FDS 流鉆設備掉釘與花桿問題的分析及優化

王曉峰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

作為白車身制造過程中的一種連接工藝，FDS（Flow Drilling System）流鉆連接，廣泛應用于鋁板與鋼板的連接，通過高速旋轉螺釘融化并刺穿板材，形成螺紋，并最終擰緊至設定扭矩值，實現不同材料的板材連接，在工藝過程中，經常發生驅動螺釘旋轉的驅動Bit 桿（形狀類似于套筒），因未能完全扣住螺釘，造成深度超差導致設備頻繁掉釘及Bit 桿磕傷，進入高速旋轉過程后，不完全的咬合會使Bit 桿與螺釘之間發生高速的相對旋轉運動，使Bit 桿前端打花，只能更換，導致生產成本費用過高。而且因此備件采購周期長，頻繁消耗導致備件壓力緊張。

1 FDS 流鉆連接簡介

白車身常用的連接方式可分為熱連接與機械連接2 種，熱連接主要用于鋼材與鋼材的連接（如點焊、熔化極惰性氣體保護焊），機械連接主要用于鋼材與鋁材的連接（如半空心自沖鉚SPR、射釘鉚IMAPCT、FDS 等）。FDS 流鉆連接是通過高速旋轉的螺釘融化板材，進而刺穿板材，攻螺紋最后擰緊的過程。

其主要工藝過程如下：①Bit 桿下壓找釘，并將釘尖壓到板材上；②高速旋轉使得螺釘尖端融化板材；③螺釘尖端刺穿板材；④螺釘前部進行攻絲；⑤螺釘整體旋入；⑥擰緊至規定扭矩（圖1）。

1.1 設備組成

FDS 流鉆系統主要由鉚槍、機器人、送釘管、送釘站和 控制柜5 部分構成（圖2）。

圖1 主要工藝過程

圖2 FDS 流鉆系統

直列式FDS鉚槍主要分為驅動部分和控制部分。其中，驅動部分有主氣缸、保持氣缸、伺服電機、夾頭、快換單元和Bit 桿（圖3），控制部分有閥島、電氣比例閥、執行部分、扭矩傳感器和行程傳感器。

圖3 直列式FDS 鉚槍的構成

1.2 基本工藝流程

（1）主氣缸、保持氣缸活塞同時伸出，將夾嘴壓在工件Bit桿與銅套相對運動，至桿前端壓入釘帽內，快換單元的游隙閉合（此為”找釘“）。

（2）主氣缸加壓，高速旋轉Bit 桿，螺釘前部摩擦加熱。

（3）螺釘尖部刺穿板材。

（4）螺釘前中部進行攻螺紋（攻絲）。

（5）降低轉速，主氣缸壓力，將螺釘快速旋入。

（6）最后降低轉速擰緊螺釘至設定扭矩（圖4）。

圖4 FDS 流鉆的工作原理

2 “掉釘”故障原因分析及解決辦法

基于上述工藝流程，在“找釘”過程之后、高速旋轉（STEP-6）之前，會通過行程傳感器對當前Bit 桿位置進行判斷，此位移經驗值約為-18.5。此狀態為理想找釘步狀態，即：①Bit 桿完全扣住釘帽、②釘尖抵住工件、③快換單元軸向游隙完全閉合（圖5）。其中，0 值指代螺帽下表面與工件完全接觸。

在STEP-6 中，設定驅動參數：反轉-300 r/min，目標值角度200°；監控參數，位移上下限-19.5～-17.5。其中，低于-19.5 表示Bit 桿沒有完全認住釘帽，高于-17.5 表示螺釘歪了或倒了。如果程序運行到此步時，位移超過監控范圍，即會工藝報警，進而觸發小氣缸縮回，螺釘被強行推出，是為“掉釘”（圖6）。

圖5 理想的找釘步狀態

圖6 監控界面

根據實際報警記錄顯示，發生“掉釘”時位移監控均因低于-19.5 而報警。由原理圖可知，此時保持氣缸活塞位置（氣缸相對活塞后移），即Bit 桿未能完全扣住釘帽并將其壓在工件表面，此為“掉釘”的根本原因（圖7）。

通過分析各零件間的相互配合工作的關系以及結合現場報錯記錄分析，發生掉釘的原因主要有5 個。

2.1 Bit 桿前端磨損

實際使用發現在連續工作50 000次后，Bit 桿前部套筒平面發生磨損，導致無法完全認到釘帽內，進而保持氣缸的缸體相對活塞向后移動，使得行程傳感器檢測位置負向增大，超過-19.5 極限監控值而報警（圖8）。

圖7 發生“掉釘”時活塞的位置

圖8 Bit 桿前端磨損

解決辦法：更換新Bit 桿。

2.2 夾嘴閉合過緊或夾嘴不對中

因流鉆每次工藝均需要送一次釘，螺釘由送釘筒吹至夾頭，通過夾嘴夾住并保持在中心位置，方便Bit 桿認釘，實際操作發現：①如若夾頭調整過緊，即夾嘴之間沒有縫隙，送釘時釘無法撐開夾嘴彈簧，進而無法被夾嘴抱住，導致釘在夾嘴內歪斜；②長期使用后夾嘴對中的頂絲發生松動時，夾嘴中心線與Bit 桿不再同軸，導致螺釘與Bit 桿不同軸。以上2 種情況均會進而導致Bit 桿無法完全扣住螺釘，導致報警（圖9）。

圖9 夾嘴歪斜或不對中

解決辦法：重新調整夾嘴頂絲，使夾嘴對中，并保證夾嘴中間有0.4 mm 的縫隙，使用螺紋膠防止頂絲松動。

2.3 銅套磨損

銅套的作用是保持Bit 桿在驅動過程中的同軸度，長期使用后，尤其是高速旋轉時，Bit 桿相對銅套摩擦，造成銅套直徑變大，實驗發現當銅套由Φ14 mm 磨損至Φ14.2 mm 時，Bit 桿前端晃動量過大而不易扣住釘帽，造成掉釘（圖10）。

解決辦法：定期更換銅套。

圖10 銅套磨損

2.4 快換單元卡滯

快換單元的作用是方便快速更換Bit 桿，但二者之間連接后，可相對移動2 mm，即快換單元游隙（圖11）。因每次鉚接均會發生相對寸動，且高速旋轉產生的摩擦熱量，導致快換單元接頭處易生銹，進而導致鉚接時與Bit 桿相對移動卡滯，計快換單元游隙未完全閉合，造成位移傳感器超差，導致掉釘。

圖11 快換單元游隙

解決辦法：定期使用WD40 清潔銹跡并擦拭干凈

2.5 小氣缸壓力過大或大氣缸壓力過小

由原理圖可知，對于Bit 桿而言，最終作用在螺釘上的力F=大氣缸壓力F大-保持氣缸壓力F小：如果大氣缸壓力過小或保持氣缸壓力過大，就會導致Bit 桿在下壓過程中速度變慢，而未在設定時間內達到-18.5 的對應位置，導致“掉釘”。

解決辦法：適當調整大氣缸與保持氣缸的壓力。

3 Bit 桿“花桿”故障原因分析及優化方法

如果“找釘”步最后剛好卡在上限值“-19.5”而未觸發“掉釘”，此時Bit 桿實際是并未完全扣住釘帽，但系統認為“找釘”完成，進入高速旋轉加熱、刺穿、攻絲、旋入階段，即工藝的第2，3，4，5 步。此時，由于Bit 桿跟釘帽的接觸不充分，無法提供充足的扭矩，以保證對應工藝階段位移傳感器達到目標值，進而在當前步以高轉速持續旋轉超過3 s（最大單步工藝時間），巨大的摩擦熱量會導致Bit 桿前端融化，即所謂“花桿”（圖12）。

以第12 步舉例，設定轉速2200 r/min，當前步目標值為行程參數達到-1.0 mm，即代表釘帽下表面與工件間距1 mm 時，跳轉至下一步，但實際工作時，如若Bit桿因接觸不完全而無法提供足夠的扭矩驅動螺釘旋入，導致螺釘與Bit 桿之間發生相對移動，高速的摩擦發熱直接導致Bit 桿“花桿”，嚴重時甚至Bit 桿碎裂（圖13）。優化方法：通過分析工藝點的連續100 條工藝曲線（圖14）。

圖12 快換單元游隙

通過工藝曲線分析可知，在高轉速階段（②、③、④、⑤）總工藝時間1 s 左右，而工藝完成后總旋轉角度接近8000°，而分析系統旋轉總角度及時間的關系可知，每個點的最大旋轉角度及各步的最大時間基本恒定，而發生花桿時，因單步工藝時間設定過長（平均3 s），總旋轉角度超過30 000°。據此可在設備每次鉚接時，通過監控Bit 桿的總旋轉角度（10 000°）及限定最大單步時間兩方面來確保當設備異常時，使得Bit 桿不會無限旋轉，進而保證異常狀態時，可以及時停止高速旋轉以保護Bit 桿免于磨花。

圖13 快換單元游隙

圖14 工藝曲線

4 小結

隨著各類機械連接技術的發展，越來越多的汽車生產廠商引入并使用類似的流鉆設備。其在時間效益、鉚接強度、工藝可達性、消耗成本等方面都表現出優勢。通過分析流鉆工藝原理，并結合實際生產時的頻繁報錯記錄，從細節著手找到設備頻繁“掉釘”及“花桿”的故障原因，并針對性地提出注意事項及優化辦法。這一過程不僅加深了維修人員對設備的理解，大大節省了Bit 桿的消耗量，節省成本，同時還保證了設備的有效稼動率，為同類FDS 設備在類似問題處理上提供了解決問題的思路。