朱正德¹　林湖²
（1.上海大眾汽車(chē)有限公司；2.上海海運(yùn)學(xué)院）

　　摘　要：扭矩-轉(zhuǎn)角擰緊方法在現(xiàn)代螺紋副裝配作業(yè)中占有重要地位，客觀已是關(guān)鍵螺栓緊固所采用的一種主要的方法。但如何在這種工藝條件下對(duì)螺紋副的聯(lián)接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，則是一個(gè)需要解決的實(shí)際問(wèn)題，本文就此進(jìn)行了一些探討。
　　關(guān)鍵詞：螺栓聯(lián)接；扭矩轉(zhuǎn)角法；裝配質(zhì)量；評(píng)定方法
　　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(wèn)題
　　螺紋副聯(lián)接是汽車(chē)、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(duì)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(zhǎng)法等4種。其中，螺栓伸長(zhǎng)法雖然Z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(jiǎn)單易行，長(zhǎng)期來(lái)一直是螺紋副裝配中Z常用的方法。但隨著對(duì)裝配質(zhì)量要求的不斷提高，扭矩法的不足也越來(lái)越多地暴露出來(lái)。因此，近十年來(lái)，重要場(chǎng)合下螺紋聯(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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在現(xiàn)代汽車(chē)廠的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)軸向預(yù)緊力控制精度低。此外，出于安全考慮，Z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(zhǎng)量，在螺栓貼合以后的整個(gè)擰緊范圍，伸長(zhǎng)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(zhǎng)量成正比，控制伸長(zhǎng)量就是控制軸向力，螺栓開(kāi)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?xún)?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(guò)將螺栓拉長(zhǎng)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(cè)量又易顯示的工作參數(shù)，而對(duì)軸向預(yù)緊力的測(cè)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MA=MA0±10％，其中MA0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：MA=Ms±10%+a10％。其中Ms稱(chēng)為起始扭矩，a是達(dá)到起始扭矩后螺栓轉(zhuǎn)過(guò)的角度，取值一般為60°、90度、120°等，至于±10°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°+20°。而對(duì)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(wèn)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(duì)Z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)，Z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Z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Z終扭矩就越大；當(dāng)扭矩系數(shù)較小時(shí)，其Z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Z終扭矩就在一定范圍內(nèi)分布，因此，通過(guò)設(shè)定合理的Z終扭矩范圍，能對(duì)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Z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Z終扭矩的，一般稱(chēng)為裝配扭矩。而直接法則是一種事后檢查方法，乃是由專(zhuān)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(duì)產(chǎn)品上某一螺栓聯(lián)接部位進(jìn)行扭矩測(cè)試，均采用“緊固法”，這樣得到的Z終扭矩值常稱(chēng)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Z終扭矩之間的關(guān)系。

　　如果螺栓強(qiáng)度Z大，摩擦系數(shù)Z小，則產(chǎn)生Z大預(yù)緊力FMmax；

　　如果螺栓強(qiáng)度Z小，摩擦系數(shù)Z大，則產(chǎn)生Z小預(yù)緊力FMmin；

　　如果螺栓強(qiáng)度Z小，摩擦系數(shù)Z小，將產(chǎn)生Z終扭矩MAmin；

　　如果螺栓強(qiáng)度Z大，摩擦系數(shù)Z大，將產(chǎn)生Z大Z終扭矩MAmax。

　　鑒于用作螺栓緊固的各類(lèi)器具，無(wú)論較簡(jiǎn)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(guò)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Z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(chē)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(cè)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(cè)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(mén)制定了一張“扭矩表”作為依據(jù)，由專(zhuān)業(yè)人員手持指針式或電子數(shù)顯式扳手檢查60多處的Z終扭矩。其他類(lèi)產(chǎn)品的情況相似，只是不需要在測(cè)試扭矩前做什么臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，象汽車(chē)廠中對(duì)整車(chē)和一些獨(dú)立總成的抽檢就是例子。

　　至于采用間接法來(lái)檢查螺栓聯(lián)接的Z終扭矩，嚴(yán)格地講屬于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)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Z終（裝配）扭矩的上、下限MAmax和MAmin，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(guò)程中，將根據(jù)實(shí)測(cè)的裝配扭矩值大小，對(duì)螺栓聯(lián)接的狀態(tài)作出評(píng)價(jià)，顯然，這種監(jiān)測(cè)是100%的進(jìn)行。至于對(duì)較簡(jiǎn)單的擰緊類(lèi)器具，做法上雖有區(qū)別，但究其性質(zhì)是一樣的。
　　問(wèn)題是如何確定Z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(wèn)題有明顯答案。但對(duì)實(shí)施扭矩-轉(zhuǎn)角法的螺栓聯(lián)接，又如何確定它們Z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(jiǎn)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?qǐng)?zhí)行國(guó)外的一些做法。鑒于不少?lài)?guó)內(nèi)汽車(chē)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(guó)外技術(shù)，后者的一些檢查方法也就被國(guó)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Z終扭矩的Z小值MCmin，通過(guò)評(píng)定確保螺栓聯(lián)接的Z終扭矩不小于MCmin。至于MCmin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MCmin，即MCmin=C.Ms，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°±15°，采用下限控制法時(shí)，MCmin就被定為18Nm。

　　還有一種情況是對(duì)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MCmin。如在某車(chē)型的整車(chē)裝配中，將副車(chē)架安裝在車(chē)身上的裝配工藝為70Nm±10％+90°±10°，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(guò)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)或組織推出的標(biāo)準(zhǔn)，作為確定Z終（裝配）扭矩MA控制范圍的依據(jù)。表1摘自德國(guó)大眾汽車(chē)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Fn和Z終扭矩MA的散布范圍，后者無(wú)疑可以作為MA上、下控制限的參考依據(jù)。

表1 超彈性螺栓裝配起始扭矩MA和轉(zhuǎn)角及Z大Z小預(yù)緊力FMmin，F(xiàn)Mmax

　　毫無(wú)疑問(wèn)，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)角法是的，即a=90°，而實(shí)際執(zhí)行扭矩-轉(zhuǎn)角法時(shí)，a可以取包括120°、180°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(kāi)再擰緊，分步擰緊等方式，都直接影響Z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(guò)測(cè)量、讀取大量合格螺栓聯(lián)接的Z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Z終扭矩的直接評(píng)定，也適用于Z終扭矩的間接評(píng)定，區(qū)別僅在于獲得測(cè)試樣本的方式、過(guò)程不同，前者必須通過(guò)事后的人工檢測(cè)得到產(chǎn)品的檢查扭矩，而后者就比較簡(jiǎn)單，特別對(duì)那些電動(dòng)擰緊裝配機(jī)，裝配扭矩MA的讀取、輸出都很方便。

　　對(duì)檢查扭矩MC，根據(jù)n次測(cè)試結(jié)果，可求得檢查扭矩的均值MA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MCU=MCm+3s，以及控制下限MCl=Mcm-3s。

　　同樣，對(duì)裝配扭矩MA，根據(jù)從螺栓擰緊機(jī)（器具）上獲得的n個(gè)Z終扭矩MA的讀數(shù)，可求得裝配扭矩MA的均值MAm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MAU=MAm+3s，以及控制下限MCmin，MCmax=MAm-3sMAL=MAm-3s。

　　以下是一個(gè)實(shí)例。為了對(duì)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Z終扭矩在線(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍（MAmin，MAmax）和產(chǎn)品檢查控制范圍（MCmin，MCmax），在柴油機(jī)總裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了裝配扭矩和檢查扭矩的測(cè)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(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)表2中Z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(duì)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MA的監(jiān)測(cè)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。

　　作者　林湖　上汽大眾汽車(chē)有限公司

　　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(cè)量誤差分析.第十次全國(guó)汽車(chē)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(guó)汽車(chē)裝試年會(huì)論文集.2002，11