扭矩 -轉(zhuǎn)角法擰緊工藝條件下的裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)
林湖
（上海大眾汽車有限公司 201805 ）

1、 扭矩 - 轉(zhuǎn)角擰緊工藝的技術(shù)特點(diǎn)所引起的評(píng)定問題

        螺紋副聯(lián)接是汽車、內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)等眾多機(jī)械行業(yè)裝配作業(yè)所廣泛采用的一種方法，為確保裝配的質(zhì)量，必須對螺紋副的擰緊狀態(tài)予以控制?，F(xiàn)今用于控制螺紋擰緊的方法主要有扭矩法，扭矩 - 轉(zhuǎn)角法，屈服點(diǎn)法，螺栓伸長法等 4 種。其中，螺栓伸長法雖然最為準(zhǔn)確、可靠，然而，由于難以在實(shí)際的裝配機(jī)械上實(shí)現(xiàn)，故至今尚未用于生產(chǎn)。相比之下，扭矩法因簡單易行，長期來一直是螺紋副裝配中最常用的方法。但隨著對裝配質(zhì)量要求的不斷提高，扭矩法的不足也越來越多地暴露出來。因此，近十年來，重要場合下螺栓聯(lián)接所采用的擰緊工藝基本由扭矩 - 轉(zhuǎn)角法所取代，大大提高了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。以轎車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在現(xiàn)代汽車廠的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上，關(guān)鍵螺栓聯(lián)接，如主軸承蓋、缸蓋、機(jī)油濾清器支架、曲軸軸頭等的擰緊工藝都為扭矩 - 轉(zhuǎn)角法，一些分裝線上的重要螺栓聯(lián)接，象連桿，采用的也是這種方法。

        裝配擰緊的實(shí)質(zhì)是通過螺栓的軸向預(yù)緊力將兩個(gè)工件（如缸蓋與缸體）可靠地聯(lián)接在一起，因此，對軸向預(yù)緊力的準(zhǔn)確控制是保證裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)。通過控制擰緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法由于受到摩擦系數(shù)等多種不確定因素的影響，導(dǎo)致對軸向預(yù)緊力控制精度低。此外，出于安全考慮，最大軸向力在設(shè)計(jì)時(shí)一般設(shè)在其屈服強(qiáng)度的 70% 以下，實(shí)際值往往只有 30~50% 。軸向預(yù)緊力小而分散，必然造成材料利用率低、結(jié)構(gòu)笨拙和可靠性差。而扭矩 - 轉(zhuǎn)角法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長量，在螺栓貼合以后的整個(gè)擰緊范圍，伸長量始終與轉(zhuǎn)角成正比。在彈性范圍內(nèi)，軸向預(yù)緊力與伸長量成正比，控制伸長量就是控制軸向力，螺栓開始塑性變形后，雖然兩者已不再成正比關(guān)系，但桿件受拉伸時(shí)的力學(xué)性能表明，只有保持在一定范圍以內(nèi)，軸向預(yù)緊力就能穩(wěn)定在屈服載荷附近。事實(shí)上，扭矩 - 轉(zhuǎn)角法主要通過將螺栓拉長在超彈性極限，達(dá)到屈服點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)既充分利用材料強(qiáng)度，又完成了高精度擰緊控制的目的。

        眾所周知，扭矩是一種易測量又易顯示的工作參數(shù)，而對軸向預(yù)緊力的測量則很困難。在評(píng)定裝配質(zhì)量，即產(chǎn)品的螺栓聯(lián)接質(zhì)量時(shí)，若采用扭矩法進(jìn)行擰緊，則裝配工藝的要求表達(dá)為M_A =M_A0±10％ ，其中M_A0 為額定扭矩值。據(jù)此，很容易確定上、下限控制，但若采用扭矩 - 轉(zhuǎn)角法，工藝要求的表達(dá)形式就完全不同，成為：M_A=M_s±10%+a10％ 。其中M_s 稱為起始扭矩，a 是達(dá)到起始扭矩后螺栓轉(zhuǎn)過的角度，取值一般為60^o、90^o、120^o 等，至于±10^o 只是轉(zhuǎn)角公差的一種表達(dá)形式，也有定為±10%的，或以單邊公差表示，如180^o +20 ^o 。而對扭矩 - 轉(zhuǎn)角擰緊工藝條件，該如何評(píng)定螺栓聯(lián)接質(zhì)量呢？這是企業(yè)必須解決的一個(gè)實(shí)際問題。

2 ．評(píng)定裝配質(zhì)量的技術(shù)依據(jù)

        現(xiàn)實(shí)情況是盡管扭矩 - 轉(zhuǎn)角法的擰緊原理與常用的扭矩法有著本質(zhì)的區(qū)別，可在評(píng)定產(chǎn)品的裝配質(zhì)量時(shí)，還是只能利用扭矩這一參數(shù)，采用對最終扭矩進(jìn)行檢查的形式，與執(zhí)行扭矩法擰緊工藝時(shí)一樣。但必須指出，采用扭矩 - 轉(zhuǎn)角法擰緊時(shí)，最終扭矩的大小與螺栓聯(lián)接的摩擦狀況、材料強(qiáng)度等因素有關(guān)，其最終扭矩的分布比較分散，然而，扭矩的分散正是為了減小軸向預(yù)緊力的分散。螺栓聯(lián)接組件的扭矩系數(shù)越大，其最終扭矩就越大；當(dāng)扭矩系數(shù)較小時(shí)，其最終扭矩就小。正常情況下，螺栓聯(lián)接的扭矩系數(shù)總是在一定范圍內(nèi)分布，獲得的最終扭矩就在一定范圍內(nèi)分布，因此，通過設(shè)定合理的最終扭矩范圍，能對采用扭矩 - 轉(zhuǎn)角法擰緊工藝時(shí)的裝配質(zhì)量做出評(píng)定。

        由此產(chǎn)生了間接和直接兩種評(píng)定模式，雖然它們都是以上述最終扭矩值作為依據(jù)，但獲得的途徑不同。間接法是以擰緊槍在完成螺栓緊固作業(yè)那一瞬間所顯示的值作為最終扭矩的，一般稱為裝配扭矩 。而直接法則是一種事后檢查方法，乃是由專業(yè)檢查人員手持指針式或電子數(shù)顯式扭力扳手，直接對產(chǎn)品上某一螺栓聯(lián)接部位進(jìn)行扭矩測試，均采用“緊固法”，這樣得到的最終扭矩值常稱為檢查扭矩 。

        從圖 1 中可以看出，在采用扭矩 - 轉(zhuǎn)角法裝配擰緊工藝時(shí)，摩擦系數(shù)、預(yù)緊力與最終扭矩 之間的關(guān)系。

                 圖 1 超彈性裝配時(shí)的預(yù)緊力和擰緊力矩關(guān)系示意圖

        如果螺栓強(qiáng)度最大，摩擦系數(shù)最小，則產(chǎn)生最大預(yù)緊力F_Mmax，反之，如果螺栓強(qiáng)度最小，摩擦系數(shù)最大，則產(chǎn)生最小預(yù)緊力F _Mmin。如果螺栓強(qiáng)度最小，摩擦系數(shù)最小，將產(chǎn)生最終扭矩M_Amin ，反之，如果螺栓強(qiáng)度最大，摩擦系數(shù)最大，將產(chǎn)生最大最終扭矩M_Amax 。

        鑒于用作螺栓緊固的各類器具，無論較簡單的手持式扭力扳手還是自動(dòng)化程度很高的多頭電動(dòng)裝配機(jī)，都需經(jīng)過嚴(yán)格、規(guī)范的校準(zhǔn)，這為保證螺栓聯(lián)接的質(zhì)量打下了基礎(chǔ)。加之檢查最終扭矩的方式，客觀上會(huì)一定程度地改變螺栓聯(lián)接的原始狀態(tài)，因此，企業(yè)在采用直接法評(píng)定產(chǎn)品的裝配質(zhì)量時(shí)，大多采取抽檢的辦法。以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠為例，這項(xiàng)工作在 Audit 檢查階段進(jìn)行，每一班抽一臺(tái)產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架（即廠里的測功房）進(jìn)行 5 個(gè)小時(shí)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，在取下后所做的解析、測試內(nèi)容中，螺栓聯(lián)接質(zhì)量的評(píng)定是其中一項(xiàng)，為此質(zhì)量部門制定了一張“扭矩表”作為依據(jù)，由專業(yè)人員手持指針式或電子數(shù)顯式扳手檢查 60 多處的最終扭矩。其他類產(chǎn)品的情況相似，只是不需要在測試扭矩前做什么臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，象汽車廠中對整車和一些獨(dú)立總成的抽檢就是例子。

        至于采用間接法來檢查螺栓聯(lián)接的最終扭矩，嚴(yán)格地講屬于動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程，與以上談到的直接法的性質(zhì)完全不同。此時(shí)，關(guān)鍵是確定最終（裝配）扭矩的上、下限M_Amax 和M_Amin ，然后作為設(shè)定值輸入電動(dòng)擰緊槍的控制器，在實(shí)施緊固作業(yè)過程中，將根據(jù)實(shí)測的裝配扭矩值大小，對螺栓聯(lián)接的狀態(tài)作出評(píng)價(jià)，顯然，這種監(jiān)測是 100% 的進(jìn)行。至于對較簡單的擰緊類器具，做法上雖有區(qū)別，但究其性質(zhì)是一樣的。

        問題是如何確定最終扭矩的范圍，在采用扭矩法擰緊工藝時(shí)，如前所述，這個(gè)問題有明顯答案。但對實(shí)施扭矩 - 轉(zhuǎn)角法的螺栓聯(lián)接，又如何確定它們最終扭矩的控制范圍，以作為評(píng)定依據(jù)呢？

3 ．幾種在用評(píng)定方法簡述

        評(píng)價(jià)扭矩 - 轉(zhuǎn)角擰緊工藝條件下的裝配質(zhì)量，企業(yè)界在用的方法大致有這樣幾種：

       經(jīng)驗(yàn)法，即直接參照執(zhí)行國外的一些做法。鑒于不少國內(nèi)汽車廠（包括發(fā)動(dòng)機(jī)廠和零部件廠）的產(chǎn)品和制造工藝都不同程度地引進(jìn)國外技術(shù)，后者的一些檢查方法也就被國內(nèi)企業(yè)所仿效。

        下限控制法是有代表性的一種“直接”評(píng)定方法，實(shí)施該方法時(shí)，只設(shè)置控制范圍的下限，即最終扭矩的最小值 M_Cmin ，通過評(píng)定確保螺栓聯(lián)接的最終扭矩不小于M_Cmin 。至于M_Cmin 的量值，則有經(jīng)驗(yàn)而定，一種較常用的方式是“系數(shù)值”，將扭矩-轉(zhuǎn)角法的起始扭矩乘以一個(gè)固定的系數(shù)C，作為M_Cmin ，即

        MC_min=C.M_s

上式中的起始扭矩，系數(shù)一般取為1.1。

        如發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油濾清器支架，在采用扭矩 -轉(zhuǎn)角法固定于某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，裝配工藝為：16Nm±10％+90^o ±15^o ，采用下限控制法時(shí)，M_Cmin 就被定為18Nm。

        還有一種情況是對每個(gè)特定的螺栓聯(lián)接設(shè)定一個(gè)明確的下限控制值，即規(guī)定此種情況下的M_Cmin 。如在某車型的整車裝配中，將副車架安裝在車身上的裝配工藝為 70Nm±10％+90^o±10^o，下限控制值規(guī)定為80Nm。當(dāng)然，這也是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

        不可否認(rèn)，“下限控制”這種經(jīng)驗(yàn)法有一定的局限性，只適合工藝過程相當(dāng)穩(wěn)定，設(shè)備狀態(tài)很好的情況下。

        參考標(biāo)準(zhǔn)法。這種做法適用于間接法評(píng)定，即根據(jù)一些大的企業(yè)集團(tuán)或國際組織推出的標(biāo)準(zhǔn)，作為確定最終（裝配）扭矩M_A 控制范圍的依據(jù)。表1摘自德國大眾汽車集團(tuán)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它給出了部分常用標(biāo)準(zhǔn)螺栓使用扭矩-轉(zhuǎn)角法進(jìn)行裝配時(shí)，起始扭矩的推薦值，以及軸向預(yù)緊力 F_n 和最終扭矩M_A 的散布范圍，后者無疑可以作為 M_A 上、下控制限的參考依據(jù)。

        表 1 超彈性螺栓裝配起始扭矩M_A 和轉(zhuǎn)角及最大最小預(yù)緊力 F_Mmin ,F_Mmax

        毫無疑問，參考標(biāo)準(zhǔn)法如同前面的經(jīng)驗(yàn)法一樣，也有其局限性，首先，表 1 的轉(zhuǎn)角法是唯一的，即a=90^o ，而實(shí)際執(zhí)行扭矩 - 轉(zhuǎn)角法時(shí)，a 可以取包括120^o、180^o 在內(nèi)的各種值。另外，實(shí)施擰緊時(shí)的不同做法，如采取擰緊后松開再擰緊，分步擰緊等方式，都直接影響最終（裝配）扭矩值的分布范圍。

         統(tǒng)計(jì)法。這種評(píng)定方法的原理是，在確定螺栓緊固設(shè)備（器具）穩(wěn)定可靠的前提下，通過測量、讀取大量合格螺栓聯(lián)接的最終扭矩，再經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析求出其均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，由此確立上、下控制限。統(tǒng)計(jì)法既適用于最終扭矩的直接評(píng)定，也適用于最終扭矩的間接評(píng)定，區(qū)別僅在于獲得測試樣本的方式、過程不同，前者必須通過事后的人工檢測得到產(chǎn)品的檢查扭矩，而后者就比較簡單，特別對那些電動(dòng)擰緊裝配機(jī)，裝配扭矩M_A 的讀取、輸出都很方便。

        對檢查扭矩M_C ，根據(jù) n 次測試結(jié)果，可求得檢查扭矩的均值M_A 及標(biāo)準(zhǔn)差 s , 由此得到合格螺栓聯(lián)接檢查扭矩的控制上限 M_CU =M_Cm +3s，以及控制下限M_Cl=M_cm-3s。

        同樣，對裝配扭矩M_A ，根據(jù)從螺栓擰緊機(jī)（器具）上獲得的 n 個(gè)最終扭矩M_A 的讀數(shù)，可求得裝配扭矩M_A 的均值M_Am 及標(biāo)準(zhǔn)差 s 。由此，就能得到合格螺栓裝配扭矩的控制上限 M_AU =M_Am +3s，以及控制下限 M_Cmin ,M_Cmax =M_Am-3sM_AL=M_Am-3s。

        以下是一個(gè)實(shí)例。為了對采用扭矩 - 轉(zhuǎn)角擰緊工藝的某型號(hào)柴油機(jī)缸蓋螺栓聯(lián)接制定合理的最終扭矩在線監(jiān)測范圍（M_Amin ,M_Amax ）和產(chǎn)品檢查控制范圍（ M_Cmin ,M_Cmax ），在柴油機(jī)總裝現(xiàn)場對該產(chǎn)品進(jìn)行了裝配扭矩和檢查扭矩的測試，結(jié)果如表 2 所示。

        表 2 螺栓的裝配扭矩及產(chǎn)品檢查扭矩測試結(jié)果

        根據(jù)表 2 中最后二行求出的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，就可按前面所述方法十分方便地求出直接法和間接法評(píng)定時(shí)的兩種控制范圍。

事實(shí)上，不少企業(yè)在評(píng)定和控制產(chǎn)品的裝配質(zhì)量時(shí)，同時(shí)采用“直接法”和“間接法”，尤其對于技術(shù)先進(jìn)的電動(dòng)擰緊裝配機(jī)，設(shè)置一個(gè)裝配扭矩M_A 的監(jiān)測范圍不是太困難。然而再采用抽檢的方式，直接評(píng)定產(chǎn)品的檢查扭矩，至于此時(shí)到底用經(jīng)驗(yàn)法還是用統(tǒng)計(jì)法，則由企業(yè)自己確定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林湖 . 碩士學(xué)位論文 . 上海海運(yùn)學(xué)院 . 2002 年 12 月

[2] 張家全 . 扭矩 - 轉(zhuǎn)角裝配方法及測量誤差分析 . 第十次全國汽車裝試年會(huì)論文集 . 2002 ， 11

[3] 張瓊敏 . 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究 . 第十次全國汽車裝試年會(huì)論文集 . 2002 ， 11

聯(lián)系方式：林湖， 現(xiàn)工作單位：上海大眾汽車有限公司 規(guī)劃部 樣板科（ 201805 ）