緊固件裝配要滿足裝配牢固要求, 其中最重要的一點是緊固件不能滑牙。文章針對幾種情況造成的螺釘滑牙問題分析處理, 為後續車型開發提供可借鑑經驗。
在汽車生產裝配過程中螺栓螺母配合為最常見的一種配合方式, 在實際的生產過程中, 經常會出現滑牙的現象。大家常將此現場歸結為裝配技能類, 實際上有些滑牙現場通過工程分析, 會發現工程實際不合理, 同樣會導致出現一定概率的滑牙問題。
本文針對一些典型的螺栓螺母配合出現滑牙問題案例進行多方面進行分析, 並針對問題找出最合理的解決方案。
螺母
某車型異形螺母 (圖1) 無法擰緊到目標扭矩螺栓即滑牙, 滑牙率為1%, 如圖2所示。按照PFMEA (過程失效模式分析) 分析螺栓滑牙將造成功能無法使用, 嚴重度為10, 風險優先級為1, 必須將滑牙率降到0.01%。
圖1
滑牙情況可以從幾個方面開展分析:
(1) 工具合理性。
(2) 對手螺栓直徑設計合理性。
(3) 設計扭矩合理性。
1.1 工具選用是否合理
圖2
工具標定扭矩偏差全部小於設定值的5%, 工具合格;工具Cmk=1.55>1.33, 工具穩定性良好。從擰緊曲線分析, 見圖3:
圖3
螺栓從0到20Nm的上升曲率較快, 主要其他螺栓有彈墊；最終擰緊步驟高螺栓與其他螺栓無差異, 沒有過沖現象。
綜上所述：螺栓擰緊工具穩定性良好, 沒有超出設定值5%範圍；電槍程序設置合理, 最終擰緊步驟有明顯的擰緊過程, 無過沖現象。螺栓無法到達目標扭矩、滑牙非工具波動或擰緊過程不合理造成。
結論：工具選用和設計合理, 不是造成滑牙的原因。
1.2 對手螺栓直徑設計是否合理
按工藝要求, 六角螺栓等級均為8.8級、扭矩50±15N·m, 但從剖面圖, 如圖4所示看出上端異形螺母的螺紋直徑φ9.4mm比下端螺栓的螺紋直徑φ11.1mm明顯小；相同材料/螺栓等級下, 直徑小的螺栓可承受的扭矩更小。
結論：螺栓直徑小是要因。
圖4
1.3 螺母緊固扭矩設計是否合理
異形螺母的直徑比其他位置的螺栓直徑小, 但是卻設計了相同的扭矩, 為此, 小組成員針對螺母的扭矩載荷進行測試, 供應商最初使用的是指針扳手進行測試, 如圖5所示, 得出螺母能承受A+20N·m以上的扭矩, 理論OK。
但經過進一步分析, 指針扳手對緊固件施加扭矩是一個緩慢的過程、轉速低, 與電槍施加扭矩的工況不同。
圖5
對此, 小組成員對生產線上螺母安裝進行跟蹤, 仍然有5%的緊固件滑牙。對此, 生產線針對異形螺母安裝點進行降扭矩試驗。用設定值為A-10N·m的電槍裝配後, 螺母均未滑牙, 且進過路試試驗也未脫落。
結論：設計扭矩太大是要因。
方案選用：綜上分析得出, 螺母滑牙主要原因螺栓直徑小和設計扭矩太大, 考慮到成本和開發週期, 原因2螺栓直徑小更改設計涉及到零件造型更改, 從主要原因3緊固扭矩上著手, 經小批量驗證合格並用於生產。
自攻釘
某車型緊固自攻釘滑牙, 滑牙率高達5%, 增加車間返修時間；且車輛在路試過程出現自動脫落現象, 易造成異響問題。
設計上沒有發佈扭矩, 車間根據經驗值使用BN·m的定扭電槍擰緊。
滑牙情況可以從幾個方面開展分析:
(1) 工具是否合理。
(2) 工具設定扭矩是否合理。
(3) 自攻釘設計是否合理。
(4) 對手件鈑金孔設計是否合理。
2.1 工具選用是否合理
對於十字螺釘, 目前車間採用的博世電槍常用的轉速有400r/min、600r/min、900r/min、1100r/min, 通常情況為了保證裝配效率和裝配質量六角頭螺栓好裝配選用高轉速的電槍, 十字槍頭的緊固件易跳槍則選用低轉速的電槍。經現場查看, 十字螺釘裝配工位採用的是400r/min的電槍, 符合電槍選用原則。
2.2 工具設定扭矩是否合理
調查發現卷收器上固定點的十字螺釘無扭矩要求, 現場根據經驗選了了選用了2.5N·m的設定值。為了驗證此扭矩是否合理, 小組成員針對扭矩設定進行了鈑金實驗, 圖6所示, 結果如表1所示。
圖6
表1 螺釘扭矩驗證
由此可見自攻釘在1N·m～1.6N·m設定值間螺釘不會滑牙, 2.0N·m～3N·m時滑牙風險逐步增大, 2.5N·m會造成較高的滑牙率。
結論：電槍扭矩設定值太高為要因。
2.3 自攻釘設計是否合理
由於自攻釘是隨總成而來的零件, 由供應商確定, 主機廠對緊固件的材料、參數都無法監控。兩家供應商提供的螺釘差異較大, 一種為帶墊圈的螺釘, 一種為不帶墊圈的螺釘, 如圖7所示。
理論研究發現部分螺釘的彈簧墊圈在開口處錯位, 在會導致自攻釘以某個傾角打入鈑金中, 鈑金孔被鉸大, 以至緊固失效 (滑牙) 。
圖7
為了進一步驗證錯位彈墊的影響, 小組成員用正常的螺釘和彈墊錯位的螺釘分別使用不同的扭矩安裝。結果如下, 如表2所示。
試驗證明彈墊錯位的螺釘即使扭矩在0.8N·m～2N·m之間也會滑牙。
表2 螺釘彈墊試驗結果
結論：彈簧墊圈錯位是要因。
2.4 對手鈑金孔設計是否合理
自攻釘配合的鈑金孔為φ3.6mm的光孔, 為驗證目前鈑金的孔是否有問題, 小組成員製作了直徑φ3.6mm的鈑金孔進行試驗, 如圖8所示。
圖8
試驗證明, φ3.6mm的鈑金孔在2N·m之內的扭矩下都能有效緊固, 不會滑牙, 數據見表3。
表3 φ3.6mm鈑金孔破壞扭矩
結論：鈑金孔設計不合理非要因。
小結及方案選用：自攻釘滑牙主要原因是扭矩設定值過高和彈簧墊片錯位, 團隊決定對所有供應商全部選用無彈墊螺釘, 發佈自攻螺釘為1.3±0.3N·m, 批量驗證有效。
螺栓
A車型試生產階段發現後螺栓滑牙頻率很高, 如圖9所示, 同一生產線其它車型同類安裝點滑牙率很低, 增加車間返修時間, 攻牙安裝質量難以保證, 成立攻關小組進行對標分析。
圖9
經對比現有車型和A車型發現：
(1) 量產車型與A車型工具選用和設定一致, 工具和扭矩設計原因可以排除。
(2) 螺栓結構是否是主要原因:
量產車型螺栓端頭帶有倒角, 可以起導向作用, A車型無倒角, 如圖10所示。
圖10
經公司緊固專家技術分析：斜面安裝對孔難度遠大於平面, 斜面螺栓為了提高對孔率, 必須採用帶導向螺栓, A車型螺栓選用未考慮到安裝面是斜面因素, 螺栓選用錯誤是主要原因。
小結和方案選擇：不同區域螺栓選用要求存在差異, 團隊決定選用適合斜面安裝的帶導向螺栓, 滑牙問題消除。
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