动力总成装配工序的螺栓连接质量控制

动力总成装配工序的螺栓连接质量控制

动力总成装配工序的螺栓连接质量控制

大众动力总成（上海）有限公司 朱正德

摘要：在以批量生产为特征的制造业中，为了确保产品的装配质量，必须对螺栓连接实施有效控制。 本文阐述了在解读一系列相关标准、分析了所涉及的主要环节的基础上，制订了科学、规范的控制方法。文章以汽车动力总成为例，表明了在作为装配作业主要手段的自动、半自动电动拧紧枪已通过验证的前题下，还需要确认拧紧工序具有足够的过程能力，以及电动拧紧枪已设置了合理的监控窗口。最后，则必须采取正确的事后检验方法对螺栓连接部位进行扭矩测试。

关键词：拧紧控制 设备能力验证 过程能力 监控窗口 事后检验

1， 螺纹付连接的装配质量

焊接、胶接、铆接和螺纹付连接是现代机械制造业应用最多的四种连接、装配工艺，相比之下，螺纹付连接在汽车行业，尤其是动力总成系统中采用更多。螺纹付连接的装配质量直接关系到产品的安全性和可靠性，近年来，具有良好拧紧控制功能的以扭矩、转角作为质量特性值的自动、半自动电动拧紧枪已渐渐成为现代汽车制造业装配工序的主要手段，逐步取代了风行多年的手持式定值扳手，从而大大提高了装配作业的效率和质量。但倒底该如何评价螺纹付连接的质量呢？一般应包括以下二项内容：

1，）执行螺栓拧紧工艺的电动拧紧枪（板子）及其拧紧过程的准确性和可靠性必须满足要求。 2，）对已经拧紧的螺纹付、即产品上的螺纹付连接，应通过正确的事后检验方法做出评价。 尽管不少专业技术人员对于通过采用“过程法”这种动态方式来评定螺栓拧紧设备（工具），而通过采用“事后法”这种静态方式来评价产品上螺纹付连接的质量已有所了解，但究竟该如何正确、合理的执行，由于不仅涉及到采用的方法，还有相应的数据处理和评定标准问题，就并不都为人们所清晰认识。本文将对此做较为详尽的解释。

2，对螺纹付电动拧紧设备的正确评定

对半自动、自动电动拧紧枪准确性的评定是利用传感器，通过采取模拟工况的动态校准法进行的。将拧紧枪的输出值与用作测量标准的传感器的读数值加以比对，其结果往往以相对误差形式表示，根据不同情况定为±5%，也有±3%的。若以MA表示所设置扭矩值，即额定值，以MＷ表示拧紧设备的输出值（可从其显示器上读出），以MS表示用作测量标准的扭矩传感器上的显示值。则有如下关系 Mwi Msi 3%或5% MA

Mwi表示连续多次测量中任意一次的输出显示值，Msi则与其对应。当输出值为转角时情况相似。扭矩（或转角）测量中的拧紧对象可以是实际工件，有条件的企业也可选用模拟器，后一种情况对半自动的电动拧紧枪的准确性评定特别适宜。

但必须指出，无论是简单的手持式扭矩扳手，抑或复杂的半自动、自动拧紧设备，都既不属于检测器具范畴，也不属于制造设备范畴，而是兼有前者的计量检测特性和后者的装配作业功能。但就其

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本质而言，它们应该归于后者，乃是一种对联接特性参数具有控制作用的装配器具。因此，若只按以上所述做单纯的准确度评定显然是不够的，还需进行具有批量生产特性情况下的设备能力验证，即确定其机器能力指数Cm和Cmk。

机器能力指数Cm和Cmk是指在工序稳定情况下，机器设备所具有的保证产品质量的能力，在现代制造业，对于自动化程度很高的批量生产过程显得尤为重要。其求取过程为：将被评定的用于装配的半自动、自动电动拧紧枪，调整至规定状态，经过若干小时无故障运转，然后取50个连续装配出来的工件作为样本。至于对质量特性值（扭矩或转角）的检测，一般利用电动拧紧枪所带有的扭矩（转角）传感器，或同时借助外界的精度更高的检测装置，获得一组或二组质量特性值的实测数据，并按熟知的方法求出平均值和标准偏差Sm。如面对一台以扭矩作为质量特性值的螺栓拧紧设备，其实测数据既可以通过拧紧枪自身配置的检测传感器获得，也能从用作工作标准器的外接扭矩（转角）传感器上读出。Cm的数学表达形式为：

Cm T （1） 6Sm

设被测参数的公差上限为Tu，公差下限为Tl，则当它们为双向公差时，（1）式可改写为

Cm Tu Tl （2） 6Sm

而当被测量为单向公差时，（2）式就成为

Cm Tu m Tl或Cm m （3） 3Sm3Sm

式中，m为质量特性值、即被测参数的一组实测数据的平均值，也代表了这组数据的分布中心。当它与质量特性值的理论中心，也即中间公差位置xo不重合，即 m与X0不相等时，为了更确切地反映此时的机器能力，能力指数应表达为Cmk，其计算公式为：

Cmk (1 k) Cm (1 k)

式中，K为偏移系数，K=2Bi/T。 T （4） 6Sm

“K”表达式中的Bi为实测数据分布中心与标准中心的偏移量，需取绝对值：

Bi |m xo| （5）

xo为被测量的理论中心值。

在进行设备能力验证时，各主要工业国家、各大企业集团执行的评定原则并不完全一致，在德国大众汽车（集团）公司，对螺栓拧紧设备应该具备的机器能力指数的要求如下表

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3，拧紧工序的过程能力分析

工序质量反映了制造过程中某道工序在稳定状态下所具有的保证产品质量的能力，它取决于设备、材料、操作者、工艺、测量手段和环境等诸多方面，即5M1E，乃是上述六项相互独立因素综合影响的结果。过程能力，也称工序能力，是指过程的作业水平满足技术标准的能力，过程能力的表述建立在对质量特性值离散程度的研究的基础上，采用过程能力指数Cp、Cpk作为评定指标来定量地反映对产品技术标准（如工件的公差）要求的满足程度。当质量特性值为双向公差时，其计算公式为：

Cp TO TU 6s ( 6 )

Cpk TO 3s 或Cpk Tu ( 6’ ) 3s

式中，To、Tu分别为质量特性值的上下公差，s为抽检样本总体的标准偏差。上一节谈到的机器能力是工序能力的重要组成部分，而指数Cm和Cmk作为设备能力的评价指标，则定量地反映了其自身所具有的满足产品质量（如零件的尺寸等质量特性值）的能力。虽然对于自动化程度很高的批量生产过程中的制造设备，如执行装配生产线拧紧工序的自动、半自动电动拧紧枪，机器能力的验证有着特别的重要性，但Cm和Cmk毕竟只反映了有限时间内的质量保证能力，现代企业还必须确保足够的过程能力。在德国大众汽车（集团）公司，对装配拧紧工序就明确规定：Cpk≥1.33。

鉴于兼有扭矩控制或转角控制功能的电动拧紧枪在实施拧紧作业时，事实上同时在进行100%的检测，并能把对应的测得值予以储存，任何一个超出（扭矩或转角）控制范围的螺纹付连接都将被显示、剔出。而利用已臻成熟的SPC方法进行过程能力分析则是建立在抽检分析的基础上。无疑前者监控力度更大，因此，即使在一些较大规模的企业中，只要所配置的电动拧紧枪处于正常工作状态，就并不再刻意去求取Cp、Cpk。

当然，从技术上，只要提取存储在电动拧紧枪控制部分中的扭矩（或转角）实测值，无论是按规定的间隔分组抽样还是利用全部的测得数据，就能很方便地依据过程能力的评定方法，求出能力指数Cp、Cpk，然后判断是否达到≥1.33的既定目标。但客观地说，这是在企业对自身提出更高要求的情况下才会采取的做法。

4，关于电动拧紧枪监控窗口的设置

在现代制造业，特别是批量生产的汽车

行业，装配作业中电动拧紧枪所采用的拧紧工艺

主要有两种：扭矩控制法和扭矩—转角控制法（或

简称转角控制法）。但严格地说，这两种方法应该

称为“扭矩控制—转角监控法”和“转角控制—

扭矩监控法”，因为从确保装配工序的可靠进行和

更好地控制螺纹付连接的装配质量，还必须在电

动拧紧枪的控制器中设置相应的“监控窗口”。 图1 转角监控窗口的设定

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当装配过程采用前一种扭矩法时，目标值是一个预先设定的拧紧扭矩值MA，其上、下控制限分别为MA最大和MA最小。从图1中可以看到，完成螺纹付连接后实际的拧紧扭矩MA实际值的分散性一 般较小，但这种方法因受连接部位摩擦力影响很大，导致了螺栓轴向预紧力的分散，并反映在转角WA实际值有较大的分散性。

显然，当遇到螺纹付连接部分表面质量不稳定（取决于表面加工粗糙度、涂层状况或沾染油污等因素）等情况时，这种现象会更突出。为甄别和剔除这些不正常的状况，在设定扭矩控制上、下限的同时，又设置了转角监控窗口WA最小和WA最大，这就意

味着一旦出现拧紧扭矩MA

应WA实际值实际值虽然在控制限内，而对已超出监控窗口，也说明该螺纹付连接是不

合格的，很可能在某一方面存在明显的、严重的缺陷。

转角法是一种近年来应用日益广泛的拧紧方法，多

数应用于产品上较重要的装配部位，这是由其技术上的

优越性所决定的。当采用这种方法时，目标值是从一个

规定的预拧紧扭矩MVA（也称起始扭矩）起，直至所设

定的拧紧旋转角度WA。具体执行时，先按扭矩确定转角 图2 扭矩监控窗口的设定 控制的起始点，即MVA，当电子拧紧枪达到以后，停顿1~2秒或更短些，接着就降低拧紧的转速，然后边旋转边计算角度，一直达到设定值WA，见图2。转角控制法通过在螺栓材料屈服点以内的预拧紧，以及在转过WA角后接近或超过屈服点时完成装配，大大降低了连接部位摩擦力带来的影响，使轴向预紧力的分散性较小，从而提高了装配质量，无疑，当转角达到WA实际值时会有较大的分散性，出于同样的目的，也应该设置“扭矩监控窗口”，即MA最大和MA最小。这样做的目的也很明确，例如当完成拧紧后的转角WA实际值虽控制在规定的范围内，而扭矩值MA实际值太大，这表明：显然存在螺栓材料抗拉强度太高或热处理后材料太硬的情况；反之，若扭矩太小，则表明可能存在螺栓抗拉强度太低或热处理不好。因此，通过观察拧紧过程中的扭矩值变化，可以达到监控螺纹付连接中螺栓材质等质量问题。

那么如何来设定监控窗口的上、下限，即“WA最小和WA最大”，及“MA最小和MA最大”呢？类似过程能力分析的做法，通过采集一段时间（如一个班）内电动拧紧枪在正常工作情况下获得的与扭矩控制对应的转角值，及与转角控制对应的扭矩值，样本一般取n=100。再利用统计分析的方法，求出标准偏差s，监控窗口的上、下限即可在±3s的基础上再适当放大5%~10%。但在处理象动力总成装配中经常采用的多头电动拧紧枪时，由于其中的每一支枪执行的拧紧操作其实是完全一样的，故没必要分别设置不同的“监控窗口”。合理的做法是综合多头枪中各自采集的样本，经数据处理后，再求取反映整个拧紧工位的监控窗口上、下限。显然，这样确定的监控范围要比对应于每一支电动拧紧枪的来得大，但更加符合实际情况。

5，评价螺栓连接质量的“事后”检验

前三节所阐述的对电动拧紧枪及其拧紧过程的能力验证和监控，是对螺纹付连接质量的一种间接评价，事实上也是确保产品装配质量的前提。但同时也还必须进行对拧紧后螺纹付连接质量的检验，

而与拧紧工艺采用的是扭矩法还是扭矩—转角法无关。只是需要指出，此时执行检验的基础是：通过

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自动化程度很高的装配工艺过程，已生产出一定批量的性能满足要求的合格产品。

多年来，在汽车制造业中的大多数企业都在装配工序后利用指示式扭矩扳手以抽检的方式对相关的螺纹副进行拧紧扭矩测试，，以评价螺栓连接的质量。其间，出现各种各样的情况是很正常的现象，但前提是执行的方法必须合理、正确，这是处理问题、解决问题的关键。

除了上述在工序间进行的扭矩测试外，还有一类是整车或总成（指发动机、变速箱等）经过连续运行、承受过负载后再对相关的螺栓连接质量进行的检验。在德国大众汽车公司，把前一类测得的扭矩命名为Mna1,后一类为Mna2。并为准确测得Mna1和Mna2，强调了必须满足的条件：

电动拧紧机的机器能力指数Cm、Cmk必须达到1.67以上，即务必经过设备能力验证。另外，要求过程能力指数Cpk≥1.33。

利用指示式扭矩扳手（一般要求用精度较高的电子扭矩扳手），通过”事后法”进行拧紧扭矩测试时，必须采用紧固法，不能用松开法或标记法。执行紧固法时需注意，拧动螺栓（或螺母）的角度应尽量小，最大不超过10°。

实践表明，在上述测试过程中，由于摩擦作用，有时会出现一个不应算作Mna的峰值扭矩，即所谓的起动扭矩。因此，为准确地测出Mna值，不能使用那些只显示一个峰值的指示式扭矩扳手。 对于工序间的扭矩值，即Mna1的求取，必须在装配完成后的30分钟之内进行。

不能、也不必要把测得的扭矩Mna1和Mna2的值与图纸或工艺上的扭矩额定值或控制值相联系、 作比较。因为，在以紧固法再次拧紧期间，扭矩值的分布特性与装配工序的拧紧扭矩特性相比已有很大差别，故这种比对毫无意义。

对Mna1和Mna2值正确评价应该采用如下方式：通过采集至少100个实际扭矩测量值，然后借助于统计分析的方法，求出标准偏差s。再根据不同用户的实际情况，以±2s或±3s作为控制范围的上、下极限，用作检验、评价螺栓连接拧紧效果的Mna1和Mna2值，必须落在设定的界限范围之内。

根据具体情况的不同，各企业可制定相应的、有针对性的检验规范，以确保特定产品螺纹付连接的装配质量。以下是一个实际案例。

Mna1监控范围的确定，以及对工序间螺纹付连接扭矩值测试的实施，均应由车间现场工作人员（技术员和操作工）实施，现场质量工程师则予以监督；而对于拧紧扭矩值Mna2，以上这些工作都应该由质保部的相关专职人员承担。

根据螺纹付拧紧扭矩对产品（如发动机、车身等）的功能影响大小，不少企业都将装配扭矩划分为三个等级：重要、次重要和一般。但在工序间进行Mna1测试时，需对全体螺纹付连接部位进行装配扭矩的检验，然而在对总成产品进行Mna2测试时，则只需选择“重要”那一类及“次重要”中的一部分做检查。

关于Mna1的抽检频次，在正常情况下，每班做二次，每次连续测试二台，要求覆盖每个装配工位。对于Mna2，则与产品性质有关，对发动机、变速箱之类大总成，多数企业每班抽一台做性能测试，则在结束后针对该台进行测试。

Mna1、Mna2控制范围确定的时间间隔不采用“定期”的方式，在运行正常的情况下，并不需要去重新采样、处理、设置，一般可以持续较长时间。只有在发生产品更换（新），工作参数改变；装配拧紧机或生产线进行大修或技术改造，以及出现了明显的不正常现象，如Mna1、Mna2实测值中不

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合格率骤增等情况。当然，真遇到这类异常情况时，还必须系统地检查拧紧设备和过程。

参考文献

1， 朱正德 机器能力指数----评定螺栓拧紧设备的一项重要指标

《组合机床与自动化加工技术》 大连 2002．No.9

2， “螺纹紧固件拧紧工具---性能测试方法” （ISO5393 1994E）

3， 朱正德 螺栓拧紧装配过程的SPC控制 《中国质量》 北京 2003．No.11 4， “过程能力的统计特性” （ISO\FDIS 21747 2004E）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kbiq.html