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                擰緊扭力過大的問題分析及解決措施
                2021-03-30

                汽車生產裝配過程中,絕大部分零件裝配到車身上均通過螺栓緊固,目前對小扭矩螺栓擰緊主要采用直流電池式擰緊工具,大扭矩螺栓則采用交流電電動擰緊工具進行緊固。然而電動擰緊工具擰緊螺栓的過程中,螺栓受到的擰緊扭矩超差異常,遠大于目標扭矩,此問題嚴重影響整車擰緊質量,若關鍵點問題逃逸,對行車安全存在極大的隱患,故應杜絕此類問題的發生。本文以生產車間裝配A車型安全帶螺栓進行分析研究,找到了問題的關鍵原因并提出相應的解決措施,解決方案已在生產中驗證可行,并且效果顯著。

                1.2?電動擰緊工具簡介

                電動擰緊工具分為直流電式和交流電式,本文提到的電動擰緊工具是以220V或380V交流電驅動的擰緊工具(簡稱電槍),配備可編程邏輯控制器進行控制,利用內部配置的傳感器進行扭矩、角度等參數的控制,通過局域網將擰緊過程及結果信息儲存至服務器中或將額定的數據存儲于本身控制器內;通過控制器可對螺栓擰緊的目標扭矩、擰緊速度及角度等進行設置;隨著不斷更新換代,電槍功能趨于多元化,用戶可根據現有功能及需求進行多樣化設置,使得螺栓擰緊更加科學有效。

                1.2?扭矩過沖問題原因分析

                目前,生產車間使用的以220V或380V交流電驅動的電動擰緊工具主要有BOSCH和Atlas?Copco兩種品牌,然而都存在擰緊過程扭矩過沖問題,故與擰緊工具品牌無關,存在其他影響因素。

                2.1?連接點硬度及扭矩過沖問題解析

                螺栓連接點有硬連接和軟連接之分,硬連接為螺栓或螺母擰緊至貼合點后(注:貼合點一般默認為目標扭矩的5%~10%),旋轉30°以內達到目標扭矩;軟連接為螺栓或螺母擰緊至貼合點后,旋轉2圈(720°)以上達到目標扭矩,介于軟硬連接之間的稱為中性連接。扭矩過沖即螺栓擰緊的扭矩超過目標扭矩值,也叫過扭;查閱螺栓擰緊相關資料,發現螺栓扭矩過沖問題主要受連接件硬度及擰緊工具轉速影響;越硬的連接點,擰緊轉速越快,則發生扭矩過沖的問題越突出。

                2.2電槍擰緊數據分析調取電動擰緊槍一次擰緊安全帶螺栓數據分析,A車型安全帶螺栓目標扭矩設定值為50N.m,通過Minitab分析發現螺栓擰緊不合格主要為扭矩偏大,均值為53.59N.m,擰緊扭矩超出目標扭矩產生扭矩過沖問題,占一次性擰緊不合格的99.16%;此外,統計不合格擰緊從螺栓貼合開始受力至結束旋轉過的角度,螺栓貼合后,分三個角度步驟擰緊值扭矩。從收集的擰緊數據分析可知,螺栓貼合后旋轉過的總角度普遍為32°左右,判定該螺栓連接點為偏硬連接,如果扭矩未過沖,螺栓貼合后擰緊至目標扭矩,角度或小于30°;由此可初步判斷安全帶螺栓擰緊扭矩過沖與該連接點特性為硬連接有關。?

                2.3電槍擰緊曲線分析

                從扭矩曲線中看到螺栓擰緊到達貼合點后,扭矩上升迅速,在目標扭矩點仍未停止而繼續增大,進而造成扭矩過沖,超出目標扭矩控制范圍,電槍報警不合格。為了使螺栓擰緊更具科學性,相對傳統的一步擰緊,目前使用的電槍主要分為兩步或多步擰緊,大多數采用扭矩控制加角度監測擰緊策略。生產車間對A車型安全帶螺栓擰緊就采用兩步擰緊,扭矩控制加角度監測擰緊策略;第1步擰緊扭矩為扭矩的50%即25N.m,但在擰緊曲線中未發現兩步擰緊,僅在第1步擰緊過程扭矩就已達到55.54N.m,超出目標扭矩控制范圍45--55N.m。

                2-3??電槍擰緊過程扭矩曲線

                分析擰緊曲線可知,在第1步驟擰緊過程,扭矩就已過沖超過目標扭矩,由此判斷扭矩過沖主要與電槍第1步擰緊過程有關。

                A車型安全帶螺栓擰緊電槍程序設置為兩步擰緊,采用扭矩控制加角度監測擰緊策略,電槍擰緊程序各步驟參數如下:第1步扭矩25N.m,轉速為350RPM,角度檢測為10°-360°;第二步扭矩50N.m,轉速為60RPM,角度檢測為10°-200°。電槍程序參數中第1步扭矩為25N.m,轉速為350RPM,按照設定的擰緊程序,正常情況下到達25N.m時將會轉到第二步程序繼續擰緊;但在一次性擰緊不合格曲線中看到在第1步驟時,扭矩迅速上升且在第1目標扭矩點未停止,扭矩直接過沖至扭矩之上。結合數據分析中螺栓貼合至扭矩轉過的角度約為32°,屬于偏硬連接;在電槍擰緊程序中第1步轉速為350RPM,相對速度較快。根據我們查閱的資料知道扭矩過沖與擰緊速度也有關系,因此,可初步判定A車型安全帶扭矩過沖與擰緊工具電槍的第1步轉速過快有關。????????

                綜上分析,對于A車型安全帶螺栓擰緊扭矩過沖問題,初步判斷主要原因有兩點:一是該螺栓連接點屬于硬連接特性,二是電動擰緊工具轉速相對較大。

                3?扭矩過沖問題解決方法探討

                針對電槍快速擰緊偏硬連接點扭矩過沖問題的原因,需要進一步分析論證,下面從改變螺栓連接點本身的偏硬特性及優化調整電動擰緊工具本身的程序參數兩方面入手解決。

                3.1?改變螺栓連接點偏硬特性????????

                由于A車型安全帶螺栓連接點固有的硬連接特性,改變其特性較為困難,我們尋找目標扭矩相同的其他偏軟連接點替代該點以達到改變連接點特性的目的,找到后減震器連接至車身螺栓擰緊點,該點與安全帶螺栓的目標扭矩相同,均為50N.m,螺栓貼合后至達到扭矩,旋轉過的角度約為300°,屬于中性連接,符合連接點特性改變的要求;然后將擰緊該點的電槍程序調整至與安全帶螺栓擰緊的電槍程序一致,第1步扭矩為25N.m,轉速為350RPM,第二步扭矩為50N.m,轉速為60RPM,觀察擰緊曲線及結果,未發現扭矩過沖問題???

                電槍擰緊過程扭矩&角度曲線????????

                由此可證明,針對連接點的偏硬特性,可改變螺栓連接點為偏軟連接,避免了使用電動擰緊槍擰緊螺栓時扭矩過沖的問題。

                3.2?優化電動擰緊工具擰緊程序參數

                3.2.1?模擬試驗驗證

                硬連接點螺栓扭矩過沖問題與擰緊速度有關,故選定一個偏硬連接點進行模擬試驗驗證,模擬采用兩步擰緊法,第1步扭矩為25N.m,第二步即扭矩為50N.m,第二步轉速為50RPM,以第1步轉速作為變量,從模擬試驗擰緊曲線中發現,隨著第1目標的轉速不斷提高,扭矩上升斜率不斷增大,當轉速繼續增大時,電槍無法切換至第二步轉速,扭矩過沖。

                3.2.2實際問題解決

                由于A車型安全帶螺栓連接點屬于偏硬連接,在不改變其硬連接特性的前提下改變擰緊速度分析。350RPM電槍擰緊速度相對較快,也是影響扭矩過沖的一個重要原因。因此,降低其擰緊電槍的第1步擰緊速度至200RPM,第二步速度未改變;通過降低第1步轉速,安全帶螺栓扭矩過沖問題明顯減少,統計數據每班次扭矩過沖故障率約為0.12%。雖然扭矩過沖問題得到控制,但仍未能徹底解決;繼而繼續降低擰緊轉速為100RPM,此時,扭矩過沖問題得到解決,但擰緊速度過低跟不上生產節拍,影響正常生產。降低擰緊轉速,扭矩過沖問題可解決,但速度過低又跟不上60JPH的節拍,通過對速度為200RPM的擰緊結果合格的曲線分析,發現在此速度下,第1步扭矩過沖量較小,設置的第1步扭矩為25N.m,實際也就為35N.m左右。因此,對電槍程序參數第1步扭矩進行調整為15N.m,轉速仍為200RPM,通過此優化,第1步扭矩在已無超過目標扭矩50N.m的現象,扭矩過沖問題得到徹底解決,同時對生產節拍無影響。在生產節拍較快同時又不能影響節拍的生產線,降低擰緊速度和第1步扭矩的方法可有效的解決扭矩過沖問題。A車型安全帶螺栓電槍擰緊過程扭矩曲線???????

                結束語:

                本文主要通過對電動擰緊工具擰緊過程扭矩過沖問題的分析研究,確定扭矩過沖問題主要受連接點偏硬特性及擰緊速度過快的影響,再根據實際問題進行措施制定及實施,解決擰緊過程扭矩過沖問題;問題的解決保證了擰緊質量,積累了擰緊問題解決的經驗,為電動擰緊工具的程序優化設置提供了借鑒,同時,也為新產品及其他擰緊問題的解決提供思路及參考

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