拧紧曲线在预防紧固件装错方面的应用

李德鑫

摘 要：本文根据某车型发动机悬置螺栓用错的问题，通过对比分析正常拧紧曲线和异常曲线，找出差异点，采取有针对性的电枪拧紧程序监控角度，实现了电枪设备探测悬置螺栓用错的故障，消除了缺陷逃逸的风险。

关键词：拧紧曲线;角度监控;电枪拧紧

1 前言

拧紧扭矩曲线是使用高精度电缆枪施加扭矩时，工具探测并记录下来的拧紧过程信息，一般包括扭矩、角度、时间及转速等信息。拧紧曲线对于紧固件的拧紧过程，就如同脉搏对于人体，从脉搏可以探知人的健康状态。同样，从拧紧曲线也可以看出整个拧紧过程是否正常，可以推测出拧紧过程中遇到了什么问题。以某车型A螺栓为例，其拧紧曲线如图1所示（最终扭矩110N.m，采用两步拧紧策略的Atlas电枪拧紧）。

拧紧曲线具有相对稳定性，当某一紧固件拧紧参数（紧固件、装配件、装配位置环境、拧紧程序参数等）不变时，其拧紧曲线是相对稳定的，相似的。统计50条A螺栓的拧紧曲线，可以看出拧紧曲线是具有高度一致性的，如图2所示。

2 异常曲线分析

某车型发动机悬置固定螺栓在45工位使用Atlas电枪施加最终扭矩。由于车型配置不同，螺栓有两种，自动档配置使用B螺栓（M12*1.75*57.5），手动档配置使用C螺栓（M12*1.75*70）。故障车为自动档配置，错误装配了C螺栓（由于悬置结构不同，B螺栓在手动档配置上无法完成装配），两种螺栓长度不同，B螺栓为全螺牙，C螺栓为半螺牙状态，但是螺帽相似，装配后无法辨识区分。两种螺栓外观状态如图3所示。

该车型在45工位需要施加4颗紧固件扭矩（2个螺栓，2个螺母，均为110N.m），电枪采用相同的拧紧程序（第一目标扭矩70N.m，最终扭矩110N.m，监控角度10-150度，起始扭矩70N.m），根据装配工艺顺序，最后打紧的为悬置螺栓。

调取故障车和正常车辆的拧紧曲线进行对比，发现正常车辆4条曲线虽然局部有差异，但是整体上是相似的。故障车4条曲线中有1条与其他曲线明显不同，正常曲线在20N.m到110N.m之间的斜率较大（较陡），并且比较稳定，如图4所示。异常曲线则分为两个明显不同的部分，在20N.m到60N.m之间的斜率较小（较平缓），有小幅度的密集波动，在60N.m到110N.m之间的斜率较大（较陡），与正常曲线相似，如图5所示。初步分析认为异常曲线是使用错误螺栓的拧紧曲线。

3 異常曲线故障重现

为了进一步证实异常曲线就是使用错误螺栓拧紧的曲线，验证两辆车使用错误螺栓进行装配，跟踪拧紧过程，并监控拧紧曲线，如图6/图7所示。

可以看出两辆验证车的打紧错误螺栓的曲线均与其他曲线不同，扭矩在20N.m到60N.m之间的斜率较小，在60N.m到110N.m之间的斜率较大，与原故障车的异常曲线有高度的相似性。经过分析可以确定，自动档配置车型如果装配了C螺栓，其拧紧曲线有独特性，与正常曲线有明显差异。

使用C螺栓预装到自动档车型悬置零件，可以看出螺栓有3mm左右无螺牙部分露出，如图8所示。将验证车的C螺栓退出后，可以明显看出螺栓中部无螺牙区域有明显磨损痕迹，该位置正是预装时露出悬置的无螺牙部分，如图9所示。分析认为，当拧紧C螺栓到无螺牙部分时（此时悬置与底座并未贴合），随着螺栓转动无螺牙部分开始拧入底座螺孔，螺孔螺牙被挤压磨损，扭矩开始缓慢波动上升。当悬置与底座贴合时，扭矩开始快速上升，直到110N.m的目标扭矩，整个拧紧过程与异常曲线的表现一致。由于C螺栓和自动档配置发动机悬置结构是稳定的，所以自动档配置使用C螺栓拧紧的异常曲线也是稳定的，其具有的特征也是稳定的，排除了随机性的可能。

4 异常曲线探测

依靠人员目视检查来防止螺栓用错的方法，可靠性差，有效性低，通过结构或设备来防错具有更大的优势。根据自动档配置车型使用C螺栓装配的拧紧曲线特点，可以通过优化拧紧程序监控角度来实现探测。

45工位电枪拧紧程序，原监控角度为10-150度（起始扭矩70N.m）。由于异常曲线在60 N.m到110N.m阶段与正常螺栓曲线是相似的，所以现有角度监控无法探测出异常曲线。根据异常曲线在20N.m到60N.m阶段，斜率低，转动角度大的特点，可以增加该阶段的角度监控，实现对异常曲线的探测和报警。

统计10组使用错误螺栓的拧紧数据，以及200组正常螺栓的拧紧数据，发现正常螺栓数据扭矩从35N.m到110N.m，转动角度集中在50-130度之间。错误螺栓数据扭矩从35N.m到110N.m，转动角度在300-500度之间。考虑到实际拧紧过程的波动性，将监控角度确定为10-170度（起始扭矩35N.m）是合理的，是可以探测出异常曲线的。

5 探测有效性验证

更改电枪程序角度监控值后，跟踪五个班次的拧紧数据，未发现有误报警故障。为了验证新程序的有效性，随机抽取现场3辆该车型，使用错误螺栓进行装配，电枪拧紧时均报警不合格（原因为监控角度超差），其中1辆验证车电枪报警及拧紧曲线如图10所示。

通过跟踪验证可以看出，新程序对正常螺栓拧紧过程无影响，不会产生误报警问题。对使用错误螺栓的验证车辆可以有效的探测出异常曲线并报警拧紧不合格，提醒员工确认螺栓状态，防止缺陷逃逸出工位。

6 结束语

本文主要针对某车型不同配置之间发动机悬置螺栓用错的问题，通过分析并确认使用错误螺栓拧紧的异常曲线，找出与正常螺栓拧紧曲线的差异，采取优化电枪拧紧程序监控角度的措施，实现了通过设备来探测螺栓用错的故障，消除缺陷逃逸出装配工位的风险。