拧紧方法对拧紧质量的影响分析

李德鑫　韦军　覃祖宾

摘 要：在汽车总装线，通过螺纹连接实现零件装配是一项主要工作，合适的拧紧方法对拧紧质量有重要影响。本文以电动汽车动力电池总成装配为实例，选择多种拧紧方法进行实车装配，检测静态扭矩数据进行分析，验证了“多步拧紧”法对提高动力电池固定螺栓拧紧质量有重要作用。

关键词：拧紧扭矩 多步拧紧 静态扭矩

1 前言

螺纹连接是汽车零部件装配最常见的方式之一，与铆接、焊接等方式相比，螺纹连接的装配与维修更方便，更高效。拧紧工艺是总装车间“四大装配工艺”之首（拧紧、管线、加注和装调），占整车装配线上工作量的70%以上。随着电动拧紧工具在汽车装配线的普及，尤其是高精度可编程电缆枪（简称电枪）的广泛使用，为汽车零部件选择合适的拧紧方法进行装配提供了工具基础。

2 拧紧方法

在满足要求的前提下，拧紧方法应该尽量简化，常见的拧紧方法有“扭矩法”、“转角法”等。

“转角法”是基于一定的转角，使螺栓产生轴向伸长及连接件被压缩，实现轴向預紧力。在转角阶段，摩擦力对螺栓轴向预紧力影响减小。对螺栓轴向预紧力精度影响最大的是转角开始的起始扭矩点。该方法实现的预紧力稳定性较高，能更好的适应设计需求，但是对拧紧工具性能要求高，紧固件利用率可以达到80-90%。

“扭矩法”是通过控制扭矩的方法来获得预紧力，受到摩擦系数的影响大，预紧力的离散值可以达到20-30%，为了保证一定的预紧力，往往采用较高的设计余量，紧固件利用率偏低，约40-60%。“扭矩法”根据拧紧步骤的不同，又分为“一步拧紧”，“两步拧紧”和“多步拧紧”。本文主要针对“扭矩法”进行验证分析。

3 拧紧环境

动力电池总成是电动汽车核心“三电”之一，其自身重量大，成本占比高。某车型动力电池总成由8颗螺栓固定，设计扭矩55-65N.m，电枪拧紧设定值60N.m，检测扭矩监控标准50-70N.m。本文以提升动力电池固定螺栓检测扭矩质量为目标，验证不同拧紧方法的改善效果。为了降低其他因素的影响，在同班次（人员不变），同批次零件的状态下进行验证。

4 不同拧紧方法效果验证

4.1 两步拧紧

使用电枪装配时，“一步拧紧”法已经极少使用。该车型动力电池使用“两步拧紧”法装配，第一步拧紧到33N.m，第二步拧紧到60N.m。为方便记录，我们将此拧紧方法称为“60N.m法”，对应拧紧曲线如图１所示。

对使用“60N.m法”完成装配的车辆，抽检静态扭矩数据。如表１所示。

从表１可以看出，抽检扭矩不合格频次高（红色字体），整体合格率为64.6%，抽检扭矩均值为51.8N.m，计算CPK为0.13，抽检静态扭矩状态差。

4.2 多步拧紧（增加反松）

在原有“60N.m法”的基础上，增加反松90°步骤。即，分两步拧紧到60N.m后，反松90°，然后再分两步拧紧到60N.m，称为“60N-90A+60N法”，对应拧紧曲线如图２所示。

对使用“60N-90A+60N法”完成装配的车辆，随机抽取5台车进行静态扭矩测量。如表２所示。

从表２可以看出，抽检扭矩合格率为87.5%，均值为55.2N.m，CPK为0.38，改善效果明显，但是整体状态依然较差。

4.3 多步拧紧（反松+提升拧紧扭矩）

增加反松步骤后，改善效果明显，但是仍未满足生产需求。电枪工具精度高，通过编程设置拧紧扭矩值和扭矩监控窗口，实现在设计扭矩范围内精准调整输出扭矩。为了进一步提升检测扭矩质量，需要验证施加63N.m的效果。即，在“60N-90A+60N法”的基础上，将最终拧紧扭矩提升为63N.m，称为“60N-90A+63N法”，对应拧紧曲线如图３所示。

对使用“60N-90A+63N法”完成装配的车辆，进行静态扭矩测量。如表３所示。

可以看出，抽检扭矩合格率提升到100%，均值为57.9N.m，CPK为0.79，过程能力有待进一步提升。

4.4 多步拧紧（取消反松+提升拧紧扭矩）

“60N-90A+63N法”改善效果明显，同时也发现拧紧时间变长，电枪正反转切换导致稳定性差，报警频次增加等问题。验证取消反松90°步骤，即分两步拧紧到60N.m后，再拧紧到63N.m。由于取消了反松，在螺栓剩余扭矩较大的情况下再次施加扭矩，冲击较大，需要将63N.m步骤设置为“一步拧紧”，称为“60N+63N法”，对应拧紧曲线如图４所示。

对使用“60N+63N法”完成装配的车辆，随机抽取5台车进行静态扭矩测量。如表4所示。

从表４可以看出，抽检扭矩合格率为100%，均值为58.5N.m，CPK为1.47，整体状态良好。

4.5 不同拧紧方法效果对比

对上述拧紧方法的验证结果进行汇总对比，如表5所示。

从表5可以看出，对动力电池固定螺栓装配，普通的“两步拧紧”效果较差，不能满足要求。增加反松和提升拧紧扭矩步骤后，在合格率、均值及CPK方面都有明显提升。综合验证数据来看，多步拧紧“60N+63N法”是更适合该车型动力电池装配的拧紧方法。

5 结束语

拧紧方法对拧紧扭矩质量有直接且重要的影响，对于动力电池总成这种自重大，拧紧颗数多的零件装配，普通“两步拧紧”法装配效果较差，不能很好的满足要求。“多步拧紧”法中，对“反松”等步骤的不同组合，会产生不同的改善效果，在提升扭矩质量的同时，也导致操作时间变长，电枪设备报警频次增加等问题。制定合适的拧紧方法，需要对具体零件进行具体分析，以实际验证数据为依据，综合考虑节拍、合格率等多方面因素，在拧紧质量和生产效率之间找到一个最优解。