福特PUMA系列发动机缸盖螺栓多轴紧固设备原理及运用

孙嘉文

摘 要：福特PUMA系列柴油发动机作为江铃引入国产化重点项目，分别运载在经典全顺、途锐欧、新时代全顺、域虎5、域虎7、驭胜SUV和新凯锐等多款车型，因其技术成熟、性能稳定出众而受广大消费者追捧。其主要部件螺栓拧紧连接在发动机装配制造工艺稳定中起到重要的作用。为了更好的保证产品制造稳定，在发动机缸盖紧固方面采用多轴同时拧紧方式。文章详细说明多轴紧固电控单元系统及原理、缸盖紧固设备如何通过分步和角度监控来确保在PUMA系列发动机运用稳定。

关键词：紧固原理;紧固工艺;紧固运用

1 引言

在制造行业蓬勃发展的今天，螺栓螺纹连接方法已广泛运用在汽车、航天航空工业制造等多个领域，原因在于该方法可方便连接性，可拆接反复性及投入成本较低，性价比较高。怎样通过标准化紧固方法去达到螺栓螺纹的连接稳定，是日常生产过程稳定及质量保障前提，这个前提影响面尤为广泛、重要。多轴紧固设备通过多组多轴电控单元系统的控制，确保螺栓在拧紧过程中使得紧固终力矩能够达到且符合准确、快速和稳定三大重要优势，特别对于在生产工艺中的“欠力矩”、“过力矩”等过程问题，能够提供非常精准及最佳的解决方案。

2 发动机缸盖螺栓多轴紧固设备原理

拧紧轴应具备福特A10认证，每个拧紧轴都有一个控制模块控制，控制模块集成了伺服控制器、轴控制器、出入/输出系统及内部实时PLC。控制模块具备多种通讯方式，拥有网口和打印口，计算机，条形码识别器等接口，具有自动采集、储存、实时传输每次拧紧数据及曲线（包括不合格状态）的功能，且数据与VIN号码一一对应，具备控制器间程序互备份功能，具有角度控制、扭矩监视功能、扭矩控制、角度监视功能、屈服点控制功能、手动和自动控制功能。在零速时保持扭矩功能，拧紧轴达到预定扭矩后，保持这一扭矩一定时间，以消除塑性变形对扭矩的影响。具有电流控制功能，直接通过控制拧紧轴电流来监测扭矩，（开环控制）防止因传感器突然失效引起的误差。具有等待功能，当任一拧紧轴完成某一步拧紧步骤时，将等待其他轴完成这一步骤，然后一起开始下一步，使拧紧轴保持同步，也可以让拧紧轴按照规定的顺序和规定的间隔时间拧紧。具有全寿命免维护设计及功能，电缆热插拔功能，内置PLC能编程一些复杂拧紧过程。拧紧机的精度寿命在正常使用下≥100万次。每一组拧紧数据包括日期及时间，当拧紧机发生出错或故障，将发出报警信息，同时显示及记录自我诊断的结果，以利于维修人员及时处理。拧紧机角度控制精度：±2度，拧紧机扭矩控制精度：±3%，每个轴均具有10种以上扭矩编程。具备断电以后数据保存功能，带有过电流、过压、过温自动保护功能（自动关闭系统并报警），参数输入保护：如需要，可设置密码，可进行故障自诊断，广泛的记录能力：记录内容包括：发动机流水号与螺栓拧紧最终结果，扭矩值，角度值，正确/错误报告;并提供多种数据储存方式;数据储存在控制器内的闪存上，同时随时可以通过工控机查看所有历史记录。

拧紧控制系统应具备功能：具有角度控制、扭矩监视功能;具有扭矩控制、角度監视功能;预留屈服点控制功能;具有SPC分析功能，可连续和自定义抽样，可输出打印。拧紧机扭矩精度为≤3%，角度控制精度为≤2，噪声级别≤65dB。每根拧紧系统的能力：Cpk≥1.33，Cmk≥1.67。拧紧控制系统应具备数据储存功能，可保存10万件以上工件拧紧数据，如各轴扭矩值、角度值、正确/错误报告等数据。拧紧机从对发动机跟机单扫描开始可记忆拧紧状态，在拧紧机报警及拧松螺栓数量异常时及未完成所有工艺设定要求的拧紧程序时可与发动机装配线进行互锁，以防止操作工将发动机放行至下一工位;拧紧OK时只能放行一台发动机，未扫描跟机单则拧紧机不工作;需设置可临时屏蔽扫描功能的切换开关。临时屏蔽扫描功能操作工可以通过便携式键盘人工输入发动机流水号。

3 缸盖螺栓多轴紧固设备在福特PUMA系列发动机装配工艺中的运用

在工艺方面的要求，PUMA发动机全系列缸盖螺栓由10个M10螺栓（1-10）和8个M8螺栓（11-18）组成，共分为6次进行拧紧，拧紧方案为分阶层逐步达成力矩和力矩加角度，每次作用于4缸18个螺栓同步拧紧，具体拧紧步骤如下：

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）;

整个缸盖拧紧过程生产节拍为45S，由于发动机底侧和侧面都有连带移动固定整机托盘和纵向及横向的固定装置，所以在发动机缸盖拧紧设备操作下压，使得多轴套筒与18个螺栓完美认帽贴合过程时，加上拧紧轴内部有气垫弹簧能够抵住螺帽贴合，紧固系统对力矩屈服状态和转动角度状态实时监控，有效监察及防止螺栓破坏性滑丝或拉伸风险，保障缸盖螺栓在整个装配过程的稳健性能。

在过程质量方面的要求，对于发动机缸盖整体拧紧时，当同一发动机在拧紧工位拧紧时设备中控显示屏中某号螺栓有红灯闪烁，这是给予操作工的警示信号，设备将立即停止拧紧运作，托盘无法运行至下道工序，同时自动上传阶段性故障拧紧数据后，这时操作工应按反松按钮，使得缸盖18个螺栓同时反松。当发动机缸盖在本工位反松完成后，缸盖拧紧设备应重新同时拧紧所有螺栓，执行第一至第六步拧紧程序，若同一发动机在本工位缸盖拧紧过程中连续运行发生3次红灯闪烁故障即3次运行反松螺栓步骤，那么班组需挂白牌警示使该发动机下线进行分析故障原因。在故障机体拧紧发生故障程序后，发动机自动流入下道工序直到下线，此时，通过各转动拧紧轴发出拧紧信号终止及监视传感控制单元的传输数据，拧紧程序单元将同时上传整个拧紧过程实施的实际情况、拧紧结果是否合格及本工位操作作业统计数，再通过串联端口传递给紧固设备终端管理指挥中心，可按分析螺栓实时监控屈服曲线情况，逐一显示最终拧紧结论，并在显示屏中显示：已拧紧/未拧紧、合格/不合格、合格总数、未合格总数及未合格分布，达到有效防错功能。如故障原因解除，待发动机整机重新上线后再次拧紧缸盖时，需更换所有螺栓才能执行原有设定程序。

发动机缸盖紧固设备终端管理模块中，工艺需初始上传各步骤拧紧转角起始扭矩、转动角度值、标准扭矩数值和产品性能要求的一定误差范围值等制造工艺参数，再者需同设备一起共同参与各转动拧紧轴的运转转速、防错超差保护值、系统数据电信号和脉冲信号间隔基准时间值等设备管理器内部参数，设备将在单次运行完全后，将运行整个过程数据进行存储，工艺或质量分析相关人员均可在单个生产班次运行完成后，通过管理模块接收各转动轴拧紧运行过程和最终运行监测结果的大数据中心，调出相应对质量贡献度价值大的信息查阅和打印，可有利于分析及预防质量问题发生可疑因子。

对于指定转动轴在拧紧过程中产生的曲线能够充分反馈在整个拧紧过程的波形态的上、下浮动和屈服点位的狀态，可用于分析拧紧连接工件的型材情况和加工状态。涉及质量、工艺口等相关人员还可以通过售前或售后关于缸盖相关问题（如：冲气缸垫、油水混合、缸盖螺栓松动等现象问题），故障机发动机生产序列号，查出相关年、月、日及班次的生产数据和控制曲线，并基于这些数据或控制曲线借助产品质量八大控制方法或引入QC、6-Sigma等分析质量工具，应用minilab等软件收集及计算出过程能力值（如：UCL、LCL、CP、CPK、PP、PPK等值），科学有效的解决由于生产过程中不利的因素，且能够正确指导及避免不合格品的流入与流出。

4 结束语

发动机缸盖多轴智能拧紧工艺方法能够有效对人为操作类防错、技术性物理防错、生产线生产能效提升及工艺稳健性提供了良好的最佳解决方案。在当今发动机智能、高效生产过程中，发动机缸盖智能紧固工艺方法在实际过程中的应用归类于创新性案例，能够较强的应对不同种类发动机共线生产实际，不论在整车还是发动机智能制造中具备可拓展性非常强，我们应该多多推广该案例方案的应用。

参考文献：

[1]李峙;赵立斌.螺栓拧紧过程质量控制研究  汽车工艺与材料  2019.02.20.

[2]陆健亮.螺纹拧紧力矩控制技术研究  浙江大学  2019.01.01.

[3]朱博.浅谈工业拧紧技术的现状  工业设计  2012.02.15.

[4]冯德富.汽车装配的螺栓拧紧  现代零部件  2009.12.01.