鄭友存

（上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海201401）

屈服區(qū)域轉(zhuǎn)角扭矩法擰緊系統(tǒng)

鄭友存

（上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海201401）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓，采用屈服區(qū)域轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法，考慮擰緊工藝參數(shù)的選擇確定、軸向預(yù)緊力的超聲波測(cè)量以及擰緊過程質(zhì)量控制的整個(gè)過程，建立一套可靠的擰緊系統(tǒng)。

螺栓預(yù)緊力擰緊工藝超聲波軸力測(cè)量

1 前言

螺紋連接作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最為普遍的緊固方式，其連接質(zhì)量直接影響著整車安全性、動(dòng)力性及功能性。各大主機(jī)廠都對(duì)螺紋尤其是重要螺紋的緊固系統(tǒng)十分重視，對(duì)軸向預(yù)緊力的控制、擰緊工藝及質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面作了大量的探索。

然而，最近幾年，很多發(fā)動(dòng)機(jī)廠家及擰緊設(shè)備供應(yīng)商均面臨一個(gè)新的課題，即考慮到成本投入及柔性化要求，越來越多的廠家采用柔性擰緊設(shè)備，對(duì)螺栓組進(jìn)行分步擰緊。在這種情況下，控制預(yù)緊力的離散性更加困難，再采用傳統(tǒng)的擰緊工藝及質(zhì)量評(píng)價(jià)手段就顯得有點(diǎn)力不從心。

本文重點(diǎn)介紹屈服區(qū)域轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法[1]，從柔性擰緊機(jī)構(gòu)、螺栓的受力分析、擰緊工藝參數(shù)確定、預(yù)緊力測(cè)量以及質(zhì)量控制等方面展開探討。

2 柔性擰緊機(jī)構(gòu)介紹

柔性擰緊機(jī)通常采用可變距的擰緊軸組，對(duì)螺栓組進(jìn)行半自動(dòng)或全自動(dòng)分組擰緊，也有些采用機(jī)器人帶擰緊軸來擰緊螺栓組。

圖1和圖2是我公司目前在使用的2種缸蓋螺栓擰緊機(jī)，10軸及4軸的擰緊機(jī)。

圖1 10軸擰緊機(jī)擰緊順序

10軸擰緊機(jī)的擰緊動(dòng)作如下：第1#組①~⑩軸同時(shí)擰緊；然后①、②軸停止，用伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)③~⑥、⑦~⑩擰緊軸組，進(jìn)行第2#組擰緊，完成4缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋18個(gè)螺栓的擰緊過程；6缸發(fā)動(dòng)機(jī)則再行進(jìn)到第3#組擰緊，共26個(gè)螺栓。擰緊機(jī)本體通過①、②軸帶動(dòng)與工件同步進(jìn)行流水作業(yè)，①~⑩軸通過變距可以實(shí)現(xiàn)4缸和6缸2個(gè)系列發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的擰緊功能。

4軸擰緊機(jī)的擰緊動(dòng)作如下：①~④軸同時(shí)擰緊，通過人工操作，依次進(jìn)行1#~5#組（對(duì)于4缸機(jī)），或1#~7#組（對(duì)于6缸機(jī)）的擰緊，其中擰緊第5#組(4缸機(jī))和第7#組(6缸機(jī))時(shí)，③、④軸自動(dòng)停止工作。

圖2 4軸擰緊機(jī)擰緊順序

3 螺栓連接的基本概念

3.1 螺栓連接的受力模型

有別于傳統(tǒng)的螺紋連接受力模型[2]，考慮載荷偏心而帶來的附加彎距作用的受力模型如圖3所示。當(dāng)外部載荷在0~FA之間變化，連接從受力開始時(shí)，沿V-H直線呈線性變化，從H點(diǎn)連接開始分離，從V-H直線逐漸彎曲與直線S-J相交。圖中的實(shí)線代表低預(yù)緊力FM1，虛線代表高預(yù)緊力FM2，可以表明，在高預(yù)緊力情況下螺栓承受的載荷變化幅度FSA2低于低預(yù)緊力下的變化幅度FSA1。因此預(yù)緊力不但直接影響殘余預(yù)緊力的大小，還影響螺栓的動(dòng)載荷應(yīng)力幅，從而影響螺栓的連接質(zhì)量及疲勞強(qiáng)度[3]。

圖3 偏心連接、偏心受力模型

這一理論導(dǎo)致螺栓連接的研究進(jìn)入到對(duì)預(yù)緊力的控制及減少離散性的研究，相應(yīng)發(fā)展出轉(zhuǎn)角扭矩法（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)角法）、屈服法等旨在有效控制預(yù)緊力的擰緊方法。屈服區(qū)轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法由于能實(shí)現(xiàn)比轉(zhuǎn)角法更好的預(yù)緊力離散性控制，因此被越來越多的廠家在發(fā)動(dòng)機(jī)重要部位的螺栓所采用。

3.2 屈服區(qū)域轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法

所謂屈服區(qū)域轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法，即采用“扭矩+轉(zhuǎn)角”的擰緊工藝，將擰緊力最終控制在螺栓屈服點(diǎn)之后附近的適當(dāng)位置，如圖4所示。

圖4 屈服區(qū)域扭矩角度擰緊法

對(duì)于轉(zhuǎn)角法擰緊工藝，在扭矩控制階段，初始扭矩產(chǎn)生的預(yù)緊力變化與摩擦系數(shù)直接相關(guān)。由于摩擦系數(shù)受螺紋材質(zhì)、表面處理、加工精度、潤(rùn)滑狀態(tài)、擰緊速度、溫度等因素影響很大，因此在本階段預(yù)緊力的離散性很大；進(jìn)入轉(zhuǎn)角控制后，在彈性范圍內(nèi)，預(yù)緊力的變化與聯(lián)接體的相對(duì)剛度有關(guān)，摩擦系數(shù)理論上對(duì)其沒有影響，預(yù)緊力比較穩(wěn)定；進(jìn)入屈服區(qū)后，預(yù)緊力的變化主要與螺栓的強(qiáng)度有關(guān)，而且由于斜率減小，同等角度變差，在屈服區(qū)域帶來的預(yù)緊力變差遠(yuǎn)比彈性區(qū)域的小，因此預(yù)緊力離散性大大減小。所以，對(duì)于要求預(yù)緊力充足且均勻的螺紋聯(lián)接，越來越多的廠家采用屈服區(qū)轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊工藝。

4 擰緊參數(shù)的確定及預(yù)緊力測(cè)量

4.1 扭矩及角度的確定

為了達(dá)到良好的預(yù)緊力控制，采用屈服區(qū)轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法必須對(duì)扭矩、角度等工藝參數(shù)進(jìn)行充分的計(jì)算、試驗(yàn)與調(diào)整。

首先，按照螺栓受力、數(shù)量及強(qiáng)度等確定螺栓所需預(yù)緊力的范圍，然后依據(jù)螺栓彈性特性、擰緊特性、墊片的承載特性試驗(yàn)及擰緊工具的狀況對(duì)擰緊工藝進(jìn)行初步計(jì)算及試驗(yàn)。螺栓起始扭矩一般為貼合點(diǎn)的扭矩或超過貼合扭矩，保證在轉(zhuǎn)角控制開始時(shí)螺栓及被聯(lián)接件變形均勻和穩(wěn)定，以便在施加轉(zhuǎn)角控制時(shí)螺栓的伸長(zhǎng)量更加穩(wěn)定。轉(zhuǎn)角θ可以按下式進(jìn)行初步計(jì)算：

其中，p為螺距；ΔL1、ΔL2、ΔL3分別為在轉(zhuǎn)角θ區(qū)域所對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力F2作用下螺栓、被連接件和墊片的變形量。

由于實(shí)際裝配條件與試驗(yàn)條件存在差異，比如螺紋的個(gè)體差異，而且考慮到采用柔性擰緊機(jī)對(duì)螺栓組進(jìn)行先后擰緊時(shí)，螺栓之間的預(yù)緊力還會(huì)互相影響。因此，為了獲得均勻分布的預(yù)緊力，必須現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)際預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力為準(zhǔn)，對(duì)擰緊參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4.2 預(yù)緊力的測(cè)量

實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)預(yù)緊力的測(cè)量，可以采用超聲波預(yù)緊力儀[4~5]，其測(cè)量原理見圖5。超聲波從傳感器傳播到螺栓末端過程中，當(dāng)遇到傳播介質(zhì)密度的突變，比如螺栓末端，大部分的超聲波反射，反射波通過螺栓被傳感器接收。預(yù)緊力儀測(cè)出聲波從發(fā)出到接收到反射波的時(shí)間，除以超聲波的往返次數(shù)，再乘以超聲波速度，即可獲得螺栓的超聲波測(cè)量長(zhǎng)度，用來作為計(jì)算的基本參數(shù)。由于超聲波的傳輸速度并非固定的常數(shù)，材料特性、應(yīng)力及溫度對(duì)其有很大的影響，因此必須通過試驗(yàn)對(duì)超聲波測(cè)量長(zhǎng)度進(jìn)行修正，之后可以得出螺栓的實(shí)際物理長(zhǎng)度，從而可以得到螺栓加載應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變，再通過預(yù)先試驗(yàn)標(biāo)定取得的螺栓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得到螺栓的預(yù)緊力。

對(duì)于特定受力范圍的螺栓，預(yù)緊力儀也可以直接用拉伸儀進(jìn)行標(biāo)定，即在試驗(yàn)室模擬螺栓實(shí)際的連接狀況，用拉伸儀測(cè)出螺栓的拉力，同時(shí)用超聲波預(yù)緊力儀測(cè)出對(duì)應(yīng)的數(shù)值，多次試驗(yàn)后用回歸分析得出預(yù)緊力儀與實(shí)際預(yù)緊力的關(guān)系式，利用這一關(guān)系式，實(shí)際生產(chǎn)中用預(yù)緊力儀可以測(cè)得螺栓的預(yù)緊力。

圖5同時(shí)還顯示螺栓擰緊最終落在彈性區(qū)域或屈服區(qū)域時(shí)的不同測(cè)量方式。螺栓擰緊落在彈性區(qū)域時(shí)，在擰緊前后測(cè)量，應(yīng)力導(dǎo)致的長(zhǎng)度變化量為ΔL；螺栓擰緊落在屈服區(qū)域時(shí)，由于螺栓發(fā)生塑性變形，因此在擰緊前后及松開后對(duì)螺栓長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，有效預(yù)緊力導(dǎo)致的長(zhǎng)度變化量為ΔL＇。

5 擰緊系統(tǒng)質(zhì)量控制

5.1 預(yù)緊力離散性主要影響因素及改善措施

采用以上的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)緊力測(cè)量方式來調(diào)整擰緊工藝，屈服區(qū)轉(zhuǎn)角扭矩法能夠減小預(yù)緊力的離散性。以本公司情況為例，采用柔性擰緊機(jī)，缸蓋螺栓的預(yù)緊力CPK值可以達(dá)到1.33以上，主軸承蓋螺栓的預(yù)緊力CPK值可以達(dá)到1.67以上。從其擰緊機(jī)理、設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步提高其過程能力。

圖5 超聲波測(cè)量預(yù)緊力

（1）提高螺栓材質(zhì)的穩(wěn)定性：屈服區(qū)扭矩/轉(zhuǎn)角法最終能獲得的預(yù)緊力與螺栓的彈性系數(shù)直接相關(guān)。

（2）穩(wěn)定螺紋副的摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)不但影響著角度起始點(diǎn)的位置，也影響最終實(shí)際扭矩的變差。螺紋采用專用緊固件潤(rùn)滑劑（也稱摩擦系數(shù)穩(wěn)定劑）進(jìn)行涂層處理，或在裝配時(shí)使用，不但可以大幅度降低摩擦系數(shù)，還可以降低摩擦系數(shù)的變差[5]。

（3）提高擰緊機(jī)自身的穩(wěn)定性及剛性：有些柔性擰緊設(shè)備在擰緊軸上帶有一些齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及中心距變距機(jī)構(gòu)，扭矩傳遞損耗比較大，再考慮到摩擦系數(shù)因素的影響，最終實(shí)際扭矩的相差比較大，因此擰緊軸承受的反作用力無法做到完全的同步及平衡。這種擰緊軸之間的相互影響將造成扭矩及角度控制的離散性增大，因此要選用足夠剛性的擰緊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)帶有承受反作用力的機(jī)構(gòu)更好。

（4）選擇合適的擰緊工藝步驟及參數(shù)也可以降低預(yù)緊力離散性，比如采用反復(fù)預(yù)擰緊、松開、再擰緊的多步驟擰緊方式，并且選擇合適的擰緊速度、加速度、同步等待處理等等。

5.2 擰緊過程質(zhì)量控制

對(duì)擰緊質(zhì)量的日常管理，很多企業(yè)通常定期用傳感器對(duì)擰緊機(jī)扭矩、角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，采用事后檢查法對(duì)螺栓連接的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，即在裝配結(jié)束后，采用指示式扭矩扳手以抽檢的方式進(jìn)行擰緊扭矩測(cè)試，看其是否落在x±3s的控制范圍內(nèi)。以上方法操作方便，有一定實(shí)用性，但局限性也很大，不但對(duì)實(shí)際擰緊的預(yù)緊力缺乏直觀檢測(cè)評(píng)價(jià)手段，而且對(duì)擰緊過程缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此可以采用以下方法進(jìn)一步完善。

1）擰緊系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)過程控制

設(shè)定合理的抽檢頻次，例如每班2次，用上述的超聲波預(yù)緊力測(cè)量法進(jìn)行抽檢，并采用如Xbar-R等統(tǒng)計(jì)過程工具，對(duì)抽查結(jié)果進(jìn)行控制管理，可以對(duì)擰緊系統(tǒng)狀態(tài)及變化趨勢(shì)進(jìn)行有效監(jiān)控。

一般情況下，超聲波預(yù)緊力儀對(duì)被檢測(cè)螺栓的頭部及末端的粗糙度都有特別的要求，因此檢測(cè)用螺栓需要事先準(zhǔn)備，可以在每批螺栓隨機(jī)選擇需要的數(shù)量，進(jìn)行端面精車或研磨等。

對(duì)于缸蓋等數(shù)量較大的螺栓組，考慮到檢測(cè)成本，可以對(duì)不同位置的螺栓進(jìn)行編號(hào)輪次抽檢，以便全面監(jiān)控。

2）擰緊步驟中的實(shí)時(shí)監(jiān)控

對(duì)擰緊過程中的各個(gè)階段，可以通過設(shè)置控制值與監(jiān)視值參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖6所示。通?？梢园凑毡?進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)視參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)方法來確定，即測(cè)量大量合格的螺栓擰緊數(shù)據(jù)，得到監(jiān)視參數(shù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差s。監(jiān)測(cè)范圍則根據(jù)實(shí)際“虛發(fā)”報(bào)警情況再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通常可取x± 3s~4s。

圖6 屈服區(qū)轉(zhuǎn)角扭矩法的擰緊過程監(jiān)控

表1 擰緊各階段參數(shù)設(shè)置

5.3 擰緊系統(tǒng)的防錯(cuò)控制

為了達(dá)到關(guān)鍵螺栓擰緊的零缺陷，對(duì)擰緊過程還需要采取必要的防錯(cuò)措施。擰緊過程如果采用全自動(dòng)操作，防錯(cuò)控制比較容易實(shí)現(xiàn)。但有些柔性擰緊機(jī)采用半自動(dòng)或人工作業(yè)，比如前文所提到的4軸缸蓋螺栓擰緊機(jī)即采用人工操作，因此必須對(duì)擰緊結(jié)果是否存在重復(fù)、遺漏，以及擰緊順序是否正確等采取有效的防錯(cuò)措施。

（1）重復(fù)擰緊的防錯(cuò)很簡(jiǎn)單，在上文的1#預(yù)擰階段設(shè)置合理的認(rèn)帽扭矩即可。比如有些螺栓已經(jīng)用風(fēng)動(dòng)扳手預(yù)先打緊，最大扭矩不超過50 N·m，那么可以設(shè)定認(rèn)帽扭矩為70 N·m，認(rèn)帽過程中如果超過70 N·m即判斷該組螺栓已經(jīng)擰緊過。

（2）遺漏防錯(cuò)可以采用計(jì)數(shù)器，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)沒有完成規(guī)定的合格次數(shù)即報(bào)錯(cuò)。比如設(shè)定缸蓋螺栓在3 m in之內(nèi)必須合格地完成26個(gè)螺栓的擰緊，超過時(shí)間即報(bào)漏擰。

（3）擰緊順序的防錯(cuò)，可以采用位置傳感器，比如上述的4軸缸蓋擰緊機(jī)，可以安裝7個(gè)傳感器。用于6缸機(jī)氣缸蓋螺栓擰緊時(shí)，必須按從1#到7#正確的工藝順序操作，否則擰緊機(jī)不能正常工作。

（4）為了便于目視檢查，可以在擰緊軸上裝噴墨印裝置，每合格擰緊一軸即自動(dòng)在工件上作標(biāo)記，便于檢查確認(rèn)。

（5）擰緊防錯(cuò)系統(tǒng)可以采用聲光報(bào)警，也可以與裝配線控制單元進(jìn)行通信，作不放行或停線等控制處理。

（6）對(duì)安全關(guān)鍵的螺栓，建立以發(fā)動(dòng)機(jī)流水號(hào)為索引的擰緊數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)擰緊過程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄，不但便于事后追溯，也有利于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為了保證對(duì)報(bào)警信息作出及時(shí)、正確的應(yīng)對(duì)處理，本公司在每天擰緊工作完成時(shí)，打印擰緊匯總報(bào)表，并由相關(guān)人員進(jìn)行簽字確認(rèn)，對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)處理，如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊情況日?qǐng)?bào)表

6 結(jié)束語(yǔ)

螺栓擰緊是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)螺栓擰緊過程的精確、可靠的控制，不但要保證螺紋質(zhì)量的穩(wěn)定，選擇可靠的擰緊設(shè)備，還需要不斷完善擰緊理論研究、擰緊控制方法、測(cè)量手段以及質(zhì)量管理手段。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓的擰緊而言，采用屈服區(qū)扭矩角度法擰緊系統(tǒng)是有效、可靠并且相對(duì)經(jīng)濟(jì)適用的。

1張瓊敏.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究[J].汽車科技，2003(02).

2楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1981.

3顧永生主編.現(xiàn)代轎車先進(jìn)制造工藝[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1998.

4 StressTel.Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners[Z].Part No.021-002-175 Rev.B.

5水口義久，名和輝好.超音波による締結(jié)狀態(tài)下のボルト軸力測(cè)定[J].非破壊検査，2005，54（7）.

Study on Yielded Torque-Angle Tightening System

Zheng Youcun (Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China)

A yield torque-angle tightening m ethod is applied to key engine bolts.To control tightening quality,a reliable tightening system is developed by considering torqueangle control（yielded area）parameters,ultrasonic measurement of clamping load and tightening process control.

bolt,clamping load,tightening process,ultrasonic loadmeasurement

來稿日期：2009-04-04

鄭友存(1977－)，男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工藝技術(shù)管理及應(yīng)用。