福特PUMA系列發動機缸蓋螺栓多軸緊固設備原理及運用

孫嘉文

摘 要：福特PUMA系列柴油發動機作為江鈴引入國產化重點項目，分別運載在經典全順、途銳歐、新時代全順、域虎5、域虎7、馭勝SUV和新凱銳等多款車型，因其技術成熟、性能穩定出眾而受廣大消費者追捧。其主要部件螺栓擰緊連接在發動機裝配制造工藝穩定中起到重要的作用。為了更好的保證產品制造穩定，在發動機缸蓋緊固方面采用多軸同時擰緊方式。文章詳細說明多軸緊固電控單元系統及原理、缸蓋緊固設備如何通過分步和角度監控來確保在PUMA系列發動機運用穩定。

關鍵詞：緊固原理;緊固工藝;緊固運用

1 引言

在制造行業蓬勃發展的今天，螺栓螺紋連接方法已廣泛運用在汽車、航天航空工業制造等多個領域，原因在于該方法可方便連接性，可拆接反復性及投入成本較低，性價比較高。怎樣通過標準化緊固方法去達到螺栓螺紋的連接穩定，是日常生產過程穩定及質量保障前提，這個前提影響面尤為廣泛、重要。多軸緊固設備通過多組多軸電控單元系統的控制，確保螺栓在擰緊過程中使得緊固終力矩能夠達到且符合準確、快速和穩定三大重要優勢，特別對于在生產工藝中的“欠力矩”、“過力矩”等過程問題，能夠提供非常精準及最佳的解決方案。

2 發動機缸蓋螺栓多軸緊固設備原理

擰緊軸應具備福特A10認證，每個擰緊軸都有一個控制模塊控制，控制模塊集成了伺服控制器、軸控制器、出入/輸出系統及內部實時PLC。控制模塊具備多種通訊方式，擁有網口和打印口，計算機，條形碼識別器等接口，具有自動采集、儲存、實時傳輸每次擰緊數據及曲線（包括不合格狀態）的功能，且數據與VIN號碼一一對應，具備控制器間程序互備份功能，具有角度控制、扭矩監視功能、扭矩控制、角度監視功能、屈服點控制功能、手動和自動控制功能。在零速時保持扭矩功能，擰緊軸達到預定扭矩后，保持這一扭矩一定時間，以消除塑性變形對扭矩的影響。具有電流控制功能，直接通過控制擰緊軸電流來監測扭矩，（開環控制）防止因傳感器突然失效引起的誤差。具有等待功能，當任一擰緊軸完成某一步擰緊步驟時，將等待其他軸完成這一步驟，然后一起開始下一步，使擰緊軸保持同步，也可以讓擰緊軸按照規定的順序和規定的間隔時間擰緊。具有全壽命免維護設計及功能，電纜熱插拔功能，內置PLC能編程一些復雜擰緊過程。擰緊機的精度壽命在正常使用下≥100萬次。每一組擰緊數據包括日期及時間，當擰緊機發生出錯或故障，將發出報警信息，同時顯示及記錄自我診斷的結果，以利于維修人員及時處理。擰緊機角度控制精度：±2度，擰緊機扭矩控制精度：±3%，每個軸均具有10種以上扭矩編程。具備斷電以后數據保存功能，帶有過電流、過壓、過溫自動保護功能（自動關閉系統并報警），參數輸入保護：如需要，可設置密碼，可進行故障自診斷，廣泛的記錄能力：記錄內容包括：發動機流水號與螺栓擰緊最終結果，扭矩值，角度值，正確/錯誤報告;并提供多種數據儲存方式;數據儲存在控制器內的閃存上，同時隨時可以通過工控機查看所有歷史記錄。

擰緊控制系統應具備功能：具有角度控制、扭矩監視功能;具有扭矩控制、角度監視功能;預留屈服點控制功能;具有SPC分析功能，可連續和自定義抽樣，可輸出打印。擰緊機扭矩精度為≤3%，角度控制精度為≤2，噪聲級別≤65dB。每根擰緊系統的能力：Cpk≥1.33，Cmk≥1.67。擰緊控制系統應具備數據儲存功能，可保存10萬件以上工件擰緊數據，如各軸扭矩值、角度值、正確/錯誤報告等數據。擰緊機從對發動機跟機單掃描開始可記憶擰緊狀態，在擰緊機報警及擰松螺栓數量異常時及未完成所有工藝設定要求的擰緊程序時可與發動機裝配線進行互鎖，以防止操作工將發動機放行至下一工位;擰緊OK時只能放行一臺發動機，未掃描跟機單則擰緊機不工作;需設置可臨時屏蔽掃描功能的切換開關。臨時屏蔽掃描功能操作工可以通過便攜式鍵盤人工輸入發動機流水號。

3 缸蓋螺栓多軸緊固設備在福特PUMA系列發動機裝配工藝中的運用

在工藝方面的要求，PUMA發動機全系列缸蓋螺栓由10個M10螺栓（1-10）和8個M8螺栓（11-18）組成，共分為6次進行擰緊，擰緊方案為分階層逐步達成力矩和力矩加角度，每次作用于4缸18個螺栓同步擰緊，具體擰緊步驟如下：

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）;

整個缸蓋擰緊過程生產節拍為45S，由于發動機底側和側面都有連帶移動固定整機托盤和縱向及橫向的固定裝置，所以在發動機缸蓋擰緊設備操作下壓，使得多軸套筒與18個螺栓完美認帽貼合過程時，加上擰緊軸內部有氣墊彈簧能夠抵住螺帽貼合，緊固系統對力矩屈服狀態和轉動角度狀態實時監控，有效監察及防止螺栓破壞性滑絲或拉伸風險，保障缸蓋螺栓在整個裝配過程的穩健性能。

在過程質量方面的要求，對于發動機缸蓋整體擰緊時，當同一發動機在擰緊工位擰緊時設備中控顯示屏中某號螺栓有紅燈閃爍，這是給予操作工的警示信號，設備將立即停止擰緊運作，托盤無法運行至下道工序，同時自動上傳階段性故障擰緊數據后，這時操作工應按反松按鈕，使得缸蓋18個螺栓同時反松。當發動機缸蓋在本工位反松完成后，缸蓋擰緊設備應重新同時擰緊所有螺栓，執行第一至第六步擰緊程序，若同一發動機在本工位缸蓋擰緊過程中連續運行發生3次紅燈閃爍故障即3次運行反松螺栓步驟，那么班組需掛白牌警示使該發動機下線進行分析故障原因。在故障機體擰緊發生故障程序后，發動機自動流入下道工序直到下線，此時，通過各轉動擰緊軸發出擰緊信號終止及監視傳感控制單元的傳輸數據，擰緊程序單元將同時上傳整個擰緊過程實施的實際情況、擰緊結果是否合格及本工位操作作業統計數，再通過串聯端口傳遞給緊固設備終端管理指揮中心，可按分析螺栓實時監控屈服曲線情況，逐一顯示最終擰緊結論，并在顯示屏中顯示：已擰緊/未擰緊、合格/不合格、合格總數、未合格總數及未合格分布，達到有效防錯功能。如故障原因解除，待發動機整機重新上線后再次擰緊缸蓋時，需更換所有螺栓才能執行原有設定程序。

發動機缸蓋緊固設備終端管理模塊中，工藝需初始上傳各步驟擰緊轉角起始扭矩、轉動角度值、標準扭矩數值和產品性能要求的一定誤差范圍值等制造工藝參數，再者需同設備一起共同參與各轉動擰緊軸的運轉轉速、防錯超差保護值、系統數據電信號和脈沖信號間隔基準時間值等設備管理器內部參數，設備將在單次運行完全后，將運行整個過程數據進行存儲，工藝或質量分析相關人員均可在單個生產班次運行完成后，通過管理模塊接收各轉動軸擰緊運行過程和最終運行監測結果的大數據中心，調出相應對質量貢獻度價值大的信息查閱和打印，可有利于分析及預防質量問題發生可疑因子。

對于指定轉動軸在擰緊過程中產生的曲線能夠充分反饋在整個擰緊過程的波形態的上、下浮動和屈服點位的狀態，可用于分析擰緊連接工件的型材情況和加工狀態。涉及質量、工藝口等相關人員還可以通過售前或售后關于缸蓋相關問題（如：沖氣缸墊、油水混合、缸蓋螺栓松動等現象問題），故障機發動機生產序列號，查出相關年、月、日及班次的生產數據和控制曲線，并基于這些數據或控制曲線借助產品質量八大控制方法或引入QC、6-Sigma等分析質量工具，應用minilab等軟件收集及計算出過程能力值（如：UCL、LCL、CP、CPK、PP、PPK等值），科學有效的解決由于生產過程中不利的因素，且能夠正確指導及避免不合格品的流入與流出。

4 結束語

發動機缸蓋多軸智能擰緊工藝方法能夠有效對人為操作類防錯、技術性物理防錯、生產線生產能效提升及工藝穩健性提供了良好的最佳解決方案。在當今發動機智能、高效生產過程中，發動機缸蓋智能緊固工藝方法在實際過程中的應用歸類于創新性案例，能夠較強的應對不同種類發動機共線生產實際，不論在整車還是發動機智能制造中具備可拓展性非常強，我們應該多多推廣該案例方案的應用。

參考文獻：

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