拧紧过程失效监控及分析的研究

郑远平　颜积权　卢锐　关智

摘要：本文通过分析汽车制造过程中大量应用的拧紧过程典型性失效模式，对拧紧全过程影响因素对应的控制方法进行系统性研究，提出搭建失效监控系统的方案，并针对失效监控系统强相关的拧紧要素逐一分析。同时，通过拧紧失效监控系统的应用案例分析过程，展示了拧紧失效监控系统的应用效果。

关键词：拧紧；失效监控；拧紧数据；故障分析

中图分类号：U466 文献标识码：A

0 引言

拧紧过程贯穿整个制造领域，尤其是汽车装配行业，约占比装配制造过程70% 的子过程。因此，汽车制造中，拧紧过程的可靠性和稳定性，往往决定产品的质量。拧紧过程涉及紧固件密封性、机械性能等方面，是极其复杂的系统，涉及紧固件设计、拧紧工艺设计，质量监控等方面。关于拧紧过程，国内外众多学者也展开了相关研究。熊云奇等对拧紧曲线进行了分析，析出了多种典型的拧紧曲线[1] ；张俊提出利用螺栓拧紧曲线调整优化拧紧策略，提出帮助分析不同的拧紧失效原因和优化改善拧紧策略达到提高拧紧过程质量控制能力和提高生产效率的目的[2] ；VOLKER S 对实现拧紧可靠性的多种模式进行了经典剖析[3]。在制造技术不断进步过程中，尽管学者们对拧紧的失效机理及解决对策都提出了多种理论研究，但对拧紧失效过程监控的方案研究较少，尤其缺少与工程作业明确关联的系统性研究。

本文主要以某发动机装配生产线，基于MES 系统采集的制造全过程拧紧数据，结合生成制造过程的拧紧因素进行逐一关联分析，研究优化拧紧过程的思路和方法，并关联制造防错系统的设置，建立完善的失效监控系统。同时伸延监控系统，对典型的失效模式展开分析研究，从设计优化、工艺优化、质量监控等方面，解决典型性失效问题。

1 拧紧失效监控系统的建立

某发动机装配线的拧紧相关过程占比75% 左右，全线拧紧设备100% 具备高精度报警功能，拧紧过程数据可记录、追溯等功能，这为生产线建立拧紧失效监控系统提供了设备基础。如图1 所示，拧紧过程从新品阶段—制造阶段—后市场阶段故障分析等方面，完成了全面关联。整个系统的核心是具备拧紧数据采集功能的拧紧设备、MES 系统以及集成关联的网络系统。系统可采集拧紧实时数据，并针对数据给出相应的判断，弹出拧紧异常的质量隐患，并为问题解决提供分析方向和佐证数据。

2 拧紧失效监控系统控制要素分析

从4M1E 工程学的角度，一个可靠的拧紧过程，需要保证的因素众多，从设计校核、工艺校核、设备保障、零部件保证和生产作业人员操作标准等方面，均可能对拧紧质量产生影响，如拧紧策略的选择对螺栓预紧力起决定性作用[4]，拧紧转速的大小也同样影响拧紧夹紧力和摩擦系数[5]。因此，拧紧过程常见的影响因素，需要加以控制。

影响拧紧失效及失效监控的主要因素如表1，这些因素均为拧紧过程控制要素，对拧紧动态力矩产生直接影响。

2.1 拧紧策略

拧紧策略有很多，最常用的有：扭矩控制法；“门槛扭矩+转角”控制法。其中，扭矩控制法策略设置扭矩上、下限，将力矩控制在该范围，其符合以下公式：

T ＝K ·F ·d （ 1）

式中：T 为螺栓拧紧力矩；K 是扭矩系数；d 是公称直径；F是螺栓预紧力；λ 为螺纹升角；ρ 为螺纹摩擦角；d 0 为螺纹外径；d 2 为螺纹内径；Dw 为六角螺栓外接圆直径；μ 为摩擦系数。

在拧紧时影响K 值的主要因素是摩擦力，相同扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大（图2a）。因此，该方法精度不高，适用于对夹紧力要求不高的拧紧，对于重要的螺栓，不建议使用该方法。

“门槛扭矩+ 转角”控制法是策略基于一定转角，使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩，预紧力F 与规定的角度θ 呈线性关系，满足以下公式：

式中：θ 为旋转角度；p 为螺距；ka 为螺栓的刚度系数；kb为连接件的刚度系数；k 为系统刚度；Δl 为螺栓伸长量。

通过公式（3）可以计算出可旋转合适的角度。

扭矩法通常将最大螺栓轴向预紧力限定在螺栓弹性极限的90%，即图2b 中的Y-M 区域。同样的转角误差ΔA 在其塑性区的螺栓轴向预紧力误差ΔF 2 比弹性区的螺栓预紧力误差ΔF 1 要小得多。该方法控制精度较准。

综上，“门槛扭矩+ 转角”控制法控制精度高于扭矩法，但相应要配备的拧紧设备成本较高，且对配合零件的品质管控要求更高。为平衡投入与产出，应根据产品拧紧需求，配备相应精度的设备。如某发动机工厂，除少数关键螺栓采用“门槛扭矩+ 转角”控制策略以外，其余全部采用扭矩控制法。

2.2 拧紧转速

拧紧转速是根据生产需求，可调整的拧紧设备的常见参数。拧紧时，在不同转速下，螺纹之间啮合时的摩擦系数、螺栓变形状态、摩擦产生的热量等，均可能对拧紧质量产生影响。如表2所示，当拧紧速度过快时，力矩容易过冲，即力矩上升过快，超出扳手设定值；当转速过小，容易出现力矩在某些阶段波动，形成典型的“粘滑”故障。这些拧紧异常，均存在拧紧质量隐患，为消除相关异常，可利用曲线分析，选取适宜的转速范围。

2.3 角度监控

角度监控的目的是防止拧紧抱死和拧紧滑牙等不良流出。当拧紧因螺纹配合、杂质或操作不当等原因导致拧紧未到位的情况时，其转角（即从某起始力矩到目標力矩的螺栓转角）往往偏小；当拧紧因螺纹强度不足导致滑牙时，其转角一般偏大。因此，通过控制转角在一定范围内，设置上下限，可有效监控拧紧，防止拧紧抱死和滑牙的质量故障。通常转角设定值，采用3-σ 管理法确定[6]，可确保数据选取的可靠性。

2.4 斜率监控

拧紧斜率一般指拧紧力矩与转角的比率关系，主要反映拧紧转动时力矩上升的能力。正常情况下，产品一致性好的条件下，螺栓在弹性变形区，拧紧斜率基本一致。

出现以下几种异常情况时，会导致斜率异常：螺栓强度差异大；螺纹存在杂质；接触面摩擦系数差别较大。失效监控系统具备控制拧紧斜率的功能，通过设置斜率区间（同理，采用3-σ 管理法确定），识别出斜率异常的拧紧过程。如图3 所示，失效系统识别该拧紧斜率为异常状态，故障弹出。经分析，该拧紧过程因表面防锈油过多，导致斜率异常。

此外，失效监控系统设置了其他控制要素，如螺栓拧紧计数、扳手周期检定等功能。这些控制要素，组成了完整有效的拧紧失效监控系统。经长期数据统计，失效监控系统的有效拦截率大于99.5%。

3 失效监控系统应用案例分析

该失效监控系统主要应用于汽车领域装配工厂，日常有效拦截了各类拧紧不良，有效保证了拧紧质量。在此，为展示监控系统用于拦截故障、解决问题的运用过程，通过以下典型的拧紧失效案例展开分析：发动机排气歧管螺栓拧紧失效。

3.1 故障表现

某发动机排气歧管拧紧过程，系统通过角度监控，识别排气歧管中间螺栓拧紧转角大于设置上限值，系统报警，故障件弹出。拆开故障件，发现螺纹孔牙套脱出，零件损坏（图4）。

3.2 原因分析

螺牙脱套，即螺纹滑牙，一般由于螺纹强度不足导致。对拧紧相关的结构展开分析（图5）。通过对标法，识别故障螺栓差异。

（1）螺栓旋合长度仅7.5 圈，低于对标件的10 圈，导致螺牙抗拉强度不足。

（2）滑牙的螺栓孔接触面为圆孔，其余为开槽孔，影响接触面摩擦系数。

查机械手册，该结构的螺纹旋合长度，推荐值为10 ～ 12 牙，粗糙度控制在Ra3.2 ～ 6.3。因此，锁定要因为设计缺陷：螺栓旋合长度不足，且法兰面粗糙度偏低。

3.3 解决对策

（1）增加螺纹旋合长度至11 圈，通过增加螺纹旋合牙数，增加拧紧紧固力。

（2）控制粗糙度在Ra3.2 ～ 6.3，防止螺纹接触面摩擦系数过小导致轴力过大。

3.4 实施效果

经改善后，故障未重发，旋转监控角度无报警。以上案例展示了拧紧失效监控系统的应用，故障通过监控系统识别出异常，通过分析曲线，锁定了故障方向，进一步分析故障，锁定要因，解决问题。

另外，通过拧紧失效监控系统解决了诸多典型的故障，如主轴承盖螺栓拧紧，监控系统识别转角低于下限值，要因锁定了螺纹脏污导致拧紧抱死；曲轴减振皮带轮拧紧力矩超监控值，通过曲线分析确定了拧紧斜率异常，锁定了螺栓法兰面存在防锈油，影响表面摩擦系数导致拧紧失效等。此外，借助大量失效案例，逆向修正监控系统的相关参数，从而有效提升了拧紧故障拦截率。

4 结束语

（1）生产线通过引入具备数据采集功能的拧紧设备，结合防错系统搭建，通过MES 系统的关联实时数据采集系统，可建立高效可靠的拧紧失效监控系统。

（2）拧紧失效监控系统相关的控制要素需要逐一完善，并通过曲线分析法、西格玛管理法等手段，确定相关的控制参数，从而保证系统运行的有效性。

（3）监控失效系统可有效识别常见的拧紧故障，并提供故障分析的数据，为要因分析锁定方向。同时，借助拧紧失效系统，逐步提升了生产系统拧紧质量。

【参考文献】

[1] 熊云奇， 张琼敏， 卢海波. 螺栓拧紧试验曲线形态研究[J]. 汽车科技，2000（05）：15-17.

[2] 张俊. 利用螺栓拧紧曲线调整优化拧紧策略[J]. 现代制造技术与装备，2021（9）：89-91.

[3] Volker Schatz. 实现螺栓可靠装配的10 个步骤[M]. 朱正德， 郭林健，译. 北京： 机械工业出版社，2009.

[4] 刘宁， 安鲁陵， 王庆有， 等. 拧紧策略及其对螺栓预紧力影响研究[J]. 装备制造技术，2022（10）：26-29，33.

[5] 王曉斌， 蒋佳桉， 陈平， 等. 拧紧转速对螺栓联接可靠性分析[J]. 机电工程技术，2016（3）：101-104.

[6] 王斌会. 西格玛水平与不合格品率的关系研究[J]. 统计与决策，2009（19）：172-174.

作者简介：

郑远平，硕士，研究方向为汽车工艺。