FDS流钻设备掉钉与花杆问题的分析及优化

王晓峰

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

作为白车身制造过程中的一种连接工艺，FDS（Flow Drilling System）流钻连接，广泛应用于铝板与钢板的连接，通过高速旋转螺钉融化并刺穿板材，形成螺纹，并最终拧紧至设定扭矩值，实现不同材料的板材连接，在工艺过程中，经常发生驱动螺钉旋转的驱动Bit杆（形状类似于套筒），因未能完全扣住螺钉，造成深度超差导致设备频繁掉钉及Bit杆磕伤，进入高速旋转过程后，不完全的咬合会使Bit杆与螺钉之间发生高速的相对旋转运动，使Bit杆前端打花，只能更换，导致生产成本费用过高。而且因此备件采购周期长，频繁消耗导致备件压力紧张。

1 FDS流钻连接简介

白车身常用的连接方式可分为热连接与机械连接2种，热连接主要用于钢材与钢材的连接（如点焊、熔化极惰性气体保护焊），机械连接主要用于钢材与铝材的连接（如半空心自冲铆SPR、射钉铆IMAPCT、FDS等）。FDS流钻连接是通过高速旋转的螺钉融化板材，进而刺穿板材，攻螺纹最后拧紧的过程。

其主要工艺过程如下:①Bit杆下压找钉，并将钉尖压到板材上；②高速旋转使得螺钉尖端融化板材；③螺钉尖端刺穿板材；④螺钉前部进行攻丝；⑤螺钉整体旋入；⑥拧紧至规定扭矩（图1）。

1.1 设备组成

FDS流钻系统主要由铆枪、机器人、送钉管、送钉站和 控制柜5部分构成（图2）。

图1 主要工艺过程

图2 FDS流钻系统

直列式FDS铆枪主要分为驱动部分和控制部分。其中，驱动部分有主气缸、保持气缸、伺服电机、夹头、快换单元和Bit杆（图3），控制部分有阀岛、电气比例阀、执行部分、扭矩传感器和行程传感器。

图3 直列式FDS铆枪的构成

1.2 基本工艺流程

（1）主气缸、保持气缸活塞同时伸出，将夹嘴压在工件Bit杆与铜套相对运动，至杆前端压入钉帽内，快换单元的游隙闭合（此为”找钉“）。

（2）主气缸加压，高速旋转Bit杆，螺钉前部摩擦加热。

（3）螺钉尖部刺穿板材。

（4）螺钉前中部进行攻螺纹（攻丝）。

（5）降低转速，主气缸压力，将螺钉快速旋入。

（6）最后降低转速拧紧螺钉至设定扭矩（图4）。

2 “掉钉”故障原因分析及解决办法

基于上述工艺流程，在“找钉”过程之后、高速旋转（STEP-6）之前，会通过行程传感器对当前Bit杆位置进行判断，此位移经验值约为-18.5。此状态为理想找钉步状态，即:①Bit杆完全扣住钉帽、②钉尖抵住工件、③快换单元轴向游隙完全闭合（图5）。其中，0值指代螺帽下表面与工件完全接触。

图4 FDS流钻的工作原理

在STEP-6中，设定驱动参数:反转-300 r/min，目标值角度200°；监控参数，位移上下限-19.5～-17.5。其中，低于-19.5表示Bit杆没有完全认住钉帽，高于-17.5表示螺钉歪了或倒了。如果程序运行到此步时，位移超过监控范围，即会工艺报警，进而触发小气缸缩回，螺钉被强行推出，是为“掉钉”（图6）。

图5 理想的找钉步状态

图6 监控界面

根据实际报警记录显示，发生“掉钉”时位移监控均因低于-19.5而报警。由原理图可知，此时保持气缸活塞位置（气缸相对活塞后移），即Bit杆未能完全扣住钉帽并将其压在工件表面，此为“掉钉”的根本原因（图7）。

通过分析各零件间的相互配合工作的关系以及结合现场报错记录分析，发生掉钉的原因主要有5个。

2.1 Bit杆前端磨损

实际使用发现在连续工作50 000次后，Bit杆前部套筒平面发生磨损，导致无法完全认到钉帽内，进而保持气缸的缸体相对活塞向后移动，使得行程传感器检测位置负向增大，超过-19.5极限监控值而报警（图8）。

图7 发生“掉钉”时活塞的位置

图8 Bit杆前端磨损

解决办法:更换新Bit杆。

2.2 夹嘴闭合过紧或夹嘴不对中

因流钻每次工艺均需要送一次钉，螺钉由送钉筒吹至夹头，通过夹嘴夹住并保持在中心位置，方便Bit杆认钉，实际操作发现:①如若夹头调整过紧，即夹嘴之间没有缝隙，送钉时钉无法撑开夹嘴弹簧，进而无法被夹嘴抱住，导致钉在夹嘴内歪斜；②长期使用后夹嘴对中的顶丝发生松动时，夹嘴中心线与Bit杆不再同轴，导致螺钉与Bit杆不同轴。以上2种情况均会进而导致Bit杆无法完全扣住螺钉，导致报警（图9）。

图9 夹嘴歪斜或不对中

解决办法:重新调整夹嘴顶丝，使夹嘴对中，并保证夹嘴中间有0.4 mm的缝隙，使用螺纹胶防止顶丝松动。

2.3 铜套磨损

铜套的作用是保持Bit杆在驱动过程中的同轴度，长期使用后，尤其是高速旋转时，Bit杆相对铜套摩擦，造成铜套直径变大，实验发现当铜套由Φ14 mm磨损至Φ14.2 mm时，Bit杆前端晃动量过大而不易扣住钉帽，造成掉钉（图10）。

解决办法:定期更换铜套。

图10 铜套磨损

2.4 快换单元卡滞

快换单元的作用是方便快速更换Bit杆，但二者之间连接后，可相对移动2 mm，即快换单元游隙（图11）。因每次铆接均会发生相对寸动，且高速旋转产生的摩擦热量，导致快换单元接头处易生锈，进而导致铆接时与Bit杆相对移动卡滞，计快换单元游隙未完全闭合，造成位移传感器超差，导致掉钉。

图11 快换单元游隙

解决办法:定期使用WD40清洁锈迹并擦拭干净

2.5 小气缸压力过大或大气缸压力过小

由原理图可知，对于Bit杆而言，最终作用在螺钉上的力F=大气缸压力F大-保持气缸压力F小:如果大气缸压力过小或保持气缸压力过大，就会导致Bit杆在下压过程中速度变慢，而未在设定时间内达到-18.5的对应位置，导致“掉钉”。

解决办法:适当调整大气缸与保持气缸的压力。

3 Bit杆“花杆”故障原因分析及优化方法

如果“找钉”步最后刚好卡在上限值“-19.5”而未触发“掉钉”，此时Bit杆实际是并未完全扣住钉帽，但系统认为“找钉”完成，进入高速旋转加热、刺穿、攻丝、旋入阶段，即工艺的第2，3，4，5步。此时，由于Bit杆跟钉帽的接触不充分，无法提供充足的扭矩，以保证对应工艺阶段位移传感器达到目标值，进而在当前步以高转速持续旋转超过3 s（最大单步工艺时间），巨大的摩擦热量会导致Bit杆前端融化，即所谓“花杆”（图12）。

以第12步举例，设定转速2200 r/min，当前步目标值为行程参数达到-1.0 mm，即代表钉帽下表面与工件间距1 mm时，跳转至下一步，但实际工作时，如若Bit杆因接触不完全而无法提供足够的扭矩驱动螺钉旋入，导致螺钉与Bit杆之间发生相对移动，高速的摩擦发热直接导致Bit杆“花杆”，严重时甚至Bit杆碎裂（图13）。

优化方法:通过分析工艺点的连续100条工艺曲线（图14）。

图12 快换单元游隙

通过工艺曲线分析可知，在高转速阶段（②、③、④、⑤）总工艺时间1 s左右，而工艺完成后总旋转角度接近8000°，而分析系统旋转总角度及时间的关系可知，每个点的最大旋转角度及各步的最大时间基本恒定，而发生花杆时，因单步工艺时间设定过长（平均3 s），总旋转角度超过30 000°。据此可在设备每次铆接时，通过监控Bit杆的总旋转角度（10 000°）及限定最大单步时间两方面来确保当设备异常时，使得Bit杆不会无限旋转，进而保证异常状态时，可以及时停止高速旋转以保护Bit杆免于磨花。

图13 快换单元游隙

图14 工艺曲线

4 小结

随着各类机械连接技术的发展，越来越多的汽车生产厂商引入并使用类似的流钻设备。其在时间效益、铆接强度、工艺可达性、消耗成本等方面都表现出优势。通过分析流钻工艺原理，并结合实际生产时的频繁报错记录，从细节着手找到设备频繁“掉钉”及“花杆”的故障原因，并针对性地提出注意事项及优化办法。这一过程不仅加深了维修人员对设备的理解，大大节省了Bit杆的消耗量，节省成本，同时还保证了设备的有效稼动率，为同类FDS设备在类似问题处理上提供了解决问题的思路。