总装车间扭矩管理模式浅析

随着汽车工业的飞速发展,汽车年产销已突破2700万辆,在这一背景下汽车的召回也日益频繁,数量也日益增多。据统计,2019年1—8月国内召回汽车超100次,其中与紧固件扭矩相关涉及13次共计114351辆车。

以上汽通用五菱重庆分公司生产的某车型为例,总装车间装配螺栓(螺母)超230颗,任一点位紧固件扭矩不合格,轻则造成松动异响,重则可能危及驾驶员与乘客安全,造成严重的质量后果,如何对紧固件扭矩开展有效管控成为总装车间的重点工作。

一、总装车间的扭矩等级管理

总装车间按照对顾客安全和车辆功能的影响程度将紧固件扭矩进行等级管理,通过该表格可对整车的紧固件进行分类,建立扭矩管理清单,便于识别关键控制点,如表1所示。

二、动静态扭矩的定义及测量方法

（1）动态扭矩

设计工程师依据零件紧固所需要的轴向预紧力进行计算、要求紧固过程执行的扭矩控制范围,工具设定一般以动态扭矩范围的中值进行设定。

（2）静态扭矩

对拧紧状态的螺纹紧固件继续拧紧、螺纹副发生相对转动瞬间的扭矩,静态扭矩也称检测扭矩。

（3）动态扭矩测量方法

将传感器套在拧紧工具与紧固件之间,装配现场使用动态扭矩的中值设定好拧紧工具进行拧紧,达到动态扭矩设定值时的所测得的扭矩值(带传感器及显示装置的拧紧枪可直接在拧紧过程中显示动态扭矩)。

（4）静态扭矩测量方法

用扭矩测量工具对已拧紧螺栓或螺母施加一个顺着螺栓或螺母拧紧方向逐渐增大扭矩,直至螺栓或螺母再一次产生拧紧运动的瞬间(一般要求该转动角度小于5°),记录下刚产生运动的扭矩值。[1](一般要求在动态扭矩施加完成5分钟内进行静态扭矩检测)。

三、静态扭矩释放

由于汽车行业中整车的试生产通常量很小,且企业一般要求在量产前发布静态扭矩进行日常监控,所以企业通常收集30个数据来进行过程能力研究。

（1）数据收集

以总装车间生产的某车型为例,该车中排安全带螺栓紧固定义为PS1点,扭矩控制等级为12级,动态扭矩范围为(50±15)N·m,工艺安排为员工使用设定值50N·m的阿特拉斯电枪打紧。

工艺工程师在静态扭矩数据收集前,先对动力工具进行验证,通常先记录5次动态数据与名义值比较,满足差值在5%以内方能开展静态扭矩测量,同样在静态扭矩数据收集完成后再次对动力工具进行验证,前后验证通过方能采用收集的静态扭矩数据。中排安全带静态扭矩数据如表2。

（2）控制限计算

根据上述数据,计算中排安全带螺栓静态扭矩均值X 为43.59,极差均值R 为3.53。通过查询SPC手册附录E[2],根据子组大小为3,查询相关参数得A2=1.023,D3=0,D4=2.574,UCLX =X +A2R =43.59+1.203×3.53≈47,LCLX =X -A2R =43.59-1.023×3.53≈40,UCLR =D4R=2.574×3.53≈9,LCLR =D3R=0。

（3）控制图绘制与分析

将上述数据导入Minitab专用分析软件,选择“统计→控制图→子组间的变量控制图→Xbar-R”,生成控制图如图1所示。通过观察控制图,发现各点变化趋势不符合《常规控制图》(GB/T4091—2001)中规定的八种判异准则[3],故可判定该过程受控,无异常,可转为控制用控制图。(注:若制图后发现有违反控制图判异准则的点需先剔除异点再重新制作控制图。)

（4）规格限计算

PPAP手册中要求在做初始过程研究时,在受控条件下,Cpk 应≥1.33[4],该要求不仅适用于供方,同样适用于整车厂。

根据Cpk公式逆向推算出安全带螺栓静态扭矩的规格限,根据子组大小为3,查询相关参数得d2=1.693 。

σ=R/d2=3.53/1.693=2.08,USL=X +3σ×Cpk=43.59+3×2.08×1.33≈52

LSL =X -3σ×Cpk=43.59-3×2.08×1.33≈35

则静态扭矩规格范围为:[(51.91+35.28)/2]±[(51.91-35.28)/2]≈44±8。

通用汽车根据经验总结,要求在静态扭矩规格限计算时满足两个条件:(1)静态上(下)偏差与静态扭矩名义值的比值小于35%;(2)动、静态扭矩名义值的差值与动态扭矩名义值的比值小于15%。[5]

要求(1):8/44=18.2%<35%,满足。要求(2):(50-44)/50=12%<15%,满足。故该安全带螺栓静态扭矩释放合格。(注:若进行判断时两个要求有任一不符合,均需开展分析,锁定原因采取措施后按照静态扭矩释放的步骤重新开展。此外,若产品设计扭矩变更、工具变更等情况也需按照静态扭矩释放的步骤重新开展。)

四、动静态扭矩智能管理

（1）规动态扭矩监控

a 动态扭矩平台智能监控

按照图2动态扭矩监控平台逻辑,完成硬件布置和软件开发,实现动态扭矩智能监控。具体步骤如下:(1)实施拧紧:电枪根据生产信息识别车型、配置,选取拧紧程序,相关拧紧上传至拧紧服务器;(2)数据计算:扭矩监控平台实时读取拧紧服务器数据,通过计算得出质量结果;(3)扭矩结果目视:更新看板,显示不合格点位信息。

b 动态扭矩过程能力分析

为确保关键扭矩的控制,总装车间通过每天开展动态扭矩抽检,每月开展能力分析,计算过程能力指数,以某车型8月中排安全带螺栓为例,每日连续抽样4件,抽查25组共100个样本见表3,首先将数据导入Minitab,选择“统计→基本统计量→正态性检验”得到排安全带螺栓动态扭矩概率图见图2。

从图3可知,P 值为0.262>0.05,故证明符合正态分布,对此数据开展过程能力分析,在Minitab中选择“统计→质量工具→能力分析→正态”,输入子组4,动态扭矩规格下限35,上限65,得出中排安全带螺栓动态扭矩的过程能力见图4。

从图4可知,样本均值为49.8671,整体标准差为0.431566,Cp 为11.59,Cpk 为11.48,代表能力较高,过程稳定。

(2) 静态扭矩监控

a 静态扭矩智能监控

车间制定静态扭矩抽检规则,各工段针对扭矩控制等级6级及以上点位每2小时开展一次扭矩抽查并记录相关数据,以中排安全带螺栓抽检数据为例共27组×4个数据,见表4。

图2 动态扭矩监控平台逻辑 图2 动态扭矩监控平台逻辑

图3 中排安全带螺栓动态扭矩概率图 图3 中排安全带螺栓动态扭矩概率图

图4 中排安全带螺栓动态扭矩的过程能力

图5 中排安全带螺栓静态扭矩控制图

图6 中排安全带螺栓静态扭矩过程能力

图5中上下实线代表该点位扭矩的规格限制,上下黄色线代表该点位扭矩的控制限,在数据采集完成后导入静态扭矩只能监控平台,平台自动计算并更新,准确反映静态扭矩的运行趋势。

结合图4可知,8月静态扭矩无超出控制限与规格限的情况,且8月静态扭矩走势不满足《常规控制图》(GB/T4091—2001)中规定的8种判异准则,因此可判断该过程运行良好。

b 静态扭矩过程能力分析

总装车间针对每月抽检的静态数据开展过程能力分析,将表4数据导入Minitab,在Minitab中选择“统计→质量工具→能力分析→正态”,输入子组4,静态扭矩规格下限36,上限52,得出中排安全带螺栓静态扭矩的过程能力见图5。从图6可知,样本均值为43.2103,整体标准差为1.44956,Cp 为3.13,Cpk 为2.82,代表能力较高,过程稳定。

五、螺丝君经验总结

目前,汽车制造企业及其供方均对动、静态扭矩有一定的研究并应用于生产管控环节。总装车间通过扭矩的分级管理,搭建扭矩智能监控平台,开展动静态扭矩日常抽检、进行过程能力研究,综合评价拧紧结果的可靠性与稳定性,该模式对总装车间的其他关键点如液体加注、玻璃打胶也有参考意义,后续总装车间将扩大对此类工艺参数的管控,全面提升整车质量。