福特PUMA系列發(fā)動機缸蓋螺栓多軸緊固設備原理及運用

孫嘉文

摘 要：福特PUMA系列柴油發(fā)動機作為江鈴引入國產(chǎn)化重點項目，分別運載在經(jīng)典全順、途銳歐、新時代全順、域虎5、域虎7、馭勝SUV和新凱銳等多款車型，因其技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定出眾而受廣大消費者追捧。其主要部件螺栓擰緊連接在發(fā)動機裝配制造工藝穩(wěn)定中起到重要的作用。為了更好的保證產(chǎn)品制造穩(wěn)定，在發(fā)動機缸蓋緊固方面采用多軸同時擰緊方式。文章詳細說明多軸緊固電控單元系統(tǒng)及原理、缸蓋緊固設備如何通過分步和角度監(jiān)控來確保在PUMA系列發(fā)動機運用穩(wěn)定。

關鍵詞：緊固原理;緊固工藝;緊固運用

1 引言

在制造行業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，螺栓螺紋連接方法已廣泛運用在汽車、航天航空工業(yè)制造等多個領域，原因在于該方法可方便連接性，可拆接反復性及投入成本較低，性價比較高。怎樣通過標準化緊固方法去達到螺栓螺紋的連接穩(wěn)定，是日常生產(chǎn)過程穩(wěn)定及質(zhì)量保障前提，這個前提影響面尤為廣泛、重要。多軸緊固設備通過多組多軸電控單元系統(tǒng)的控制，確保螺栓在擰緊過程中使得緊固終力矩能夠達到且符合準確、快速和穩(wěn)定三大重要優(yōu)勢，特別對于在生產(chǎn)工藝中的“欠力矩”、“過力矩”等過程問題，能夠提供非常精準及最佳的解決方案。

2 發(fā)動機缸蓋螺栓多軸緊固設備原理

擰緊軸應具備福特A10認證，每個擰緊軸都有一個控制模塊控制，控制模塊集成了伺服控制器、軸控制器、出入/輸出系統(tǒng)及內(nèi)部實時PLC?？刂颇K具備多種通訊方式，擁有網(wǎng)口和打印口，計算機，條形碼識別器等接口，具有自動采集、儲存、實時傳輸每次擰緊數(shù)據(jù)及曲線（包括不合格狀態(tài)）的功能，且數(shù)據(jù)與VIN號碼一一對應，具備控制器間程序互備份功能，具有角度控制、扭矩監(jiān)視功能、扭矩控制、角度監(jiān)視功能、屈服點控制功能、手動和自動控制功能。在零速時保持扭矩功能，擰緊軸達到預定扭矩后，保持這一扭矩一定時間，以消除塑性變形對扭矩的影響。具有電流控制功能，直接通過控制擰緊軸電流來監(jiān)測扭矩，（開環(huán)控制）防止因傳感器突然失效引起的誤差。具有等待功能，當任一擰緊軸完成某一步擰緊步驟時，將等待其他軸完成這一步驟，然后一起開始下一步，使擰緊軸保持同步，也可以讓擰緊軸按照規(guī)定的順序和規(guī)定的間隔時間擰緊。具有全壽命免維護設計及功能，電纜熱插拔功能，內(nèi)置PLC能編程一些復雜擰緊過程。擰緊機的精度壽命在正常使用下≥100萬次。每一組擰緊數(shù)據(jù)包括日期及時間，當擰緊機發(fā)生出錯或故障，將發(fā)出報警信息，同時顯示及記錄自我診斷的結(jié)果，以利于維修人員及時處理。擰緊機角度控制精度：±2度，擰緊機扭矩控制精度：±3%，每個軸均具有10種以上扭矩編程。具備斷電以后數(shù)據(jù)保存功能，帶有過電流、過壓、過溫自動保護功能（自動關閉系統(tǒng)并報警），參數(shù)輸入保護：如需要，可設置密碼，可進行故障自診斷，廣泛的記錄能力：記錄內(nèi)容包括：發(fā)動機流水號與螺栓擰緊最終結(jié)果，扭矩值，角度值，正確/錯誤報告;并提供多種數(shù)據(jù)儲存方式;數(shù)據(jù)儲存在控制器內(nèi)的閃存上，同時隨時可以通過工控機查看所有歷史記錄。

擰緊控制系統(tǒng)應具備功能：具有角度控制、扭矩監(jiān)視功能;具有扭矩控制、角度監(jiān)視功能;預留屈服點控制功能;具有SPC分析功能，可連續(xù)和自定義抽樣，可輸出打印。擰緊機扭矩精度為≤3%，角度控制精度為≤2，噪聲級別≤65dB。每根擰緊系統(tǒng)的能力：Cpk≥1.33，Cmk≥1.67。擰緊控制系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)儲存功能，可保存10萬件以上工件擰緊數(shù)據(jù)，如各軸扭矩值、角度值、正確/錯誤報告等數(shù)據(jù)。擰緊機從對發(fā)動機跟機單掃描開始可記憶擰緊狀態(tài)，在擰緊機報警及擰松螺栓數(shù)量異常時及未完成所有工藝設定要求的擰緊程序時可與發(fā)動機裝配線進行互鎖，以防止操作工將發(fā)動機放行至下一工位;擰緊OK時只能放行一臺發(fā)動機，未掃描跟機單則擰緊機不工作;需設置可臨時屏蔽掃描功能的切換開關。臨時屏蔽掃描功能操作工可以通過便攜式鍵盤人工輸入發(fā)動機流水號。

3 缸蓋螺栓多軸緊固設備在福特PUMA系列發(fā)動機裝配工藝中的運用

在工藝方面的要求，PUMA發(fā)動機全系列缸蓋螺栓由10個M10螺栓（1-10）和8個M8螺栓（11-18）組成，共分為6次進行擰緊，擰緊方案為分階層逐步達成力矩和力矩加角度，每次作用于4缸18個螺栓同步擰緊，具體擰緊步驟如下：

M10螺栓

第一步：10NM±2NM，第二步：20NM±2NM，第三步：35NM±2NM，第四步：40NM 屈服38°-300°，第五步：等待0.2S，第六步：50°±5°（控制力矩50NM-147NM）;

M8螺栓

第一步：5NM±1NM，第二步：10NM±2NM，第三步：26NM±3NM，第四步：160°±5°，第五步： 等待0.2S，第六步： 20°±5°（控制力矩30NM-60NM）;

整個缸蓋擰緊過程生產(chǎn)節(jié)拍為45S，由于發(fā)動機底側(cè)和側(cè)面都有連帶移動固定整機托盤和縱向及橫向的固定裝置，所以在發(fā)動機缸蓋擰緊設備操作下壓，使得多軸套筒與18個螺栓完美認帽貼合過程時，加上擰緊軸內(nèi)部有氣墊彈簧能夠抵住螺帽貼合，緊固系統(tǒng)對力矩屈服狀態(tài)和轉(zhuǎn)動角度狀態(tài)實時監(jiān)控，有效監(jiān)察及防止螺栓破壞性滑絲或拉伸風險，保障缸蓋螺栓在整個裝配過程的穩(wěn)健性能。

在過程質(zhì)量方面的要求，對于發(fā)動機缸蓋整體擰緊時，當同一發(fā)動機在擰緊工位擰緊時設備中控顯示屏中某號螺栓有紅燈閃爍，這是給予操作工的警示信號，設備將立即停止擰緊運作，托盤無法運行至下道工序，同時自動上傳階段性故障擰緊數(shù)據(jù)后，這時操作工應按反松按鈕，使得缸蓋18個螺栓同時反松。當發(fā)動機缸蓋在本工位反松完成后，缸蓋擰緊設備應重新同時擰緊所有螺栓，執(zhí)行第一至第六步擰緊程序，若同一發(fā)動機在本工位缸蓋擰緊過程中連續(xù)運行發(fā)生3次紅燈閃爍故障即3次運行反松螺栓步驟，那么班組需掛白牌警示使該發(fā)動機下線進行分析故障原因。在故障機體擰緊發(fā)生故障程序后，發(fā)動機自動流入下道工序直到下線，此時，通過各轉(zhuǎn)動擰緊軸發(fā)出擰緊信號終止及監(jiān)視傳感控制單元的傳輸數(shù)據(jù)，擰緊程序單元將同時上傳整個擰緊過程實施的實際情況、擰緊結(jié)果是否合格及本工位操作作業(yè)統(tǒng)計數(shù)，再通過串聯(lián)端口傳遞給緊固設備終端管理指揮中心，可按分析螺栓實時監(jiān)控屈服曲線情況，逐一顯示最終擰緊結(jié)論，并在顯示屏中顯示：已擰緊/未擰緊、合格/不合格、合格總數(shù)、未合格總數(shù)及未合格分布，達到有效防錯功能。如故障原因解除，待發(fā)動機整機重新上線后再次擰緊缸蓋時，需更換所有螺栓才能執(zhí)行原有設定程序。

發(fā)動機缸蓋緊固設備終端管理模塊中，工藝需初始上傳各步驟擰緊轉(zhuǎn)角起始扭矩、轉(zhuǎn)動角度值、標準扭矩數(shù)值和產(chǎn)品性能要求的一定誤差范圍值等制造工藝參數(shù)，再者需同設備一起共同參與各轉(zhuǎn)動擰緊軸的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、防錯超差保護值、系統(tǒng)數(shù)據(jù)電信號和脈沖信號間隔基準時間值等設備管理器內(nèi)部參數(shù)，設備將在單次運行完全后，將運行整個過程數(shù)據(jù)進行存儲，工藝或質(zhì)量分析相關人員均可在單個生產(chǎn)班次運行完成后，通過管理模塊接收各轉(zhuǎn)動軸擰緊運行過程和最終運行監(jiān)測結(jié)果的大數(shù)據(jù)中心，調(diào)出相應對質(zhì)量貢獻度價值大的信息查閱和打印，可有利于分析及預防質(zhì)量問題發(fā)生可疑因子。

對于指定轉(zhuǎn)動軸在擰緊過程中產(chǎn)生的曲線能夠充分反饋在整個擰緊過程的波形態(tài)的上、下浮動和屈服點位的狀態(tài)，可用于分析擰緊連接工件的型材情況和加工狀態(tài)。涉及質(zhì)量、工藝口等相關人員還可以通過售前或售后關于缸蓋相關問題（如：沖氣缸墊、油水混合、缸蓋螺栓松動等現(xiàn)象問題），故障機發(fā)動機生產(chǎn)序列號，查出相關年、月、日及班次的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制曲線，并基于這些數(shù)據(jù)或控制曲線借助產(chǎn)品質(zhì)量八大控制方法或引入QC、6-Sigma等分析質(zhì)量工具，應用minilab等軟件收集及計算出過程能力值（如：UCL、LCL、CP、CPK、PP、PPK等值），科學有效的解決由于生產(chǎn)過程中不利的因素，且能夠正確指導及避免不合格品的流入與流出。

4 結(jié)束語

發(fā)動機缸蓋多軸智能擰緊工藝方法能夠有效對人為操作類防錯、技術(shù)性物理防錯、生產(chǎn)線生產(chǎn)能效提升及工藝穩(wěn)健性提供了良好的最佳解決方案。在當今發(fā)動機智能、高效生產(chǎn)過程中，發(fā)動機缸蓋智能緊固工藝方法在實際過程中的應用歸類于創(chuàng)新性案例，能夠較強的應對不同種類發(fā)動機共線生產(chǎn)實際，不論在整車還是發(fā)動機智能制造中具備可拓展性非常強，我們應該多多推廣該案例方案的應用。

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