作为成品车制造的最后一道工序, 如何将各零部件以最恰当、最经济的方式结合在一起就显得很重要, 这不仅仅关系着制造的成本, 也决定着驾乘人员的生命财产安全。通过有效且稳定的拧紧工艺控制, 保证所产出的车辆均处于较高的质量水平。

  拧紧工艺作为总装的核心技术,一直在持续不断的发展更新, 硬件不断的提高的同时, 出现了慢慢的变多的操控方法、管控策略。如何将拧紧的效果发挥到最佳, 使各部件能可靠地结合在一起也是各研发制造部门需长期研究的。

  随着拧紧水平的提高, 能够从生产的全部过程中获得详细的生产数据, 据此对拧紧的生产的全部过程来控制, 这些对提升拧紧工艺都有很大帮助。

  总装厂内常见的基本的拧紧操控方法包括:扭矩控制法、扭矩控制—角度监测法、扭矩+角度控制法、斜率法等。

  每一种方法都须结合现场硬件等级情况实施, 最终目的都是期望得到合适的预紧力(也称张紧力、夹紧力等) , 保证零部件之间能够存在可靠的连接。

  但因预紧力往往不易测得, 并且也很少有具备直接测量预紧力的生产型设备, 所以需通过运用各种拧紧操控方法, 来达到最终形成合适的预紧力这一目的。

  扭矩控制法也叫扭矩法、直接拧紧法、扭矩拧紧法等, 此方法是目前最为主流的一种拧紧操控方法, 优势为简单易操作、对设备要求不高。

  主要是依据螺栓在拧紧过程中, 其预紧力随着螺栓的拉伸呈线性变化这一特性, 如图1所示。

  拧紧扭矩系数K与工件状态、表面粗糙度等诸多因素相关。这种操控方法大致步骤为:在计算出此处需要的预紧力之后, 根据国标或者VDI等有关标准及前期设计的工况综合判断, 进行紧固件选型, 然后使用选出来的紧固件进行多次测试, 在拧紧的过程中根据拧紧曲线在达到所要求的预紧力时的点位得出初步的控制扭矩。

  可使用如ATLAS厂家的BLM5000和TPT200/100夹紧力传感器、MC900超声波分析仪及配套软件、高精度电控扭矩扳手STWrench等设备, 配合至少50颗已贴超声波贴片的螺栓来测试。常见的拧紧工艺测量设备如图2所示。

  例如, 作者对某车的副车架车身连接螺栓来测试(现场测量状态见图3) , 需达到的预紧力为80 kN, 使用的标准件为规格10.9级M16×2粗牙螺栓。

  经过多次测量及数据分析, 此规格螺栓台架试验的最小极限拉伸载荷为180 kN (见图4) , 可满足所需预紧力要求, 在扭矩为258 N·m时可达到一定的要求的预紧力(见表1) , ±3σ的偏离程度为7.24%, 处于经验公式以内, 因此±3σ可作为初步管控标准。

  此方法是在扭矩控制法的基础之上, 引入角度监测, 用于识别多种异常工况。

  扭矩值达到一定的要求, 角度值低于监控范围, 可能螺纹孔有焊渣、残胶, 螺栓未手动预紧导致歪斜, 或者零件、标准件出现异常。

  扭矩值达到一定的要求, 角度值高于监控范围, 可能螺栓或螺纹被破坏, 沾染油渍, 出现拧断, 或者零件、标准件出现异常。

  扭矩值低于要求, 角度值高于监控范围, 也许会出现螺纹被破坏, 出现打滑, 或者零件、标准件出现异常。

  出现其他情况, 可能因设备故障。APEX拧紧电枪的程序编辑界面(图5)中, Angle Low Limit和Angle High Limit就已限定了角度监控的范围, Threshold为门槛扭矩, 即角度监视的0°对应力矩上的起始点。

  参数来源上, 门槛扭矩的来源多以经验公式计算或者从曲线上做多元化的分析判断, 但二者基本都基于实际拧紧数据而得出。

  例如, 以某车型的转向机与前副车架连接螺栓的拧紧(如图6所示)为例, 拧紧的目标力矩为105 N·m, 使用的设备为APEX的48EAE175AX6B拧紧电枪、MPRO400GC-E控制器。

  从控制器提取出曲线, 并将大量曲线按照同样的比例进行投影, 模拟出大量螺栓的拧紧曲线分布情况。单条曲线, 多条曲线。

  从投影中可见在螺栓处于拧紧初步阶段曲线差异较大, 随着拧紧作业持续, 轴向力慢慢的变大, 使扭矩产生差异的因素作用越来越小 (如零件和紧固件表面的细微差别等) , 最终曲线都能稳定在较小的区域内。

  选取门槛扭矩时, 应避免前期对扭矩产生影响的干扰区域。在这个案例中, 可按照投影中稳定区域的起点55 N·m进行选取, 最终大量角度落在了154°~187°之间, 然后将这些样本按照±3σ进行计算, 最终角度监控的范围是174°±30°。

  降低了不稳定且难于精确控制的摩擦因素, 能够使预紧力获得较小的离散差, 来提升拧紧质量。

  角度值的来源借鉴了扭矩控制—角度监测法, 即大量测量从门槛扭矩M0开始, 以此时的角度值作为起始值, 拧紧到要求的预紧力之间旋转的角度。最终的操控方法为M0+ø。

  图9(a)中, 在相同的扭矩M1作用完毕后, 预紧力差异为ΔF;图9(b)中, 在达到门槛扭矩M0之后, 分别旋转 ø 角度, 此时预紧力差异为ΔF0, 相对于M1作用下产生的ΔF1更小, 也就是能够使预紧力差异更小。

  斜率法应用场景范围较小, 因为对拧紧设备的要求比较高, 需在测试螺纹副装配扭矩随时间变化量的同时, 不断地测试螺纹拧紧转角随时间的变化量。

  式中:Δ为斜率;dT为拧紧扭矩变化量;dø为拧紧角度变化量。斜率法原理图如图10所示:当拧紧进入线性区域时, 此时的斜率能达到最大值;当拧紧进入螺栓的材料屈服阶段后, 随着拧紧角度的持续不断的增加, 扭矩的增速开始放缓, 因Δ为变化率的比值, 所以Δ开始降低, 当Δ趋向于规定值, 一般为 (1/2~1/3)Δmax, 发出结束拧紧控制信号。

  该控制方法的拧紧质量只与螺栓屈服强度有关, 而屈服强度不受扭矩控制法的摩擦因数和转角控制法的转角起始点的影响, 从而克服了扭矩控制法和扭矩+角度控制法的缺点, 提高了装配质量, 并最大限度地发挥了紧固件的潜力。

  是指在紧固件紧固过程中, 由紧固动力工具设定或由其传感器测得的紧固过程扭矩峰值, 动态扭矩不能在紧固件被紧固完之后测量。

  静态扭矩是指在紧固件紧固完成之后, 在一段时间内由扭矩检定工具在规定的转动幅度下继续在紧固方向上转动测得的扭矩值。

  动态扭矩由工具定值机构或者传感器来控制, 精度高, 需要的设备成本高, 由于是转动过程中的峰值, 所以不能直观地显示为最终的拧紧效果。欧美主机厂常用动态扭矩进行工艺控制和设备配套策略, 主要是采用的动力工具是拧紧轴、拧紧电枪等。

  静态扭矩多数依靠人工检测, 检测工具简单, 操作便利, 所需设备成本低, 较为接近紧固件的自然状况, 能更直观地显示最终的拧紧效果, 日韩系主机厂多采用静态扭矩进行工艺控制, 主要是采用动力工具配合扭矩扳手的形式。

  动态扭矩用来生产, 静态扭矩用于检验。研发给出的扭矩值需提前确认好属于哪一类, 接着进行另一套标准的建立。

  在研发给出动态扭矩作为控制标准时, 首先整理所有拧紧点的作业情况, 将有动力工具作为最终拧紧的工序, 将工具调至动态扭矩目标值, 拧紧后收集静态数据, 若满足力矩要求即可进行力矩预释放。

  在研发给出静态扭矩作为控制标准时, 由于最初没有动态扭矩, 并不知道静态扭矩需要对应什么样的动态扭矩, 且经过衰减后能保证达到静态扭矩的要求, 因此就需要由专门的小组在前期车辆试制阶段来完成此工作。

  先将静态扭矩设定到动力工具上, 进行10次一组的测量, 测量要通过表盘扳手测试并记录, 该扭矩为测量扭矩, 需要与扭矩数据库中的扭矩数据来进行对比, 如果一致则可将该静态扭矩作为动态扭矩直接释放到力矩管控清单, 如果不一致则要重新设定工具的扭矩, 直到测量的扭矩结果和静态扭矩一致为止。

  例如, 某主机厂的某车型, 其后副车架车身连接螺栓, 研发输入的为动态扭矩值200 N·m, 使用的设备为ATLAS型号为QST 62-350CT拧紧轴, 将设定值调至200 N·m之后, 进行实车拧紧, 然后使用NORBAR型号为WC4-340数显扭矩扳手测量静态扭矩 (见图14) , 大致步骤如下:

  拧紧工艺作为各车企总装工厂的核心工艺, 随着现代拧紧设备的快速的提升, 各种以前实现不了的拧紧控制策略都已陆续实现。