李高 馮昊 王懿 韓飛

上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部 上海市 201206

1 前言

自攻螺栓，顧名思義即裝配過程自動(dòng)攻螺紋的螺栓。其具有很好的防松性效果。汽車總裝線上，自攻螺栓大量使用。本文根據(jù)與螺栓配合的對(duì)手零件材料特性，分成兩類：自攻螺釘（又名螺絲）和自攻螺栓。自攻螺釘應(yīng)用于被擰緊零件為塑料的場合， 如前后保蒙皮、前后輪罩內(nèi)襯、內(nèi)飾版等。螺釘直徑和扭矩普遍較小，一般目標(biāo)扭矩在1.5Nm，2.5Nm等為多。自攻螺栓則應(yīng)用于被擰緊零件為金屬的場合，如座椅螺栓、安全帶螺栓、車頂側(cè)氣囊螺栓。裝配過程中，自攻螺栓旋入被連接零件的預(yù)制孔的過程，靠螺栓的螺紋擠壓，在預(yù)制孔內(nèi)形成內(nèi)螺紋，達(dá)到連接與緊固之目的。 這類螺栓，具有很好的防松性能，其尺寸和結(jié)構(gòu)是法規(guī)對(duì)汽車安全帶螺栓等的默認(rèn)推薦形式之一；使用推薦形式之外的螺栓，需要額外證明零件能滿足法規(guī)要求。這類螺栓直徑相對(duì)較大，扭矩相對(duì)較高，如安全帶螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩達(dá)到45Nm。

因自攻螺栓扭矩特性非常特殊，又應(yīng)用于整車安全關(guān)鍵零件，法規(guī)要求非常嚴(yán)。車企控制計(jì)劃中對(duì)這些零件的裝配有很高的要求，包括使用電動(dòng)工具擰緊和進(jìn)行角度監(jiān)控等。但如何定制合適的擰緊程序，使電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的擰緊、防錯(cuò)和監(jiān)控是擺在車企面前的難題。本論文通過自攻螺栓扭矩特性的分析和實(shí)際案例，總結(jié)自攻螺栓擰緊程序開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)、方法和技巧。

2 研究方向

2.1 常規(guī)螺栓擰緊過程特性分析

如圖1，常規(guī)螺栓擰緊過程分成4個(gè)階段：認(rèn)帽（OA）、旋入(AB)、擰緊(BD)和停止(DG)階段。認(rèn)帽指工具與螺栓配合。旋入指認(rèn)帽結(jié)束，螺栓旋轉(zhuǎn)到螺帽與工件貼合。擰緊指旋入結(jié)束到擰緊到目標(biāo)扭矩。停止則指擰緊結(jié)束到工具完全釋放的過程。其中對(duì)擰緊結(jié)果影響最大的是擰緊階段(BD)。為獲得良好的擰緊效果（較高的擰緊效率，精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)扭矩和更穩(wěn)定的靜態(tài)扭矩），針對(duì)擰緊階段一般又分成兩步完成。第一步(BC預(yù)緊)以較高速度擰緊到目標(biāo)扭矩的一半，停頓一會(huì)，讓形變充分釋放，再第二步（CD終緊）以較低速度擰緊到目標(biāo)扭矩。從圖1常規(guī)螺栓擰緊過程“扭矩-角度”曲線看出，從工具認(rèn)帽到螺栓擰緊到目標(biāo)扭矩，扭矩_角度曲線是持續(xù)上升的過程。工具根據(jù)扭矩傳感器動(dòng)態(tài)反饋的扭矩來識(shí)別和判斷認(rèn)帽完成、旋入完成、預(yù)緊完成、和終緊完成點(diǎn).并自動(dòng)切換到下一階段的預(yù)設(shè)程序。

2.2 自攻螺栓擰緊過程特性分析

見圖2，對(duì)自攻螺栓，在螺栓旋入階段，需要對(duì)預(yù)制孔攻螺紋，從攻絲開始到攻絲完成存在扭矩快速上升然后下降的過程，見AF段曲線。前邊說到，工具根據(jù)扭矩傳感器動(dòng)態(tài)反饋的扭矩來識(shí)別和判斷認(rèn)帽完成、旋入完成、預(yù)緊完成、和終緊完成點(diǎn)。攻螺紋階段扭矩波峰的出現(xiàn)，并且波峰較高的話，將使工具在攻螺紋階段（AE段）就完成了從旋入到終緊的程序切換。工具將直接以終緊階段的預(yù)設(shè)程序參數(shù)完成剩余旋入和預(yù)緊/終緊過程。影響了擰緊的效率（終緊階段程序速度較低）和消除了分步擰緊的優(yōu)化效果（無擰緊過程形變釋放過程）。

圖1 常規(guī)螺栓擰緊過程

自攻螺栓擰緊程序編程的核心，就是通過合適的程序參數(shù)設(shè)置，過濾自攻階段扭矩波峰的干擾，使工具按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)， 精確完成旋入、預(yù)緊和終緊。

圖2 自攻螺栓擰緊過程（使用常規(guī)螺栓擰緊程序）

圖3 自攻螺栓擰緊過程（選用自攻螺栓擰緊程序）

圖4 自攻螺栓擰緊過程（簡化法）

3 自攻程序開發(fā)

3.1 自攻長度應(yīng)用

自攻程序開發(fā)核心，是過濾攻螺紋階段扭矩波峰對(duì)擰緊程序的影響。最優(yōu)的方法是引入自攻長度（角度）和自攻扭矩最大值兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來主動(dòng)控制，見圖3和表1。在自攻長度范圍內(nèi)，工具始終按照旋入階段的程序參數(shù)運(yùn)行而不受扭矩影響。自攻角度結(jié)束后，再按照常規(guī)螺栓的策略，以扭矩大小觸發(fā)旋入完成B、預(yù)緊完成C、終緊完成D節(jié)點(diǎn)，因而保證了擰緊過程的完整性和擰緊程序與螺栓擰緊過程特性的匹配。

表1 自攻螺栓旋入階段關(guān)鍵程序參數(shù)

3.2 自攻長度以及各程序參數(shù)設(shè)置建議

自攻長度的選取非常重要，見圖3，其取值應(yīng)大于AF且小于AB，過大或者過小都會(huì)影響程序正常功能。 該角度選定參考下面順序獲?。?以常規(guī)擰緊程序擰緊自攻螺栓并且采集“扭矩-角度”曲線-＞ 通過擰緊曲線選取AF和AB段長度的中間值作為自攻長度（角度）-＞根據(jù)曲線確定B點(diǎn)扭矩值（B點(diǎn)取曲線拐點(diǎn)右側(cè)附近扭矩值，且應(yīng)大于F點(diǎn)扭矩）。C點(diǎn)一般取扭矩公稱值的50%。D點(diǎn)取扭矩公稱值。自攻扭矩最大值限值默認(rèn)取發(fā)布扭矩的下限（見2.3說明）。

3.3 自攻扭矩最大值限值應(yīng)用

自攻長度能夠?qū)崿F(xiàn)擰緊過程的精確控制。但因其過濾了扭矩的影響，以角度優(yōu)先，若自攻角度設(shè)置不合理，如自攻角度AF大于終擰緊角度AD，則會(huì)發(fā)生過擰緊損壞螺栓。為避免過擰緊發(fā)生，可使用“自攻扭矩最大值限值”進(jìn)行限制，自攻扭矩最大值限值默認(rèn)取發(fā)布扭矩的下限，則自攻過程中，當(dāng)扭矩達(dá)到發(fā)布扭矩的下限時(shí)，工具停止并報(bào)錯(cuò)，從而避免發(fā)生過擰緊后果。

圖5 自攻螺栓擰緊過程（簡化法+外部監(jiān)控）

圖6 實(shí)車擰緊曲線

3.4 自攻螺栓其他程序設(shè)置策略

有些工具廠家，其工具缺少上述通過“自攻長度（角度）和自攻扭矩最大值限值”兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來主動(dòng)控制工具運(yùn)行的功能，則需要對(duì)擰緊過程進(jìn)行精簡（見圖4），將認(rèn)帽、旋入、預(yù)緊整合為一個(gè)步驟（步驟1），終緊為另一個(gè)步驟（步驟2）。步驟1的終止扭矩C需大于自攻階段扭矩最大值（E點(diǎn)扭矩值），且一般小于60%發(fā)布扭矩公稱值（若此步驟扭矩值過高， 容易發(fā)生過擰緊，擰緊失效率高）。步驟2的終止扭矩取發(fā)布扭矩的公稱值。

此策略對(duì)攻螺紋過程的精細(xì)化控制不足；且當(dāng)攻螺紋階段扭矩波峰接近或者大于目標(biāo)扭矩，工具無法實(shí)施合格擰緊。

為改善上述“攻螺紋過程精細(xì)化控制不足”問題，部分廠家在自攻螺栓擰緊程序中加入了外部監(jiān)控。（圖5）

通過在程序中加入JH和JK兩個(gè)區(qū)域的扭矩和角度監(jiān)控設(shè)置（由角度A1，A2，A3，A4和扭矩T1，T2確定），當(dāng)擰緊完成后，從最終扭矩開始往前計(jì)算實(shí)際擰緊曲線任意點(diǎn)的扭矩和角度，不與擰緊程序中預(yù)設(shè)的JH和JK 區(qū)域范圍重合，從而判斷實(shí)際擰緊過程與自攻螺栓正常的擰緊過程吻合，而達(dá)到識(shí)別異常和防錯(cuò)的目的。這種方法也可以理解為“曲線監(jiān)控”，屬于事后監(jiān)控。

4 自攻程序編程舉例

以45+/-5Nm安全帶螺栓程序設(shè)置為例，參照?qǐng)D3介紹自攻程序定制具體案例。

4.1 步驟一

關(guān)閉擰緊程序“自攻模式”，以目標(biāo)扭矩45Nm（D點(diǎn)）），扭矩下限40Nm， 扭矩上限50Nm設(shè)置常規(guī)擰緊程序。認(rèn)帽階段，角度設(shè)為默認(rèn)值90°。預(yù)緊階段結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）取50%目標(biāo)扭矩即22.5Nm。

4.2 步驟二

實(shí)車擰緊并采集擰緊過程曲線（圖6）。

4.3 步驟三

根據(jù)擰緊過程曲線優(yōu)化程序設(shè)置：自攻模式打開，根據(jù)曲線觀察，自攻長度取4000°。自攻階段扭矩最大值限值（E點(diǎn)）取目標(biāo)扭矩下限40Nm。旋入結(jié)束扭矩(B點(diǎn))，應(yīng)大于自攻完成時(shí)的扭矩(F點(diǎn))，且小于預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)），這里旋入結(jié)束扭矩(B點(diǎn))取20Nm。為使螺栓張力釋放的效果更好，且避免B點(diǎn)(20NM)與C(22.5Nm)扭矩過于接近（相差2.5Nm.只占目標(biāo)扭矩5.5%，意義不大）把預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）提高到推薦值上限，即60%目標(biāo)扭矩，預(yù)緊結(jié)束扭矩（C點(diǎn)）改為30Nm。

4.4 步驟4

使用自攻程序?qū)嵻嚁Q緊并采集曲線，檢驗(yàn)自攻程序擰緊效果，并按需優(yōu)化。

5 總結(jié)

通過電控?zé)o線扭矩系統(tǒng)對(duì)自攻螺栓擰緊過程數(shù)據(jù)的采集和分析，能夠發(fā)現(xiàn)自攻螺栓的擰緊過程特性，并不斷測試和優(yōu)化擰緊程序參數(shù)設(shè)置，為后續(xù)各類自攻螺栓擰緊程序的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和編程指導(dǎo)，以更好的提升實(shí)際的擰緊精度和防錯(cuò)效果，以及縮短量產(chǎn)工廠程序開發(fā)周期。