电动拧紧枪拧紧过程扭矩过冲问题的分析研究

赵文胜1潘子文2陈坤3

摘要：随着科学技术的发展，越来越多的先进设备被用于生产制造过程中，但设备的使用具有一定的局限性；在使用电动拧紧工具紧固螺栓的过程中，发现螺栓扭矩远超过设定值（过扭），造成扭矩过冲问题。扭矩过冲可能导致螺栓被拉长甚至断裂，影响整车拧紧质量，增加成本及返修浪费，甚至影响整车行驶安全性，本文对电动拧紧工具在汽车生产拧紧过程扭矩过冲问题进行分析探讨，为后续解决类似问题提供借鉴与参考。

关键词：螺栓；扭矩；电动拧紧工具；拧紧质量

1前言

1.1课题来源

汽车生产装配过程中，绝大部分零件装配到车身上均通过螺栓紧固，目前对小扭矩螺栓拧紧主要采用直流电池式拧紧工具，大扭矩螺栓则采用交流电电动拧紧工具进行紧固。然而电动拧紧工具拧紧螺栓的过程中，螺栓受到的拧紧扭矩超差异常，远大于目标扭矩，此问题严重影响整车拧紧质量，若关键点问题逃逸，对行车安全存在极大的隐患，故应杜绝此类问题的发生。本文以生产车间装配A车型安全带螺栓进行分析研究，找到了问题的关键原因并提出相应的解决措施，解决方案已在生产中验证可行，并且效果显著。

1.2电动拧紧工具简介

电动拧紧工具分为直流电式和交流电式，本文提到的电动拧紧工具是以220V或380V交流电驱动的拧紧工具（简称电枪），配备可编程逻辑控制器进行控制，利用内部配置的传感器进行扭矩、角度等参数的控制，通过局域网将拧紧过程及结果信息储存至服务器中或将额定的数据存储于本身控制器内；通过控制器可对螺栓拧紧的目标扭矩、拧紧速度及角度等进行设置；随着不断更新换代，电枪功能趋于多元化，用户可根据现有功能及需求进行多样化设置，使得螺栓拧紧更加科学有效。

2扭矩过冲问题原因分析

目前，生产车间使用的以220V或380V交流电驱动的电动拧紧工具主要有BOSCH和AtlasCopco两种品牌，然而都存在拧紧过程扭矩过冲问题，故与拧紧工具品牌无关，存在其他影响因素。

2.1连接点硬度及扭矩过冲问题解析

螺栓连接点有硬连接和软连接之分，硬连接为螺栓或螺母拧紧至贴合点后（注：贴合点一般默认为目标扭矩的5%~10%），旋转30°以内达到目标扭矩；软连接为螺栓或螺母拧紧至贴合点后，旋转2圈（720°）以上达到目标扭矩，介于软硬连接之间的称为中性连接（如图2-1所示）。扭矩过冲即螺栓拧紧的最终扭矩超过目标扭矩值，也叫过扭；查阅螺栓拧紧相关资料，发现螺栓扭矩过冲问题主要受连接件硬度及拧紧工具转速影响；越硬的连接点，拧紧转速越快，则发生扭矩过冲的问题越突出。

图2-1螺栓连接的硬度

2.2电枪拧紧数据分析

调取电动拧紧枪一次拧紧安全带螺栓数据分析，A车型安全带螺栓目标扭矩设定值为50N.m，通过Minitab分析发现螺栓拧紧不合格主要为扭矩偏大（如图2-2所示），均值为53.59N.m，最终拧紧扭矩超出目标扭矩产生扭矩过冲问题，占一次性拧紧不合格的99.16%；此外，统计不合格拧紧从螺栓贴合开始受力至最终结束旋转过的角度（如表2-1所示），螺栓贴合后，分三个角度步骤拧紧值最终扭矩。

图2-2Minitab分析数据图

从收集的拧紧数据分析可知，螺栓贴合后旋转过的总角度普遍为32°左右，判定该螺栓连接点为偏硬连接，如果扭矩未过冲，螺栓贴合后拧紧至目标扭矩，角度或小于30°；由此可初步判断安全带螺栓拧紧扭矩过冲与该连接点特性为硬连接有关。

2.3电枪拧紧曲线分析

查看电枪拧紧过程扭矩-角度曲线（如图2-3所示），从扭矩曲线中看到螺栓拧紧到达贴合点后，扭矩上升迅速，在目标扭矩点仍未停止而继续增大，进而造成扭矩过冲，超出目标扭矩控制范围，电枪报警不合格。为了使螺栓拧紧更具科学性，相对传统的一步拧紧，目前使用的电枪主要分为两步或多步拧紧，大多数采用扭矩控制加角度监测拧紧策略。生产车间对A车型安全带螺栓拧紧就采用两步拧紧，扭矩控制加角度监测拧紧策略；第一步拧紧扭矩为最终扭矩的50%即25N.m，但在拧紧曲线中未发现两步拧紧，仅在第一步拧紧过程扭矩就已达到55.54N.m，超出最终目标扭矩控制范围45--55N.m。

图2-3电枪拧紧过程扭矩曲线

分析拧紧曲线可知，在第一步骤拧紧过程，扭矩就已过冲超过目标扭矩，由此判断扭矩过冲主要与电枪第一步拧紧过程有关。

A车型安全带螺栓拧紧电枪程序设置为两步拧紧，采用扭矩控制加角度监测拧紧策略，电枪拧紧程序各步骤参数如下：第一步扭矩25N.m，转速为350RPM，角度检测为10°-360°；第二步扭矩50N.m，转速为60RPM，角度检测为10°-200°。

电枪程序参数中第一步扭矩为25N.m，转速为350RPM，按照设定的拧紧程序，正常情况下到达25N.m时将会转到第二步程序继续拧紧；但在一次性拧紧不合格曲线中看到在第一步骤时，扭矩迅速上升且在第一目标扭矩点未停止，扭矩直接过冲至最终扭矩之上。结合数据分析中螺栓贴合至最终扭矩转过的角度约为32°，属于偏硬连接；在电枪拧紧程序中第一步转速为350RPM，相对速度较快。根据我们查阅的资料知道扭矩过冲与拧紧速度也有关系，因此，可初步判定A车型安全带扭矩过冲与拧紧工具电枪的第一步转速过快有关。

综上分析，对于A车型安全带螺栓拧紧扭矩过冲问题，初步判断主要原因有两点：一是该螺栓连接点属于硬连接特性，二是电动拧紧工具转速相对较大。

3扭矩过冲问题解决方法探讨

针对电枪快速拧紧偏硬连接点扭矩过冲问题的原因，需要进一步分析论证，下面从改变螺栓连接点本身的偏硬特性及优化调整电动拧紧工具本身的程序参数两方面入手解决。

3.1改变螺栓连接点偏硬特性

由于A车型安全带螺栓连接点固有的硬连接特性，改变其特性较为困难，我们寻找目标扭矩相同的其他偏软连接点替代该点以达到改变连接点特性的目的，最终找到后减震器连接至车身螺栓拧紧点，该点与安全带螺栓的最终目标扭矩相同，均为50N.m，螺栓贴合后至达到最终扭矩，旋转过的角度约为300°，属于中性连接，符合连接点特性改变的要求；然后将拧紧该点的电枪程序调整至与安全带螺栓拧紧的电枪程序一致，第一步扭矩为25N.m，转速为350RPM，第二步扭矩为50N.m，转速为60RPM，观察拧紧曲线及最终结果（如图3-1所示），未发现扭矩过冲问题。

图3-1电枪拧紧过程扭矩&角度曲线

由此可证明，针对连接点的偏硬特性，可改变螺栓连接点为偏软连接，避免了使用电动拧紧枪拧紧螺栓时扭矩过冲的问题。

3.2优化电动拧紧工具拧紧程序参数

3.2.1模拟试验验证

硬连接点螺栓扭矩过冲问题与拧紧速度有关，故选定一个偏硬连接点进行模拟试验验证，模拟采用两步拧紧法，第一步扭矩为25N.m，第二步即最终扭矩为50N.m，第二步转速为50RPM，以第一步转速作为变量，试验结果如下图3-1所示：

图3-1速度为变量试验曲线图

从模拟试验拧紧曲线中发现，随着第一目标的转速不断提高，扭矩上升斜率不断增大，当转速继续增大时，电枪无法切换至第二步转速，扭矩过冲。

3.2.2实际问题解决

由于A车型安全带螺栓连接点属于偏硬连接，在不改变其硬连接特性的前提下改变拧紧速度分析。350RPM电枪拧紧速度相对较快，也是影响扭矩过冲的一个重要原因。因此，降低其拧紧电枪的第一步拧紧速度至200RPM，第二步速度未改变；通过降低第一步转速，安全带螺栓扭矩过冲问题明显减少，统计数据每班次扭矩过冲故障率约为0.12%。虽然扭矩过冲问题得到控制，但仍未能彻底解决；继而继续降低拧紧转速为100RPM，此时，扭矩过冲问题得到解决，但拧紧速度过低跟不上生产节拍，影响正常生产。

降低拧紧转速，扭矩过冲问题可解决，但速度过低又跟不上60JPH的节拍，通过对速度为200RPM的拧紧结果合格的曲线分析，发现在此速度下，第一步扭矩过冲量较小，设置的第一步扭矩为25N.m，实际也就为35N.m左右。因此，对电枪程序参数第一步扭矩进行调整为15N.m，转速仍为200RPM，通过此优化，第一步扭矩在已无超过目标扭矩50N.m的现象，扭矩过冲问题得到彻底解决，同时对生产节拍无影响，拧紧过程扭矩曲线如图3-2所示。在生产节拍较快同时又不能影响节拍的生产线，降低拧紧速度和第一步扭矩的方法可有效的解决扭矩过冲问题。

图3-2A车型安全带螺栓电枪拧紧过程扭矩曲线

结束语：

本文主要通过对电动拧紧工具拧紧过程扭矩过冲问题的分析研究，确定扭矩过冲问题主要受连接点偏硬特性及拧紧速度过快的影响，再根据实际问题进行措施制定及实施，最终解决拧紧过程扭矩过冲问题；问题的解决保证了拧紧质量，积累了拧紧问题解决的经验，为电动拧紧工具的程序优化设置提供了借鉴，同时，也为新产品及其他拧紧问题的解决提供思路及参考。

参考文献：

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