FDS 流鉆設(shè)備掉釘與花桿問題的分析及優(yōu)化

王曉峰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

作為白車身制造過程中的一種連接工藝，F(xiàn)DS（Flow Drilling System）流鉆連接，廣泛應(yīng)用于鋁板與鋼板的連接，通過高速旋轉(zhuǎn)螺釘融化并刺穿板材，形成螺紋，并最終擰緊至設(shè)定扭矩值，實現(xiàn)不同材料的板材連接，在工藝過程中，經(jīng)常發(fā)生驅(qū)動螺釘旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動Bit 桿（形狀類似于套筒），因未能完全扣住螺釘，造成深度超差導(dǎo)致設(shè)備頻繁掉釘及Bit 桿磕傷，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)過程后，不完全的咬合會使Bit 桿與螺釘之間發(fā)生高速的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使Bit 桿前端打花，只能更換，導(dǎo)致生產(chǎn)成本費(fèi)用過高。而且因此備件采購周期長，頻繁消耗導(dǎo)致備件壓力緊張。

1 FDS 流鉆連接簡介

白車身常用的連接方式可分為熱連接與機(jī)械連接2 種，熱連接主要用于鋼材與鋼材的連接（如點(diǎn)焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊），機(jī)械連接主要用于鋼材與鋁材的連接（如半空心自沖鉚SPR、射釘鉚IMAPCT、FDS 等）。FDS 流鉆連接是通過高速旋轉(zhuǎn)的螺釘融化板材，進(jìn)而刺穿板材，攻螺紋最后擰緊的過程。

其主要工藝過程如下：①Bit 桿下壓找釘，并將釘尖壓到板材上；②高速旋轉(zhuǎn)使得螺釘尖端融化板材；③螺釘尖端刺穿板材；④螺釘前部進(jìn)行攻絲；⑤螺釘整體旋入；⑥擰緊至規(guī)定扭矩（圖1）。

1.1 設(shè)備組成

FDS 流鉆系統(tǒng)主要由鉚槍、機(jī)器人、送釘管、送釘站和 控制柜5 部分構(gòu)成（圖2）。

圖1 主要工藝過程

圖2 FDS 流鉆系統(tǒng)

直列式FDS鉚槍主要分為驅(qū)動部分和控制部分。其中，驅(qū)動部分有主氣缸、保持氣缸、伺服電機(jī)、夾頭、快換單元和Bit 桿（圖3），控制部分有閥島、電氣比例閥、執(zhí)行部分、扭矩傳感器和行程傳感器。

圖3 直列式FDS 鉚槍的構(gòu)成

1.2 基本工藝流程

（1）主氣缸、保持氣缸活塞同時伸出，將夾嘴壓在工件Bit桿與銅套相對運(yùn)動，至桿前端壓入釘帽內(nèi)，快換單元的游隙閉合（此為”找釘“）。

（2）主氣缸加壓，高速旋轉(zhuǎn)Bit 桿，螺釘前部摩擦加熱。

（3）螺釘尖部刺穿板材。

（4）螺釘前中部進(jìn)行攻螺紋（攻絲）。

（5）降低轉(zhuǎn)速，主氣缸壓力，將螺釘快速旋入。

（6）最后降低轉(zhuǎn)速擰緊螺釘至設(shè)定扭矩（圖4）。

圖4 FDS 流鉆的工作原理

2 “掉釘”故障原因分析及解決辦法

基于上述工藝流程，在“找釘”過程之后、高速旋轉(zhuǎn)（STEP-6）之前，會通過行程傳感器對當(dāng)前Bit 桿位置進(jìn)行判斷，此位移經(jīng)驗值約為-18.5。此狀態(tài)為理想找釘步狀態(tài)，即：①Bit 桿完全扣住釘帽、②釘尖抵住工件、③快換單元軸向游隙完全閉合（圖5）。其中，0 值指代螺帽下表面與工件完全接觸。

在STEP-6 中，設(shè)定驅(qū)動參數(shù)：反轉(zhuǎn)-300 r/min，目標(biāo)值角度200°；監(jiān)控參數(shù)，位移上下限-19.5～-17.5。其中，低于-19.5 表示Bit 桿沒有完全認(rèn)住釘帽，高于-17.5 表示螺釘歪了或倒了。如果程序運(yùn)行到此步時，位移超過監(jiān)控范圍，即會工藝報警，進(jìn)而觸發(fā)小氣缸縮回，螺釘被強(qiáng)行推出，是為“掉釘”（圖6）。

圖5 理想的找釘步狀態(tài)

圖6 監(jiān)控界面

根據(jù)實際報警記錄顯示，發(fā)生“掉釘”時位移監(jiān)控均因低于-19.5 而報警。由原理圖可知，此時保持氣缸活塞位置（氣缸相對活塞后移），即Bit 桿未能完全扣住釘帽并將其壓在工件表面，此為“掉釘”的根本原因（圖7）。

通過分析各零件間的相互配合工作的關(guān)系以及結(jié)合現(xiàn)場報錯記錄分析，發(fā)生掉釘?shù)脑蛑饕? 個。

2.1 Bit 桿前端磨損

實際使用發(fā)現(xiàn)在連續(xù)工作50 000次后，Bit 桿前部套筒平面發(fā)生磨損，導(dǎo)致無法完全認(rèn)到釘帽內(nèi)，進(jìn)而保持氣缸的缸體相對活塞向后移動，使得行程傳感器檢測位置負(fù)向增大，超過-19.5 極限監(jiān)控值而報警（圖8）。

圖7 發(fā)生“掉釘”時活塞的位置

圖8 Bit 桿前端磨損

解決辦法：更換新Bit 桿。

2.2 夾嘴閉合過緊或夾嘴不對中

因流鉆每次工藝均需要送一次釘，螺釘由送釘筒吹至夾頭，通過夾嘴夾住并保持在中心位置，方便Bit 桿認(rèn)釘，實際操作發(fā)現(xiàn)：①如若夾頭調(diào)整過緊，即夾嘴之間沒有縫隙，送釘時釘無法撐開夾嘴彈簧，進(jìn)而無法被夾嘴抱住，導(dǎo)致釘在夾嘴內(nèi)歪斜；②長期使用后夾嘴對中的頂絲發(fā)生松動時，夾嘴中心線與Bit 桿不再同軸，導(dǎo)致螺釘與Bit 桿不同軸。以上2 種情況均會進(jìn)而導(dǎo)致Bit 桿無法完全扣住螺釘，導(dǎo)致報警（圖9）。

圖9 夾嘴歪斜或不對中

解決辦法：重新調(diào)整夾嘴頂絲，使夾嘴對中，并保證夾嘴中間有0.4 mm 的縫隙，使用螺紋膠防止頂絲松動。

2.3 銅套磨損

銅套的作用是保持Bit 桿在驅(qū)動過程中的同軸度，長期使用后，尤其是高速旋轉(zhuǎn)時，Bit 桿相對銅套摩擦，造成銅套直徑變大，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅套由Φ14 mm 磨損至Φ14.2 mm 時，Bit 桿前端晃動量過大而不易扣住釘帽，造成掉釘（圖10）。

解決辦法：定期更換銅套。

圖10 銅套磨損

2.4 快換單元卡滯

快換單元的作用是方便快速更換Bit 桿，但二者之間連接后，可相對移動2 mm，即快換單元游隙（圖11）。因每次鉚接均會發(fā)生相對寸動，且高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱量，導(dǎo)致快換單元接頭處易生銹，進(jìn)而導(dǎo)致鉚接時與Bit 桿相對移動卡滯，計快換單元游隙未完全閉合，造成位移傳感器超差，導(dǎo)致掉釘。

圖11 快換單元游隙

解決辦法：定期使用WD40 清潔銹跡并擦拭干凈

2.5 小氣缸壓力過大或大氣缸壓力過小

由原理圖可知，對于Bit 桿而言，最終作用在螺釘上的力F=大氣缸壓力F大-保持氣缸壓力F?。喝绻髿飧讐毫^小或保持氣缸壓力過大，就會導(dǎo)致Bit 桿在下壓過程中速度變慢，而未在設(shè)定時間內(nèi)達(dá)到-18.5 的對應(yīng)位置，導(dǎo)致“掉釘”。

解決辦法：適當(dāng)調(diào)整大氣缸與保持氣缸的壓力。

3 Bit 桿“花桿”故障原因分析及優(yōu)化方法

如果“找釘”步最后剛好卡在上限值“-19.5”而未觸發(fā)“掉釘”，此時Bit 桿實際是并未完全扣住釘帽，但系統(tǒng)認(rèn)為“找釘”完成，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)加熱、刺穿、攻絲、旋入階段，即工藝的第2，3，4，5 步。此時，由于Bit 桿跟釘帽的接觸不充分，無法提供充足的扭矩，以保證對應(yīng)工藝階段位移傳感器達(dá)到目標(biāo)值，進(jìn)而在當(dāng)前步以高轉(zhuǎn)速持續(xù)旋轉(zhuǎn)超過3 s（最大單步工藝時間），巨大的摩擦熱量會導(dǎo)致Bit 桿前端融化，即所謂“花桿”（圖12）。

以第12 步舉例，設(shè)定轉(zhuǎn)速2200 r/min，當(dāng)前步目標(biāo)值為行程參數(shù)達(dá)到-1.0 mm，即代表釘帽下表面與工件間距1 mm 時，跳轉(zhuǎn)至下一步，但實際工作時，如若Bit桿因接觸不完全而無法提供足夠的扭矩驅(qū)動螺釘旋入，導(dǎo)致螺釘與Bit 桿之間發(fā)生相對移動，高速的摩擦發(fā)熱直接導(dǎo)致Bit 桿“花桿”，嚴(yán)重時甚至Bit 桿碎裂（圖13）。優(yōu)化方法：通過分析工藝點(diǎn)的連續(xù)100 條工藝曲線（圖14）。

圖12 快換單元游隙

通過工藝曲線分析可知，在高轉(zhuǎn)速階段（②、③、④、⑤）總工藝時間1 s 左右，而工藝完成后總旋轉(zhuǎn)角度接近8000°，而分析系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)總角度及時間的關(guān)系可知，每個點(diǎn)的最大旋轉(zhuǎn)角度及各步的最大時間基本恒定，而發(fā)生花桿時，因單步工藝時間設(shè)定過長（平均3 s），總旋轉(zhuǎn)角度超過30 000°。據(jù)此可在設(shè)備每次鉚接時，通過監(jiān)控Bit 桿的總旋轉(zhuǎn)角度（10 000°）及限定最大單步時間兩方面來確保當(dāng)設(shè)備異常時，使得Bit 桿不會無限旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而保證異常狀態(tài)時，可以及時停止高速旋轉(zhuǎn)以保護(hù)Bit 桿免于磨花。

圖13 快換單元游隙

圖14 工藝曲線

4 小結(jié)

隨著各類機(jī)械連接技術(shù)的發(fā)展，越來越多的汽車生產(chǎn)廠商引入并使用類似的流鉆設(shè)備。其在時間效益、鉚接強(qiáng)度、工藝可達(dá)性、消耗成本等方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢。通過分析流鉆工藝原理，并結(jié)合實際生產(chǎn)時的頻繁報錯記錄，從細(xì)節(jié)著手找到設(shè)備頻繁“掉釘”及“花桿”的故障原因，并針對性地提出注意事項及優(yōu)化辦法。這一過程不僅加深了維修人員對設(shè)備的理解，大大節(jié)省了Bit 桿的消耗量，節(jié)省成本，同時還保證了設(shè)備的有效稼動率，為同類FDS 設(shè)備在類似問題處理上提供了解決問題的思路。