Regulacja procesu kontroli momentów dokręconego łącznika gwintowego

Regulacja procesu kontroli momentów dokręconego łącznika gwintowego

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie metody oszacowania optymalnych nastaw parametrów elektrycznej wkrętarki dokręcającej w celu poprawy wydajności procesu kontroli momentów dokręcania.

Połączenie gwintowe, o którym mowa w artykule to połączenie mocujące przewód hydrauliczny (medium to sprężone powietrze) z kompresorem. Pomiędzy przewodem a kompresorem znajduje się uszczelka aluminiowa, której celem jest zapewnienie szczelności układu. Łącznikiem gwintowym jest śruba o wymiarze M8 i klasy wytrzymałościowej 10.9.

Dokręcanie łącznika gwintowego odbywa się za pomocą wkrętarki elektrycznej o napędzie ciągłym  z możliwością sterowania parametrami dokręcania. Pomiary momentu kontrolnego (dokręconej śruby) wykonywane są narzędziem dynamometrycznym typu 1, przedstawionym na Rys.1.  

Rys. 1. Narzędzie dynamometryczne typu 1 klasy C z elektronicznym pomiarem momentu.

Problem istniejący w procesie kontroli momentów to problem ze zbyt niskimi wartościami momentów kontrolnych – analizowane połączenie gwintowe obarczone jest zjawiskiem relaksacji, czyli spadkiem naprężenia osiowego w śrubie po jej dokręceniu.

Relaksację w tym przypadku szacowano na podstawie spadku wartości momentu kontrolnego w stosunku do wartości momentu dokręcania. Na Rys. 2 przedstawiono rozkład momentów dokręcania i momentów kontrolnych. Moment dokręcania (nastawa wkrętarki elektrycznej) wynosił 25 Nm., z zakresem pola tolerancji ±5 Nm. Pomiary momentów zostały przeprowadzone na następujących (pierwotnych) nastawach wkrętarki elektrycznej:

  1. Druga prędkość dokręcania: 150 rpm.
  2. Punkt przejścia pomiędzy pierwszą a drugą prędkością dokręcania: 12 Nm.
  3. Wartość przyśpieszenia do drugiej prędkości dokręcania: 0%.
Rys. 2 Rozkłady momentów dokręcania (wkrętarka elektryczna) i momentów kontrolnych (narzędzie dynamometryczne typu 1 klasy C z elektronicznym pomiarem momentu).

Rozkłady momentów dokręcania i kontrolnych nie spełniają minimalnego wymagania dla wskaźnika Ppk (1,33). Ponad połowa rozkładu momentów kontrolnych znajduje się poniżej dolnej granicy tolerancji (DGT), czego wynikiem jest wartość wskaźnika Ppk wynosząca -0,26. Przekłada się to na oszacowanie, że około 70,3% pomiarów znajdować się może poniżej DGT.

W celu wskazania potencjalnych przyczyn problemu z niskimi wartościami momentów kontrolnych wykonano diagram Ichikawy przedstawiony na Rys. 3.

Rys. 3. Diagram Ichikawy potencjalnych przyczyn problemu niskich wartości momentów kontrolnych.

Kolorami zaznaczono czynniki, które postanowiono poddać analizie w pierwszej kolejności. Kolorem czerwonym (1,2,3) zaznaczono te czynniki, które poddano testowaniu jako pierwsze z użyciem eksperymentu metodą Taguchiego. Czynniki zaznaczone kolorem pomarańczowym postanowiono poddać analizie w kolejnej fazie rozwiązywania problemu. Wybór czynników „czerwonych” podyktowany został możliwością ich natychmiastowej regulacji i niewielkim kosztem eksperymentu.

Eksperyment przeprowadzono wykorzystując ortogonalny plan Taguchiego L27, w którym wybrane 3 czynniki ustawiono na 3 poziomach. Dla każdej konfiguracji nastaw wykonano po 3 powtórzenia, co doprowadziło do wykonania 81 eksperymentów (dokręceń śruby na kolejnych wyrobach Klienta) i wykonania pomiarów do eksperymentu.

Na Rys. 4 przedstawiono graficzne wytłumaczenie analizowanych czynników.

Rys.4. Czynniki poddane regulacji w eksperymencie.

Punkt przejścia (pierwszy cel) pomiędzy fazą 1 a 2 dokręcania, to wartość momentu dokręcania, do którego dokręcana jest śruba z pierwszą (wyższą) prędkością dokręcania. W chwili osiągnięcia wartości momentu ustawionego na pierwszy cel narzędzie zatrzymuje dokręcanie, a następnie po kilku milisekundach ponownie rozpoczyna do określonego momentu finalnego (w tym przypadku do wartości 25 Nm). Dokręcanie odbywa się z niższą prędkością niż w pierwszej fazie dokręcania. Moment pierwszego celu (w zależności od m.in. sztywności złącza gwintowego) ustawiany jest zazwyczaj w przedziale od 20% do 80% finalnego momentu dokręcania.

Przyśpieszenie do drugiej prędkości to parametr podlegający regulacji i stanowiący o łagodnym (nastawa 100%) lub gwałtownym (nastawa 0%) przyśpieszeniu do prędkości dokręcania w fazie drugiej.

Wartość pierwszego celu [Nm], wartość prędkości dokręcania w fazie drugiej [rpm] oraz wartość przyśpieszenia [%] do tej prędkości powinny być dobierane eksperymentalnie.

Na Rys. 5 przedstawiono plan eksperymentu wraz z pomiarami momentów kontrolnych oraz obliczoną wartością wskaźnika SN i średniej arytmetycznej. Dane posortowano (max → min) pod względem wartości średniej arytmetycznej obliczonej z wartości pomiarów, a następnie pod względem wartości wskaźnika SN. Wartość wskaźnika SN policzona została według wzoru „Nominal is best”:

Rys.5. Plan eksperymentu dla 3 nastaw elektrycznego narzędzia dokręcającego.

Na Rys.6 przedstawiono wynik analizy wariancji dla wskaźnika SN, natomiast na Rys.7 wykres wartości średnich wskaźnika SN.

Rys.6. Tabela analizy wariancji dla wskaźnika SN.

W wyniku analizy stwierdzono, że na poziomie istotności statystycznej α0,1 czynniki mające wpływ na wartość wskaźnika SN to prędkość dokręcania w drugiej fazie dokręcania oraz punkt przejścia (pierwszy cel) pomiędzy fazami dokręcania.

Rys.7.  Wartości średnie wskaźnika SN.

Na Rys.8 przedstawiono wynik analizy wariancji dla wartości średnich arytmetycznych z pomiarów. Rys.9 przedstawia wykres wartości średnich arytmetycznych, natomiast Rys.10 wykres interakcji pomiędzy prędkością dokręcania w drugiej fazie a pierwszym celem dokręcania.

Rys.8. Tabela analizy wariancji dla wartości średnich arytmetycznych z pomiarów.

W wyniku analizy stwierdzono, że na poziomie istotności statystycznej α0,1 czynniki mające wpływ na wartość średniej arytmetycznej z pomiarów momentów kontrolnych to prędkość dokręcania w drugiej fazie dokręcania, punkt przejścia (pierwszy cel) pomiędzy fazami dokręcania, przyśpieszenie do drugiej prędkości dokręcania oraz interakcja pomiędzy prędkością dokręcania a punktem przejścia pomiędzy fazami dokręcania.

Rys.9.  Wartości średnie z pomiarów momentów kontrolnych wraz z naniesioną linią na poziomie 25 Nm oznaczającą wartość momentu dokręcania.
Rys. 10. Wykres interakcji pomiędzy prędkością dokręcania a punktem przejścia pomiędzy fazami dokręcania wraz z naniesioną linią na poziomie 25 Nm oznaczającą wartość momentu dokręcania.

Z analizy wariancji, wykresów oraz obliczonych wartości wskaźnika SN i średnich arytmetycznych wynika, że najkorzystniejsze ustawienia elektrycznego narzędzia dokręcającego to:

  1. Punkt przejścia pomiędzy fazami dokręcania (pierwszy cel): 6 [Nm].
  2. Prędkość w drugiej fazie dokręcania: 10 [rpm].
  3. Przyśpieszenie do prędkości dokręcania w drugiej fazie: 100 [%].

Po wykonanym eksperymencie i analizie, eklektyczne narzędzie dokręcające ustawiono zgodnie z przedstawionymi wyżej nastawami, a następnie wykonano próbę montażową, podczas której wykonano pomiary momentów kontrolnych na 100 kolejnych wyrobach. Wynik próby przedstawiono na Rys. 11.

Rys. 11. Analiza rozkładów wartości momentów dokręcania i kontrolnych wg optymalnych nastaw wynikających z eksperymentu.

Rozkład momentów dokręcania spełnia minimalną wymaganą wartość wskaźnika Ppk równą 1,33. Rozkład momentów kontrolnych nie spełnia tej wartości, natomiast zauważyć należy istotną poprawę tj. przesunięcie rozkładu momentów kontrolnych w stronę wartości wyższych. Wskaźnik Ppk na poziomie 1,11 wskazuje na niskie (poniżej 0,2%) prawdopodobieństwo pojawiania się pomiarów poza DGT.

Na Rys.12. przedstawiono porównanie rozkładów wartości momentów kontrolnych według nastaw wkrętarki elektrycznej przed i po wykonaniu eksperymentu.

Rys. 12. Rozkłady i wskaźniki wydajności procesów pomiarów momentów kontrolnych zgodnie z nastawami przed i po eksperymencie.

Wnioski:

  1. Przeprowadzony eksperyment wykazał, że wytypowane w ramach analizy Ichikawy czynniki (nastawy elektrycznej wkrętarki dokręcającej) wywierają istotny wpływ na wartość momentów kontrolnych śruby mocującej element wyrobu Klienta.
  2. Dokręcanie łącznika gwintowego zgodnie z obliczonymi w wyniku eksperymentu nastawami wkrętarki elektrycznej powoduje, że rozkład momentu kontrolnego przesunięty jest w stronę wartości wyższych o przeciętnie 4,02 Nm.
  3. Ponieważ pomimo eksperymentu, wartość wskaźnika Ppk (1,11) dla momentu kontrolnego wynosi wciąż mniej niż wymagane 1,33, podjęto decyzję o wykonaniu analizy materiałowej elementów połączenia gwintowego, mogących wpływać na spadek wartości momentów kontrolnych w stosunku do momentu dokręcania (relaksacja złącza).

Podsumowanie:

Prowadzenie eksperymentów (DoE) w następstwie klasycznego narzędzia jakości (Diagram Ichikawy) daje możliwość ilościowego oszacowania wpływu analizowanych czynników (zmienne X) na zmienność analizowanej cechy (zmiennej Y). W praktyce przemysłowej bardzo często wykorzystywane są dwupoziomowe plany pełno-czynnikowe (ang. Full factorial), plany frakcyjne (ang. Fractional factorial designs), ogólne pełne plany czynnikowe (General full factorial designs), ortogonalne plany Taguchiego (ang. Taguchi Design) czy plany powierzchni odpowiedzi (ang. Response surface design). Dobór odpowiedniego planu uzależniony jest przede wszystkim od charakteru analizowanych danych (skala pomiarowa), kosztu eksperymentu oraz czasu trwania badania i wykonywanych pomiarów. Planowanie doświadczeń na ogół jest taką strategią planowania eksperymentu, że poprawne i trafne wnioskowanie można osiągnąć w sposób efektywny i ekonomiczny. Wybór właściwego planu doświadczenia powinien zależeć także, od dostępnych zasobów materialnych, czasowych czy personalnych. Prawidłowo zaprojektowane i wykonane doświadczenie będzie często prowadzić do względnie prostej analizy statystycznej i interpretacji wyników, co w sposób bezpośredni przekłada się na wzrost jakości wyrobów i redukcję kosztów ich wytwarzania.

Planowania eksperymentów uczymy na naszych szkoleniach:

DoE – projektowanie eksperymentów

Inżynieria procesu montażu połączeń gwintowych

Połączenia gwintowe – analiza i regulacja procesu dokręcania