螺钉的二次拧紧与扭矩的控制

寇舒

摘 要 螺钉拧紧是装配流水线中最常用的工艺。一般都是通过控制螺钉扭矩来实现螺钉拧紧装配。本文以一个汽缸盖的螺钉装配为例阐述四螺钉拧紧机的设计和应用情况。该螺钉机只用一个气马达实现螺钉两次拧紧，精确控制螺钉扭矩，实现几个螺钉的同时拧紧。

关键词 气马达 扭矩 两次拧紧 同步拧紧

中图分类号：TH69 文献标识码：A

0引言

随着国内工业的发展，装配流水线越来越多。作为一条装配流水线，最常用到的应该是螺钉的装配。最原始的螺钉装配是用手工工具拧螺钉，后来借助一些气动或电动工具装配，随着技术的不断发展现今主要用自动机拧紧。相对来说用自动机拧紧效率高，质量稳定，在实际应用中也用得较多。

螺钉的拧紧实际上是一个比较复杂的过程，我们在应用中主要控制的是螺钉的压紧力，但由于没法实时检测压紧力，就通过实验手段得到需要压紧力下的扭矩。用螺钉的扭矩作为螺钉拧紧的控制目标。对于一些高精度的螺钉装配，都要求进行螺钉扭矩的控制。

1存在的问题

在本文所用到的装配线上有多处涉及有扭矩控制的螺钉装配，尤其是汽缸盖螺钉的拧紧，由于缸体较薄，容易产生变形，如果安装的四个螺钉拧紧有快慢的情况下更加突出。在最早的装配中，我们在工艺上规定了两次拧紧，要进行先预紧，再最终拧紧。我们采用手动工具拧紧，要求操作工按照左上、右下、右上、左下顺序进行先预紧后拧紧操作。随着产量的提高，手工拧紧已经越来越不适应生产的需要，同时，手工拧紧扭矩的控制精度较低，往往会超出我们的工艺要求，造成较多的下线返修。后来制作了一台拧紧专机，从使用情况看，由于它改变了两次拧紧的工艺，采用了一次拧紧，虽然提高拧紧速度，但卡死情况却多了，同时由于气马达之间的相互影响，扭矩控制偶尔也超差。

2改进措施

在所有的控制方式中，一马达两次拧紧技术是扭矩控制精度和拧紧同步性较好的一种，同时这种方式也是比较廉价的一种。

所谓两次拧紧就是把装配过程分两次进行，第一次进行预紧，拧到最终扭矩的1/2或更低，第二次拧到最终扭矩，这在装配中是比较常见的。常规的做法是把螺钉装配机做成两台，第一台预紧，第二台最终拧紧。这样一来投资增加了一倍，往往不被绝大多数企业采纳。但如果做成一台机器一次拧紧，对装配一个螺钉没有关系，对需要同时装配多个螺钉、螺钉拧紧的一致性和同步性要求较高场合，往往需要采购昂贵的数控电动螺刀才能实现。

根据气动马达的输出扭矩跟工作压力是成正比的工作原理，设计了一台四螺钉拧紧机，扭矩调节的方法就是让气马达先工作在低压下实现预紧，再工作在高压下最终拧紧。

3案例分析

以一个汽缸盖的螺钉装配为例阐述四螺钉拧紧机的设计和应用情况。该汽缸盖上面有四个螺钉，四个螺钉扭矩要求为8.5-10Nm，同步拧紧的要求较高，否则会带来汽缸体和汽缸盖的变形，导致活塞的卡死。根据这些要求我们选用了UNRY 的60LF气马达，该马达工作压力到5Kgf/cm2时，扭矩达到10.5Nm，转速为720RPM，满足我们螺钉最终拧紧扭矩要求。选用FESTO 3/4三联件作为第一次拧紧的总气源处理器，用3/8三联件作为第二次拧紧单把马达的气源处理器，第一次拧紧采用FESTO3/4气控阀，第二次拧紧采用FESTO1/4电磁阀，查流量都能满足要求。

下面简要叙述一下气路的动作，首先EV1动作，驱动3/4气控阀动作进行第一次拧紧，此时进入气马达的气源压力为1.5 Kgf/cm2。马达在旋转时和停止时马达进口压力不同，压力传感器检测到第一次拧紧已经停止，切断EV1，稍延时后EV2-5动作，马达进行第二次拧紧，同样由压力传感器检测马达是否已经停转。马达检测到停转信号，延时后切断EV2-5，完成整个拧紧过程。第二次拧紧的压力由需要的扭矩确定，我们根据工件要求的扭矩确定在5Kgf/cm2左右，同时根据四把马达的状态稍微有所不同。

4、结语

我们通过实践实现了一马达两次拧紧，取得了预期的效果，扭矩控制精度大大提高、螺钉实现同步拧紧、拧紧后变形量小、卡死下线率显著下降。同时并没有提高投资成本。但是，我们也看到，一马达两次拧紧对马达、气路要求较高，控制要求也高，实现相对较困难，适用于要求比较特殊的场合，比如本文所讲的汽缸盖拧紧（同步性要求较高、扭矩要求高）等。在一般场合并不建议使用。

参考文献

[1] 李英婧，王大明.电动拧紧工具的应用[J].制造技术与材料，2009：35.

[2] 林永福.螺栓拧譬力矩与轴向力关系及其影响因素研究[D].西北工业大学硕士论文，2000.

[3] 成大先.机械设计手册（第五版）[M].化学工业出版社，2010.