小批量組裝螺釘組件工裝的設(shè)計和應(yīng)用

王克明，鄭 濤，王 康，屈 文，孫 虎

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川綿陽 621000）

目前，市場上研發(fā)的批量螺釘組裝機(jī)存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、不易維修、噪聲污染嚴(yán)重等問題，無法滿足多種型號螺釘組裝需求。而小批量組裝螺釘組件工裝的設(shè)計和應(yīng)用，可以有效地解決以上問題，該裝置無需用電控制，僅僅采用簡單人工操作，就可以實現(xiàn)200多個標(biāo)準(zhǔn)螺釘、平墊圈和彈墊圈的小批量組合，極大地提高了螺釘組裝效率和效果。

1 工裝設(shè)計

1.1 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

工裝結(jié)構(gòu)主要是由螺釘層、彈墊層和平墊層3個結(jié)構(gòu)組成，可以直接排列螺釘、平墊圈和彈墊圈。通過設(shè)計以上3部分結(jié)構(gòu)，可以精確定位和組合200多個標(biāo)準(zhǔn)螺釘、平墊圈和彈墊圈。

1.1.1 螺釘層結(jié)構(gòu)

螺釘?shù)装搴吐葆斖邪褰M合剖視圖如圖1所示。從圖1中可以看出，在沒有墊片的情況下，螺釘?shù)装搴屯邪逯g緊密貼近，兩者間距為0，圓形凸臺可以直接塞入通孔中，所形成的盲孔深度通常達(dá)到4 mm，以保證螺釘陣列設(shè)計效果。此外，將兩個臺面分別安裝到螺釘?shù)装屙斆孀笥覂山?，并將彈簧套?個連接柱上，在不使用墊片的情況下，可以借助彈力，將螺釘?shù)装鍓合蚩拷葆斖邪宓奈恢?，確保兩者之間緊密相貼，同時，還要將4個腿安裝和固定到螺釘?shù)撞?個角的位置。

圖1 螺釘?shù)装搴吐葆斖邪褰M合剖視

1.1.2 彈墊層結(jié)構(gòu)

工裝彈墊層結(jié)構(gòu)主要是由彈墊定位板、彈墊抽板和彈墊支撐板3個部分組成。彈墊支撐板主要位于最下面位置，其長度、寬度、高度分別為222 mm、177 mm、1 mm，該支撐板的表面陣列100 個通孔，通孔直徑為4.7 mm。彈墊定位板主要位于最上方，其尺寸與彈墊支撐板主尺寸相同，該定位板表面同樣陣列100個通道，通道直徑為4.4 mm。彈墊抽板位于中間，其設(shè)計內(nèi)容與彈墊支撐板類似。

1.1.3 平墊層結(jié)構(gòu)

平墊層設(shè)計原理與彈墊層極其類似，平墊層主要是由3層不銹鋼板組成。以彈墊層設(shè)計相比，其不同點是將100個通孔放置到平墊定位板與平墊支撐板表面上，該通孔直徑為5.2 mm。另外，將平墊定位板厚度設(shè)置為0.6 mm，在此基礎(chǔ)上，還要將小圓孔C和大圓孔螺釘分別設(shè)置到開孔槽位置處，同時，平墊圈的外徑須大于小圓孔C直徑，彈簧圈的外徑須小于大圓孔D直徑。平墊抽板俯視圖及局部放大示意圖如圖2所示。

圖2 平墊抽板俯視圖及局部

1.2 工裝關(guān)鍵工藝設(shè)計

1.2.1 尺寸設(shè)計和加工精度

在設(shè)置平墊、彈墊定位板圓孔直徑時，必須與平墊圈和彈墊圈外徑保持一致，以確保平墊圈和彈墊圈定位的精確度，同時，還要確保平墊圈和彈墊圈與螺釘位置共用一個軸心，確保它們能夠順利有效地塞入螺桿。在進(jìn)行公差加工時，要做好對正公差的調(diào)整和控制，加工公差精度應(yīng)控制在0.06～0.1 mm，確保墊圈可以順利有效地塞入圓孔。

1.2.2 多規(guī)格螺釘批量組裝

通過科學(xué)地調(diào)整和控制本工裝關(guān)鍵尺寸，可以確保其更好地滿足多種型號盤頭螺釘、平墊圈和彈墊圈組裝需求。文章以“M3標(biāo)準(zhǔn)型盤頭螺釘、平墊圈和彈墊圈”為案例。通過組合螺釘、平墊和彈墊，可以實現(xiàn)對本工裝結(jié)構(gòu)件尺寸的有效改變和控制。此外，本工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要用到不銹鋼材料和鋁合金材料，通過運用機(jī)加工方式，可以保證其加工水平。

2 工裝應(yīng)用

2.1 螺釘組件工裝應(yīng)用方法

該工裝在具體應(yīng)用時，需要依次借助螺釘層、平墊層和彈墊層3部分結(jié)構(gòu)，精確定位和排列螺釘、平墊圈和彈墊圈位置，這3部分結(jié)構(gòu)的定位與排列并無特定的順序，可以依次完成，也可以同時完成。

以“M2.5型工裝”為案例，在進(jìn)行排列螺釘期間，首先，要將多余的M2.5型標(biāo)準(zhǔn)螺釘均勻地置于螺釘層陣列孔表面，然后，采用手持螺釘層的方式，沿著水平方向，對螺釘層進(jìn)行振動，振動時間控制為6s左右，確保沒有參與陣列的螺釘被全部拋出。在螺帽重心作用下，螺釘會進(jìn)入盲孔，確保所有盲孔均設(shè)置相應(yīng)陣列，使整個陣列成功率達(dá)到100%。

在定位和排列平墊圈與彈墊圈時，首先，要將多余的M2.5型標(biāo)準(zhǔn)墊圈或者彈墊圈均勻地置于彈墊或者平墊定位板表面，然后，采用手持彈墊層或者平墊層的方式，沿著水平方向，對其進(jìn)行振動，振動時間控制為7s 左右，再使用毛刷，將多余的平墊圈或者彈墊圈全部掃除。此時，彈墊層或平墊層已100%成功排列完畢。同時，要根據(jù)平墊圈和彈墊圈厚度，調(diào)整和控制彈墊或者平墊定位板厚度，確保由于彈墊或者平墊定位板圓孔中僅塞進(jìn)一個平墊圈或者彈墊圈。

當(dāng)以上3部分結(jié)構(gòu)均完成螺釘組件陣列處理后，就進(jìn)入了組合環(huán)節(jié)。

（1）需要將陣列好的彈墊層4個定位孔與螺釘層4個定位柱對準(zhǔn)，并將這些定位柱依次套入置于螺釘托盤。

（2）將100個螺釘、螺桿分別穿過彈墊圈孔、小圓孔確保彈墊圈孔內(nèi)塞入相應(yīng)的彈墊圈。

（3）使用雙手緊緊握住彈墊抽板的把手位置，向外拉出一部分的彈墊抽板，然后取走彈墊層。穿平墊圈的工序與彈墊圈相同，當(dāng)穿平墊圈和彈墊圈工序結(jié)束后，說明螺釘組件組裝完成。

2.2 工裝應(yīng)用效果

目前，本工裝被廣泛應(yīng)用和推廣于多種小批量產(chǎn)品裝配中，通過對其進(jìn)行計量測試，顯著提升本工裝裝配效率。在進(jìn)行工程實測期間，發(fā)現(xiàn)組裝100個螺釘組件所用時間為157 s，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，螺釘裝配速度達(dá)到1.57 s/個。但在純手工裝配模式下，單個螺釘裝配花費時間為11 s，該數(shù)值幅度波動較大，這主要依賴于操作人員的熟練程度和專注程度等多種不可控因素。與手動螺釘組裝模式相比，采用本工裝組裝螺釘效率提升幅度計算公式如下：

從式（1）中可以看出，采用本工裝組裝螺釘效率提升約600%，約為手動組裝效率的7倍多，這說明本工裝設(shè)計和應(yīng)用，可以最大限度地提高小批量組裝螺釘效率和裝配質(zhì)量。

此外，為保證文章中工裝應(yīng)用效果，通常還使用一種軟態(tài)合金的過盈螺釘擰緊裝置。該裝置主要由螺套、一字旋具、半圓錐環(huán)3個部分組成。過盈螺釘擰緊裝置組成如圖3（d）所示。

圖3 過盈螺釘擰緊裝置組成

由于文章中所述的螺釘均為過盈螺釘，存在裝配力矩大，螺釘易變性的情況，如圖4所示。螺釘變形后會造成螺釘頭外徑變大，以M4圓柱頭螺釘為例，6 mm 的圓柱段外徑會增大到0.05～0.15。螺釘頭部的不規(guī)則變形會造成安裝位置不準(zhǔn)確。

圖4 過盈螺釘變形情況

為解決上述問題，保證裝置運用效果，過盈螺釘裝配時均使用該擰緊裝置。本裝置對螺釘頭圓柱面產(chǎn)生壓力，控制圓柱螺釘頭的變形，其次通過半扣錐環(huán)和圓柱面的壓力產(chǎn)生的靜摩擦力對過盈螺釘旋緊產(chǎn)生輔助作用。柱面的靜摩擦力可以讓本有8 N.m 的擰緊扭矩力分擔(dān)在圓柱面上。從而讓作用在一字槽的變小從而讓圓柱頭的螺釘變形更小。在螺套和一字旋具相互旋緊時，半扣錐環(huán)和對螺釘柱面產(chǎn)生的壓力大小決定于擰緊螺套和一字旋具的擰緊扭矩。

（1）將擰緊力設(shè)置為10 N，同時確定錐度和螺紋導(dǎo)程。而錐度越小夾緊力越大，當(dāng)夾緊力過大時，會增加螺紋取出難度。螺套內(nèi)螺紋配合一字旋具的外螺紋產(chǎn)生的軸向力，并借助螺套的錐面和半扣錐環(huán)的錐度，可以計算出徑向壓力。以上計算過程通常用到如圖5所示的仿真模型。

圖5 仿真模型

（2）在擰入合金鋼時，按照國標(biāo)過盈螺釘裝配扭矩為8 N.m，選用一字頭螺絲，讓螺釘產(chǎn)生變形，從外觀上看可以增大張口圓柱頭外徑，并保證圓柱頭螺釘外徑變形不能超過0.02 nm。

3 結(jié)束語

綜上所述，文章設(shè)計了一種小批量組裝螺釘組件工裝，本工裝具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、易維護(hù)、成本低等特點，僅僅采用簡單人工操作，可以一次性高效率、高標(biāo)準(zhǔn)地裝配小批量螺釘組件。本工裝在具體應(yīng)用時，可以對螺釘層、彈墊層圓孔直徑、厚度等尺寸進(jìn)行實時改變和控制，完全符合不同尺寸螺釘組件組裝需求。與手工組合模式相比，本工裝的運用可以顯著提升螺釘配件效率，使其效率提高600%。