罐高轉速擰緊

真空罐裝配工藝如表4 所示。

表4 真空罐裝配工藝表

將標定合格的電池槍轉速調整為600rpm，在生產線驗證擰緊100 顆真空罐螺母（車身前橫梁、真空罐以及緊固件均為相同批次，狀態差異可控），統計一次擰緊合格率為94%（擰緊過程發生脫帽3 次、滑牙3次），擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共48 組，如表5 所示。

表5 真空罐高轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖3所示。

圖3 真空罐高轉速擰緊檢測扭矩分析

4.4 真空罐低轉速擰緊

調整電池槍工具轉速為250rpm，繼續驗證擰緊100 顆真空罐螺母，統計一次擰緊合格率為100%，擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共40 組，如表6 所示。

表6 真空罐低轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖4所示。

圖4 真空罐低轉速擰緊檢測扭矩分析

4.5 壓力傳感器高轉速擰緊

壓力傳感器裝配工藝如表7 所示。

表7 壓力傳感器裝配工藝表

將標定合格的電池槍轉速調整為1000rpm，在生產線驗證擰緊100 顆壓力傳感器螺栓（車身前大梁、壓力傳感器以及緊固件均為相同批次，狀態差異可控），統計一次擰緊合格率為88%（擰緊過程發生脫帽5 次、滑牙4 次，表面磨損3 次），擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共30 組，如表8 所示。

表8 壓力傳感器高轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖5所示。

圖5 壓力傳感器高轉速擰緊檢測扭矩分析

4.6 壓力傳感器低轉速擰緊

調整電池槍工具轉速為250rpm，繼續驗證擰緊100 顆壓力傳感器螺栓，統計一次擰緊合格率為100%，擰緊合格后抽檢檢測扭矩數據共30 組，如表9 所示。

表9 壓力傳感器低轉速擰緊檢測扭矩數據（N.m）

對上述數據進行能力分析，結果如圖6所示。

圖6 壓力傳感器低轉速擰緊檢測扭矩分析

4.7 數據對比

對前門鎖體、真空罐和壓力傳感器在不同擰緊轉速的驗證數據進行對比，如表10 所示。

表10 驗證結果對比

從表10 可以看出，使用較低轉速（250rpm）工具打緊，三個零件的一次擰緊合格率及檢測扭矩合格率均達到100%。在相同的轉速變化條件下，前門鎖體比真空罐扭矩狀態變化更大，檢測扭矩均值降低1.51N.m，降幅達到了24.1%，過程能力水平達到1.39，提升幅度達到87.8%。在不同的轉速變化條件下，壓力傳感器扭矩狀態變化更明顯，檢測扭矩均值降低1.05N.m，降幅達到了14.1%，過程能力水平達到1.91，提升幅度達到144.9%。

驗證結果顯示，對于不同的擰緊類型，較低轉速擰緊均可以有效抑制脫帽、滑牙、扭矩過沖等問題，大幅提高過程能力水平。與“擰緊塑料”類型相比，“擰緊鈑金”類型的緊固點對轉速變化更敏感，扭矩波動更大，對于擰緊位置鈑金偏薄，強度較低的緊固點，要嚴格控制工具轉速，防止出現鈑金拉裂、凹陷等嚴重質量問題。對于“擰緊塑料”類型的緊固點，轉速變化程度與擰緊質量變化程度有較強的關聯性，轉速降低程度越大，擰緊扭矩質量提升幅度越大。

5 結束語

本文通過對不同擰緊類型的零件進行實際擰緊分析，驗證了電池槍高轉速擰緊對扭矩質量的負向影響。在制定零部件裝配工藝時，需要對擰緊轉速進行約束，綜合考慮生產節拍、擰緊類型等多種因素，設置合理的擰緊轉速，在生產效率和裝配質量之間找到一個平衡點。