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标準與技術

車架螺栓擰緊工具及擰緊工藝的對比研究

發布時間:2019-03-15   來源:陝西重型汽車有限公司   作者:馬榮博 蘇向玲  

  1、螺栓擰緊基礎知識

  螺栓連接的目的是使兩個或多個被連接件緊密貼合,為承受一定運動載荷,還需要被連接件間具備足夠的夾緊力,以确保被連接件的可靠連接和正常工作。而夾緊力需要通過對螺栓施加扭矩進行轉換,施加扭矩的50%克服螺栓頭下的摩擦力,40%克服螺紋副的摩擦力,剩餘的10%轉換為夾緊力(如圖1)。常見螺栓擰緊工具根據螺栓擰緊工具的動力來源,可将其分為三大類,即氣動擰緊工具、電動擰緊工具和手動擰緊工具。

  1.1 氣動沖擊式擰緊工具的原理及特點

  氣動沖擊式擰緊工具是通過高壓氣體驅動氣動電機機構旋轉,将旋轉力輸出至打擊機構,打擊機構帶動打擊軸形成循環往複的前後及旋轉運動,使之產生源源不斷的扭力。其主要特點是擰緊快速、扭矩範圍大、重量輕、無反作用力、易操作維修及保養、噪聲大、精度低、扭力輸出不穩定。

  1.2 氣動定扭類工具的原理及特點

  1.2.1 氣動離合器式定扭扳手

  氣動離合器式定扭扳手是通過高壓氣體驅動氣動電機機構旋轉,将旋轉力輸出至打擊機構,打擊機構帶動打擊軸形成循環往複的前後及旋轉運動,當被連接件達到預設的扭矩時,離合器工作自動停止擰緊動作。其主要特點是:噪聲低,無沖擊振動;達到預設扭矩時自動關機,可自動控制扭矩,無過擰風險;自重大,有反作用力,需懸挂作業,對空間要求嚴格;轉速低,擰緊效率不高。

  1.2.2 氣動油壓脈沖式定扭扳手

  氣動油壓脈沖式定扭扳手是利用氣源驅動油流量的大小,控制扭矩輸出的大小。到達預設扭矩值時,油壓缸會持續脈沖動作而不增加扭矩輸出,從而有效控制扭矩。其主要特點是:操作方便,噪聲低,振動小,可持續使用;達到預設扭矩時自動停止擰緊作業,可自動控制扭矩,無過擰風險;無反作用力,對作業空間無特殊要求;轉速高,擰緊效率高,與沖擊扳手相同;與沖擊扳手比,產品單價成本高,需要專業維護、維修,但使用壽命長。

  1.3 電動定扭類工具的原理及特點

  電動定扭工具是利用伺服電機作為動力單元,連接減速機構,增大輸出扭矩,再連接扭矩傳感器,檢測力矩。就可以精确的控制輸出力矩、角度、圈數等參數。其工作主要特點是:幾乎無噪聲(65 dB);人機工程學好;精度高;适用于各種連接;外形尺寸小;扭矩可編程;數據可存儲;扭矩範圍廣(60~4000 Nm);需要使用反作用力臂。

  2、氣動擰緊工具對比試驗

  以我司現有擰緊工具風動沖擊扳手的性能表現為基準,分析不同的氣動擰緊工具對螺栓擰緊過程能力的影響,試驗工位為車架裝配車間某工位,此工位螺栓擰緊力矩要求為280±28 Nm,參與對比試驗的擰緊工具具體參數見表1。

  2.1 我司在用工具

  我司目前在用氣動沖擊扳手,選用檔位為4檔,裝配過程由操作工根據經驗、手感判斷何時終止擰緊動作,将擰緊力矩控制在扭矩附近,測試樣本量為783輛,正态性檢驗P值為0.492(>0.05),數據遵循正态分布,力矩均值288.2 Nm,标準差33.44。以現有工具的性能表現為基準,确定後續對比分析過程中的目标值、規格上限、規格下限分别為288.2 Nm、388.52 Nm、187.88 Nm。

  2.2 廠家A氣動油壓脈沖定扭扳手

  廠家A氣動油壓脈沖定扭扳手為卸壓式定扭工具,标準環境下标定卸壓力矩為280 Nm。使用過程中,操作人員隻有在扳手自動卸壓後才停止擰緊,擰緊過程無人員幹預、修正,擰緊結果由工具決定。測試樣本數為293輛,均值為322.3 Nm,标準差為39.3,過程能力指數Cp=0.98,Cpk=0.64。顯示的力矩均值過大,可通過重新标定解決;但其标準差過大,使Cp值<1,整體性能表現不如熟練工使用普通氣動沖擊扳手。

  2.3 廠家B直驅式氣動扳手

  廠家B直驅式氣動扳手為斷氣式定扭工具,标準環境下标定卸壓力矩為280 Nm。測試樣本數156輛,均值327.5 Nm,标準差29,過程能力指

  數Cp=1.6,Cpk=0.97。

  同樣,力矩均值可通過重新标定以靠近目标值,擰緊過程無人員幹預,最終結果由工具決定,裝配的過程能力指數最大能達到現有工具的1.6倍,遠高于現有控制水平。

  2.4 廠家C直驅式氣動扳手

  廠家C直驅式氣動扳手為斷氣式定扭工具,标準環境下标定卸壓力矩為280 Nm,能把扭力值轉換成電信号,經運算處理後顯示扭力值,具有一定的通信功能,對氣源壓力要求并不嚴格,隻需氣源驅動。測試樣本58

  輛,分析結果:均值290.7 Nm,标準差:15.9,Cp=2.37,Cpk=2.31。

  綜上分析:

  1.廠家A氣動油壓脈沖扳手定扭精度差,實際性能表現不如熟練工使用普通氣動沖擊扳手;

  2.廠家B直驅式氣動扳手定扭精度較好,重新标定後,其性能表現能達到現有工具的1.6 倍;

  3.廠家C直驅式氣動扳手性能表現最好,優于廠家二直驅式氣動扳手。

  通過對氣動沖擊扳手、氣動油壓脈沖扳手、氣動定扭直驅扳手現場實驗測試,螺栓擰緊力矩靠員工經驗控制無法保證,必須通過定扭工具進行保障,以上研究的直驅式氣動扳手雖然精度高,但都存在轉速低、生產效

  率低下、影響現有生產節拍的缺點,且隻能預設1~2種定扭扭矩,無法滿足我司車架不同規格螺栓扭矩的要求。

  3、 同行廠家螺栓擰緊工藝方式的對标

  對國内行業排名靠前的2家重卡生產商的螺栓擰緊工藝方式進行了的調研,并與我公司進行對比(如表2)。

  4、針對我司現狀推薦的螺栓擰緊工藝方案

  我司目前普遍使用風動沖擊扳手直接打緊螺栓,部分高端車型采用風動沖擊扳手預緊、電動擰緊機複緊。随着對員工職業健康的日益重視,車間

  降噪成為了工藝人員緻力解決的新課題。為了消除或減少風動沖擊扳手產生的噪聲,工藝人員提出可否采用小扭矩的油壓脈沖扳手代替傳統的風動沖擊扳手,以實現降噪,優缺點對比見表3。綜合上述對比,考慮成本、質量、效率、職業健康等因素,3種擰緊工藝分析如表4。

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