汽車用緊固件，包含各種散件緊固聯(lián)接成為整車的各種標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的緊固元件，螺栓、螺釘?shù)冉柚菁y緊固聯(lián)接的是其主體。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛輕型車或轎車平均每車用緊固件約500種規(guī)格、50Kg、4000 件左右。以零件數(shù)量計(jì)算，緊固件件數(shù)占整車零件總數(shù)比例，遠(yuǎn)超過其它任何一種零件，高達(dá)40%~55%的占比，緊固件費(fèi)用占整車成本的2.5%。

整車以及總成的總裝過程，主要是應(yīng)用緊固件聯(lián)接各種零部件的過程，在裝配線上的緊固連接工作量約占70%。

汽車行業(yè)23%的維修問題，是由緊固件松脫引起的，有12%的新車，存在緊固件松緊度不正確的問題，某些緊固件失效，導(dǎo)致車毀人亡的事例也時(shí)有所聞。所以，控制緊固件的裝配質(zhì)量對(duì)控制汽車整車質(zhì)量至關(guān)重要。

要保證汽車產(chǎn)品質(zhì)量，必須加強(qiáng)對(duì)汽車生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。質(zhì)量控制是為了達(dá)到質(zhì)量要求所采取的作業(yè)技術(shù)和活動(dòng)。其目的在于為了監(jiān)視過程并排除質(zhì)量環(huán)所有階段中導(dǎo)致不滿意的因素，以此來確保產(chǎn)品質(zhì)量。過程監(jiān)控是產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

無論是零部件產(chǎn)品還是最終產(chǎn)品，它們的質(zhì)量都可以用質(zhì)量特性圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)值波動(dòng)的大小來描述。若波動(dòng)越小則質(zhì)量水平越高。當(dāng)每個(gè)質(zhì)量特性值都達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值，即波動(dòng)為零，此時(shí)該產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到最高水平。

但實(shí)際上這是永遠(yuǎn)不可能的。所以我們必須進(jìn)行生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，最大限度地減少波動(dòng)。

扭矩是螺紋緊固件裝配時(shí)用來管理、控制和檢測連接質(zhì)量的參數(shù)，所以在裝配的過程中必須對(duì)螺紋連接的扭矩進(jìn)行控制。

在國內(nèi)大多數(shù)汽車裝配過程中，對(duì)扭矩的管理控制存在著依照經(jīng)驗(yàn)控制，控制方法不正確，控制工具選型不符，沒有可靠的控制工藝和規(guī)范，沒有有效的監(jiān)測手段等問題，導(dǎo)致裝配質(zhì)量無法保證，螺紋連接失效，影響整車質(zhì)量，威脅消費(fèi)者人身安全的現(xiàn)象。有效的控制方法，可靠地進(jìn)行扭矩過程控制，確保螺紋緊固件的裝配質(zhì)量，成為各主機(jī)廠的重要工作內(nèi)容。

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國內(nèi)外主機(jī)廠對(duì)扭矩的質(zhì)量控制

日本緊固件研究協(xié)會(huì)在1990年制定了有關(guān)螺紋緊固問題的兩個(gè)標(biāo)推，即:“ISB-1083螺紋緊固通則”和“ISB -1084螺紋零件緊固試驗(yàn)方法”。并針對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，印發(fā)了《螺紋緊固手冊(cè)》，闡述螺紋緊固方法的基本原理。

要保證螺紋緊固件的裝配質(zhì)量，必須保證螺紋連接的剛性、緊密性、防松能力、以及螺栓疲勞強(qiáng)度。在裝配過程中，聯(lián)接螺栓必須被施加一個(gè)預(yù)緊力(扭矩)。所以如何控制扭矩便是如何控制螺栓裝配質(zhì)量的重點(diǎn)。

我國，目前普遍采用的過程失效模式對(duì)扭矩失效原因的分析，一般僅是局限于含糊的員工操作失誤或者工具/設(shè)備故障，以至于不能制定有效的控制措施。

而現(xiàn)在廣泛使用的氣動(dòng)扳手和扭矩扳手，并不能監(jiān)測螺紋緊固時(shí)的扭矩，只有高精度的電動(dòng)擰緊設(shè)備才可以通過預(yù)設(shè)，對(duì)擰緊的過程進(jìn)行控制。

緊固件扭矩控制工具

緊固工具是整個(gè)擰緊裝配過程中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以分為手動(dòng)工具和自動(dòng)工具，自動(dòng)工具又可以根據(jù)動(dòng)力源的不同分為氣動(dòng)和電動(dòng)工具。手動(dòng)工具多為常見的扭矩扳手。而在一些需要較高擰緊要求的場合，如汽車行業(yè)，自動(dòng)工具的使用則非常廣泛。

目前，國內(nèi)自動(dòng)緊固工具還要大量依靠國外產(chǎn)品，其中，較為著名的品牌有法國的馬頭動(dòng)力工具DESOUTTER,德國的Bosch,美國的Ingersoll Rand，日本的DDK等等;國內(nèi)品牌包括大連德新、大連嘉禾等，也有院校和其他研究機(jī)構(gòu)在緊固工具及其配套系統(tǒng)這方面的研究取得了一定成果，如合肥工業(yè)大學(xué)開發(fā)了很多集成了緊固工具的自動(dòng)擰緊系統(tǒng)。相比而言，國外產(chǎn)品線更豐富，技術(shù)更成熟，精度控制更有保障。

以上提到的這些緊固工具，一般習(xí)慣上稱之為擰緊槍或擰緊軸，在下文中統(tǒng)稱為擰緊槍。

以電動(dòng)擰緊槍為例，其自身結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)力源、減速箱、傳感器、加載頭、套,筒等，其中，套筒一般可更換，用于裝夾小范圍內(nèi)不同尺寸的螺母和螺栓，擰緊頭的彈簧可以保證在擰緊過程中不需要借助其他進(jìn)給運(yùn)動(dòng)即可將螺栓或螺母從松脫狀態(tài)緊固至擰緊狀態(tài)。

此外，還有實(shí)現(xiàn)擰緊控制的配套的PLC控制器、PC,安裝固定擰緊槍的夾持器或扭矩臂等。

擰緊槍基本結(jié)構(gòu)

1--動(dòng)力源，2--減速箱，3-傳感-器，4--前端部分，5--加載頭，6、7--壓縮彈簧，8--線纜槽。

主機(jī)廠緊固件扭矩質(zhì)量的控制方法

目前，國內(nèi)主機(jī)廠對(duì)螺紋緊固件扭矩控制方法主要有:扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)法、伸長量法四種。

以下，我們?cè)敿?xì)介紹四種扭矩控制方法對(duì)緊固件連接質(zhì)量的影響，并對(duì)比目前主機(jī)廠所使用的四種緊固件質(zhì)量控制法中，那種最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且相比可達(dá)到較好的效果。

3.1 扭矩控制法

扭矩控制法是最簡單的緊固控制方法，它通過直接控制施加在螺栓的扭矩來控制被連接件的預(yù)緊力，其原理在于擰緊時(shí)預(yù)緊力與擰緊扭矩成正比關(guān)系:

T=KxdxF₀

其中，T--擰緊扭矩， k--扭矩系數(shù)， d--螺栓公稱直徑，F(xiàn)--預(yù)緊力。

該式直觀反映了扭矩控制的實(shí)質(zhì)就是控制螺栓的軸向預(yù)緊力。扭矩控制法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，可以使用簡易的扭矩扳手進(jìn)行作業(yè)而無需其他復(fù)雜的設(shè)備與監(jiān)測。其缺點(diǎn)就是擰緊精度不夠，不能充分發(fā)揮材料潛力，受環(huán)境、操作手法等影響較大。

扭矩系數(shù)k的取值與許多因素有關(guān)，在實(shí)際操作中離散度較大，適用在一些要求不高的應(yīng)用場合，總體而言k一般的取值范圍在0.1~0.3之間。早在1973年，美國懷特帕特森空軍基地就確定了一系列影響螺栓扭矩和預(yù)緊力之間關(guān)系的因素，

其中包括：螺栓的材質(zhì)，螺栓的成型工藝，螺紋形狀，螺栓的同心性，螺紋連接副和墊圈的硬度，墊圈的類型和種類，部件的表面粗糙度，內(nèi)螺紋邊緣的毛刺，螺栓鍍層的厚度、種類和一致性，螺栓的潤滑，螺栓的緊固工具，螺栓的擰緊速度，扭矩扳手和螺栓的配合度，螺栓的使用次數(shù)，環(huán)境溫度等。

扭矩控制，主要是依據(jù)具有相當(dāng)精度的緊固工具和合理的工藝方法來保證。就目前狀況而言，扭矩控制法的扭矩控制精度最高能達(dá)到3%-5%的水平，而性價(jià)比較為合理的扭矩控制精度是10%~20%。

緊固件擰緊時(shí)所需扭矩，一般參考經(jīng)驗(yàn)值，螺紋公稱直徑越大，強(qiáng)度等級(jí)越高，擰緊所需扭矩值越大。個(gè)別特殊類型的緊固件也有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可供參考。

以下是某從事緊固工具公司提供的部分不同公稱直徑和強(qiáng)度等級(jí)F的推薦擰緊扭矩的技術(shù)資料:

普通螺栓擰緊推薦扭矩

3.2 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法

鑒于扭矩?cái)Q緊法存在的不足，美國在20世紀(jì)40年代末開始研究能夠提高擰緊精度的控制方法，進(jìn)而提出了扭矩-轉(zhuǎn)角控制法。扭矩轉(zhuǎn)角控制法是先將螺栓擰到一個(gè)不大的扭矩，再從此點(diǎn)開始，擰一個(gè)規(guī)定的轉(zhuǎn)角的控制方法。這一方法是基于一定的轉(zhuǎn)角，使螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長，同時(shí)被連接件則被壓縮了。

這樣做的目的是通過擰緊扭矩先將螺栓頭部或螺母擰到緊密接觸面上，克服表而凹凸不平等不均勻因素，而之后所需求的軸向預(yù)緊力由轉(zhuǎn)角產(chǎn)生。

利用轉(zhuǎn)角控制擰緊程度，摩擦阻力對(duì)預(yù)緊力的影響不復(fù)存在，所以其精度比單純的扭矩控制法要高。扭矩轉(zhuǎn)角控制法的要點(diǎn)就是確定轉(zhuǎn)角，一旦這個(gè)轉(zhuǎn)角被確定下來就可以在擰緊過程中獲得相當(dāng)高的精度。

從螺紋的運(yùn)動(dòng)學(xué)來看，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母的位移量s:

s=pθ/360°

式中，P--螺距，θ--螺母轉(zhuǎn)角。

實(shí)際擰緊一個(gè)螺母時(shí)，在開始的幾轉(zhuǎn)期間，不會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力，只有當(dāng)螺母接觸被連接件或墊圈后，預(yù)緊力才開始產(chǎn)生。

不過，由于此時(shí)各接觸表面接觸點(diǎn)很少或因被連接件與周圍構(gòu)件間的摩擦力，以及墊圈彎曲等原因，預(yù)緊力很小，但其增長卻很迅速。這個(gè)過程稱為被連接件的貼緊過程。

貼緊過程期間螺母要轉(zhuǎn)多少圈無法預(yù)知，而且，即使在完全相同的情況下，螺母轉(zhuǎn)的圈數(shù)也可能不一樣。而當(dāng)被連接件貼緊后，預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。

預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

扭矩-轉(zhuǎn)角控制法的優(yōu)點(diǎn)是擰緊精度高，擰緊質(zhì)量穩(wěn)定，螺紋間摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響小，故能充分利用螺栓的承載能力，從而獲得較大的預(yù)緊力；而缺點(diǎn)在于其控制系統(tǒng)比扭矩控制法要復(fù)雜，需要測量擰緊扭矩和轉(zhuǎn)角2個(gè)數(shù)據(jù)。

對(duì)于傳動(dòng)軸、缸蓋螺栓此類要求預(yù)緊力充足且均勻的螺紋連接，應(yīng)該越來越多地采用扭矩-轉(zhuǎn)角控制法的緊固工藝。

3.3 屈服點(diǎn)控制法

顧名思義，屈服點(diǎn)控制法就是利用緊固件材料的屈服點(diǎn)來控制緊固件的裝配。這種方法是在扭矩-轉(zhuǎn)角控制法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種更精準(zhǔn)的擰緊控制方法。

目前只有少數(shù)生產(chǎn)高端品牌的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠家在使用，這是因?yàn)檫@種方法所需要的設(shè)備成本太大。它是通過對(duì)扭矩~轉(zhuǎn)角曲線斜率的連續(xù)計(jì)算來判斷屈服點(diǎn)的。屈服點(diǎn)控制法的目標(biāo)是將螺栓或螺母擰緊到剛剛超過屈服極限點(diǎn)，從而最大限度利用緊固件材料的性能。

采用屈服點(diǎn)擰緊時(shí)，首先將緊固件擰緊到某一個(gè)規(guī)定的起始扭矩M，從這點(diǎn)開始，設(shè)備監(jiān)控?cái)Q緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降超過了設(shè)定值，那么就可以認(rèn)為緊固工具將緊固件拉伸到了屈服點(diǎn)，工具停止運(yùn)行。

屈服點(diǎn)擰緊法最大的優(yōu)點(diǎn)是不受扭矩控制法的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)角控制法的轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)的影響，可以將摩擦系數(shù)不同的緊固件都擰緊到其屈服點(diǎn)，從而最大限度的發(fā)揮了緊固件材料強(qiáng)度的潛力，克服了扭矩控制法和轉(zhuǎn)角控制法的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了裝配精度;但是它對(duì)外界干擾因素比較敏感，同時(shí)對(duì)緊固件的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，控制難度較大，因此相應(yīng)的緊固工具的價(jià)格也十分昂貴。

3.4 伸長量控制法

在緊固件達(dá)到屈服強(qiáng)度以前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，其伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系為：

δ=FL/EA

式中：δ--螺栓伸長量，F(xiàn)--預(yù)緊力，L--螺栓有效長度，A--螺栓的橫截面積，E--螺栓的彈性模量。

由上述關(guān)系式可見，預(yù)緊力與螺栓伸長量亦呈線性關(guān)系，與難以測量控制的摩擦系數(shù)及被連接件剛度無關(guān)。伸長量控制法就是在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的預(yù)緊力。

此方法控制的軸向預(yù)緊力能排除摩擦系數(shù)、接觸變形和被連接件變形等可變因素的影響，從而獲得很高的預(yù)緊力精度。

當(dāng)前伸長量的測試手段中超聲波測試方法較為先進(jìn)，通過聲程差及對(duì)環(huán)境的自動(dòng)補(bǔ)償功能來進(jìn)行伸長量的測試2231。但是，該測試方法作為擰緊控制依據(jù)，整體系統(tǒng)更為復(fù)雜，成本很高。因此這種擰緊控制方法應(yīng)用范圍也沒有前兩種廣泛。

綜上，可以對(duì)上述介紹的的四種緊固控制方法進(jìn)行簡單比較，其結(jié)果如下表所示。對(duì)比分析其優(yōu)劣可見，在精度和成本之間，扭矩-轉(zhuǎn)角控制法處于一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。

四種緊固控制方法比較

因此，除了簡單直接成本低廉的扭矩控制法外，扭矩轉(zhuǎn)角控制法是剩下三種緊固控制方法中使用率最高的一種緊固工藝，隨著扭矩-轉(zhuǎn)角技術(shù)及相關(guān)設(shè)備愈發(fā)成熟，自動(dòng)化要求愈來愈高，這種方法的適用程度仍有較大的提升空間。

如主機(jī)廠的底盤類產(chǎn)品的螺栓組緊固，扭矩控制法占到了近73%，而扭矩-轉(zhuǎn)角控制法只有21%左右。

接下來，金妹子和大家探討一下緊固件扭矩及常見問題的解決。

緊固件扭矩及緊固件常見問題的解決

工業(yè)裝配中使用最多的就是緊固件，譬如螺母螺帽、螺絲等。通常之前的方法是工人靠自己的感覺，認(rèn)為緊到不能緊時(shí)就可以結(jié)束。這個(gè)不同的人擰緊同一個(gè)工位，往往會(huì)造成緊固力度不統(tǒng)一。小的方面就是產(chǎn)品品質(zhì)無法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大點(diǎn)將可能因此出現(xiàn)事故。

過緊，會(huì)導(dǎo)致緊固件張力過大，造成緊固件屈服，緊固件斷裂或者滑絲，失去緊固效果；過松，就起不到緊固的作用。所以緊固件扭矩的確定十分重要。