发动机装配过程螺栓拧紧监控策略设计及应用

在汽车制造行业中，发动机是制造技术最复杂、装配零件种类最繁多的关键部件，装配作为发动机制造过程中关键工序，对发动机质量的优劣起着至关重要的作用， 在发动机装配工艺过程中，螺栓连接已经成为最常用的紧固和连接方式， 尽管使用电子程序监控的拧紧工具记录拧紧结果，但无法完全解决所有发动机装配拧紧质量问题。

本研究希望通过设计拧紧过程监控策略，通过扭矩－角度监控程序和拧紧阶段转速控制程序，对发动机装配拧紧过程的质量控制实现系统性自动防护，实现降低相似/ 长短螺栓错装风险，减少拧紧问题导致的零件报废率，达到提高装配质量和降本增效的目的。

一、扭矩不合格案例分析

目前发动机装配使用ＰＬＵＳ系统控制零件螺栓扭矩结果，实时监控拧紧扭矩，可以确保扭矩准确，完整记录拧紧扭矩追踪信息，但在发动机工厂日常ＩＮＬＩＮＥ检测过程和整车厂质量信息反馈中，仍会出现一些零件扭矩的质量问题，通过查询ＰＬＵＳ 系统和现场拧紧工具控制盒中的信息，发现这些问题零件扭矩信息都是正常合格的，未经过返工处理， 通过对问题发动机零件进行拆检，按照鱼骨刺图法对零件装配过程进行完整的原因分析，即从人、机、料、法、环５个方面对扭矩问题发生的原因进行分析。

根据得出的发动机装配螺栓扭矩质量问题原因进行统计分析，其中两种扭矩质量问题出现频次高，第一类是由于螺纹径相同但螺栓长度不同而导致的螺栓混装，装配拧紧后因为螺栓长度不足而紧固夹紧力效果达不到设计值，造成螺栓强度降低。

第二类是当拧紧时有铝屑等异物夹杂在联接处或零件本身有瑕疵，拧紧机在将螺栓拧入螺栓孔的过程中，会导致提前到达设计扭矩，同时会将螺栓孔、螺栓损坏，造成质量风险。

二、拧紧扭矩过程监控方案设计

采用过程参数控制法，设计拧紧枪角度－扭矩监控策略，优化发动机装配拧紧过程，下面详细介绍具体设计思路及实施方案。

拧紧的原理，是通过旋转紧固件，将拧紧工具作用在紧固件上的一部分力转化为零件夹紧力，进而实现对零件固定装配的目的，电动拧紧工具，可以记录拧紧的扭矩和角度，正常的拧紧扭矩与拧紧角度的关系如图１所示。

典型拧紧过程分为螺纹咬合、螺栓旋入、螺栓弹性变形和塑性变形，螺纹咬合过程是螺栓接触对齐工件或刚进入工件的阶段，螺栓旋入过程是螺栓自由旋转进入螺纹孔，到螺栓头部接触到工件表面的过程，弹性变形点就是螺栓头部接触到工件表面开始受力， 弹性变形过程是在螺栓上持续提供夹紧力，达到设计扭矩值，扭矩大小与旋转的角度近似成线性比例。

塑性变形过程是开始于屈服点，当螺栓超过屈服点，就将永久变形，继续拧紧就会断裂。在螺栓旋入阶段，产生的扭矩完全由螺纹副之间的摩擦提供，而从拧紧机记录数据来看，发动机装配线在这个阶段螺栓的拧紧扭矩一般都在０~５Ｎｍ 左右，如果可以在这个预拧紧阶段添加一个角度监控程序，则可以实现对螺栓副零件质量和是否错装螺栓进行监控。

针对夹杂异物、螺纹或螺栓处有零件加工缺陷的问题，其表现在拧紧曲线中的形式，均为扭矩提前升高。而这种异常的扭矩升高，通过和正常拧紧曲线相比较，是可以明显区别的，如图２ 所示。

对于螺栓长度不同，螺纹相同的螺栓，如果发生错装，则在螺栓旋入过程中，保持稳定低扭矩的拧紧角度会出现明显的差别。下面以同样为Ｍ６×１６ 与Ｍ６×２５的两个螺栓为例，其扭矩开始上升的角度范围应该分别在５７６０°和９ ０００°，从拧紧扭矩与角度关系图中亦能明显分辨(如图３)。

因此利用拧紧控制工具自带的拧紧控制程序，对螺栓拧紧过程中的不同阶段扭矩－角度曲线进行监控，则可以实现系统自动监控防错的功能。

扭矩－角度监控的实际做法是在螺栓还未与紧固件接触的阶段中，设置程序要求该阶段的扭矩不超过一个较小的固定值， 因为无论是当螺栓或螺栓孔有异常时，还是出现长短螺栓错装时，在此预紧阶段往往会出现非正常的扭矩激增，因而可以靠阶段内的扭矩变化来判断拧紧是否存在质量风险， 而这个“阶段”的时间长短则由预设的角度来衡量，也就是说角度值越大。

该阶段的持续时间也就越长，反之若角度值越小，则阶段越短。 这个预设的角度值应该等于螺栓从初始未预紧状态至螺栓接触紧固件所需要旋转的圈数，扭矩－角度监控原理示意图如图４ 所示。

三、第一类扭矩质量问题应用

针对上述的第一类质量问题，螺纹径相同但螺栓长度不同而导致的螺栓混装错装的问题，对其自动拧紧工具增加角度－扭矩监控功能，在螺栓旋入过程中，监控是否在低扭矩的拧紧角度会出现明显的差别，实现防止错装的效果。

以机油泵螺栓和导流板螺栓为例， 这两个零件在ＯＰ２１０ 工位进行装配拧紧，机油泵螺栓Ｍ６×３０，导流板螺栓Ｍ６×１２，二者公称直径相同，不同之处在于机油泵螺栓比导流板螺栓长１８ｍｍ，推算出拧紧机油泵螺栓比导流板螺栓多拧紧５０８４°，使用电动拧紧工具的角度－扭矩监控功能，就可以避免两种螺栓混装，对两种螺栓的拧紧角度进行统计并分析，其分布如图５和图６所示。

根据数据统计得出，机油泵螺栓拧紧总角度在７４３５°~８１８８°，导流板螺栓拧紧在２３５８°~３１１４°，可见导流板螺栓的监控角度上限比机油泵螺栓监控角度下限还低４３００°，该差异可以使用角度监控程序区分这两类螺栓的混装错误。

因此将在机油泵螺栓预拧紧阶段角度－扭矩阶段设置为１０００°~４０００°，扭矩上限设置为２Ｎｍ， 图７ 所示为增加预紧角度－扭矩监控后，两种螺栓的拧紧扭矩曲线，可以明显区分，避免螺栓错装问题发生。

四、第二类扭矩质量问题应用

当拧紧时有铝屑等异物夹杂在联接处，或螺栓零件本身有瑕疵的质量问题，如果在生产过程中的第一次拧紧强行拧入，则很有可能导致螺纹彻底破坏，从而无法拆卸或进行第二次拧紧。

以发动机装配线缸体适配器螺栓拧紧为例， 发动机装配线缸体上线后，由４颗适配器螺栓以２０Ｎｍ的扭矩拧入缸体上的变数箱螺栓孔内，将发动机缸体与装配托盘适配器进行紧固连接(如图８)。

当发动机完成装配时，会将适配器与缸体解除连接，而缸体上的变速箱螺栓孔则会在后续的变速箱连接过程中被再次拧紧使用， 因此，如果在第一次拧紧过程中发生螺纹破坏而无法及时发现，则会导致总装安装变速箱时无法拧紧，导致总装停线和客户质量抱怨。

为了解决此类质量问题，需要在电动拧紧工具拧紧时，增加角度－扭矩监控程序，在螺栓预拧紧阶段通过监控程序发现螺纹孔质量问题，通过统计分析２０００台发动机适配器螺栓拧紧的角度数据和预拧紧力矩数据，得出发动机适配器拧紧总角度分布图９和预拧紧力矩分布图１０。

根据统计数据的正态分布结果，得出发动机适配器螺栓拧紧总角度３７９４° ~ ４４７６°，预紧扭矩０.２９ ~０.９７ Ｎｍ，因此决定设定初始监控角度为５００° ~３５００°，扭矩上限值设定为１Ｎｍ。

在测试过程中，对于发生报警的发动机进行拆检发现，当在拧紧过程角度远小于设定目标值时(如图１１)，拆检后的螺栓有损伤或夹杂铝屑，对应的实际情况为角度监控希望避免的质量问题。而当报错角度较大已经接近设置上限时(如图１２)，拆检后的螺栓基本无损伤，报错的原因为适配器与螺栓的几何尺寸偏差，可以放行。

基于此，将监控角度下调至３０００°后继续进行测试，经过后续的生产验证，证明将监控设定为３０００°的角度－扭矩监控，可以检测出螺栓本身损伤或有铝屑等异物夹杂在联接处，降低质量风险，同时可以减少非质量报警，提高装配一次通过率。 因此决定将３０００°以及１Ｎｍ 作为正式监控参数进行长期实施。

五、结语

本文针对发动机装配螺栓拧紧过程存在的质量风险点，分析发生根本原因，探讨了对拧紧过程质量系统控制的可行性，将其方法应用装配线，得到以下结论:

(１) 对于流水生产线而言，停线意味着直接经济损失， 项目实施以前，类似缸体变速箱螺栓孔损坏的拧紧过程风险点，半年内造成整车总装４ 次停线，累计停线时间超过３０ ｍｉｎ， 项目实施后，有效降低此类停线的发生，降低停机成本约４３ 万/ 年。

(２) 通过增加角度－扭矩监控和阶段转速控制，有效解决了长短螺栓混装的问题， 通过增加设备检测功能和工艺优化，提升了生产线的装配质量，总装未再发生类似扭矩问题抱怨。发动机装配线年度质量ＰＰＭ 从５００ 降低到２４９，减少质量问题车返工成本约２８ 万元/ 年。装配线目前全线使用电动拧紧工具，通过角度－扭矩参数设置，对预拧紧过程状态进行监控，可成功检测螺栓异常情况，提高拧紧质量，减少拧紧问题导致的零件报废率。

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