摘 要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽車行業(yè)飛速地發(fā)展，汽車輕量化將成為未來汽車行業(yè)的主流發(fā)展方向。汽車白車身的材料不斷更迭，高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的應(yīng)用開始對傳統(tǒng)連接技術(shù)發(fā)起挑戰(zhàn)，F(xiàn)DS等新型連接方式也應(yīng)運(yùn)而生。以生產(chǎn)中常見的FDS設(shè)備故障出發(fā)，分析故障產(chǎn)生的原因及其應(yīng)對方法，為故障的預(yù)防提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車制造；無鉚連接；油箱箍帶

FDS（Flow Drill Screw）也稱熱熔自攻絲，是通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)并在軸向壓力作用下與連接板材摩擦生熱，待板材產(chǎn)生塑性形變后自攻絲并螺接的冷成型工藝[1]。

FDS的工藝步驟如圖1所示，一般分為以下六個(gè)步驟：①定位預(yù)熱，②熱熔穿透，③錐孔成型，④螺紋成型，⑤螺釘擰入，⑥緊固落座[2]。

FDS連接的優(yōu)缺點(diǎn)

FDS作為一種新型連接工藝，相較于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊來說，在某些方面有著無可替代的優(yōu)勢。由于FDS連接形式為螺接，因此，F(xiàn)DS工藝可以實(shí)現(xiàn)包括超高強(qiáng)鋼、鋁鎂合金、復(fù)合材料在內(nèi)的異種材料的連接[3]；并且FDS無需受制于傳統(tǒng)焊接的電阻熱影響，可以輕松完成電阻焊難以實(shí)現(xiàn)的超厚板材間的連接。FDS單面進(jìn)槍的優(yōu)勢，使其可以在不開孔的情況下連接其他雙面連接無法實(shí)現(xiàn)的封閉型腔結(jié)構(gòu)；此外，F(xiàn)DS螺釘可拆卸的特點(diǎn)，使其可以方便返修[4]。

同時(shí)，任何工藝都存在自身的短板，由于單面施力，F(xiàn)DS連接點(diǎn)背面需要有高強(qiáng)度剛性支撐或需要板材自身擁有足夠的強(qiáng)度。在連接完成后，螺釘?shù)恼疵婢鶗休^大的凸起保留，在一定程度上會對車身設(shè)計(jì)及制造產(chǎn)生影響。在大量使用FDS工藝的情況下，螺釘?shù)馁|(zhì)量也會使白車身質(zhì)量增加。此外，F(xiàn)DS設(shè)備成本遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊，螺釘?shù)某杀疽哺哂诹畠r(jià)的焊點(diǎn)[5，6]。

因此，F(xiàn)DS作為一種特殊工藝可以在特定的環(huán)境中大放異彩，同時(shí)因其弊端的存在，也無法在白車身上大規(guī)模使用。

FDS在汽車車身上的應(yīng)用

FDS作為一種新型連接工藝在全鋁車身及鋼鋁混合車身上應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外如奧迪、福特、特斯拉、小鵬以及蔚來等車企均有應(yīng)用， 且主要應(yīng)用在汽車車身縱梁、橫梁等非外觀件上[7]。

FDS的設(shè)備停機(jī)成因分析

FDS連接在實(shí)際生產(chǎn)中可能遇到各種頻發(fā)問題，下文將以DEPRAG公司的FDS設(shè)備報(bào)警信息為例，并根據(jù)FDS工藝步驟劃分各個(gè)報(bào)警產(chǎn)生的階段，分析預(yù)開孔形式的FDS常見、頻發(fā)報(bào)警的原因，以提供對預(yù)開孔FDS設(shè)備報(bào)警成因的分析及優(yōu)化思路。

1.尋帽失敗

尋帽失敗是FDS最頻發(fā)的問題之一，其可能有以下三種原因：

（1）螺釘尺寸錯(cuò)誤、螺釘參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤 FDS螺釘?shù)某叽鐚っ背晒β视兄薮蟮挠绊?，因此首先需要排查螺釘?shí)際尺寸是否在圖樣公差范圍內(nèi)以及設(shè)備中輸入的螺釘參數(shù)是否與實(shí)際尺寸有出入，尤其是涉及釘帽部分的尺寸。

（2）上層零件孔偏/未預(yù)開孔 發(fā)生此報(bào)警時(shí)需要查看該點(diǎn)位上層板是否存在孔偏/漏預(yù)開孔的情況。由于刀桿在軸向旋轉(zhuǎn)尋帽的同時(shí)也在作徑向進(jìn)給運(yùn)動，在螺釘即將頂?shù)解k金件時(shí)尋帽階段結(jié)束，此間會進(jìn)行多次尋帽，若上層板孔偏或未開孔，刀桿還未到達(dá)尋帽行程終點(diǎn)時(shí)螺釘已接觸鈑金件，尋帽階段提前結(jié)束，若此時(shí)仍未尋帽完成，便會觸發(fā)報(bào)警。

（3）螺釘夾爪力不合適" 左右夾爪對螺釘?shù)膴A緊力不合適亦會導(dǎo)致此報(bào)警發(fā)生。夾緊力過大時(shí)螺釘跟隨刀桿運(yùn)動時(shí)的阻力增大，螺釘花牙更不易與刀頭花槽嚙合；夾緊力過小時(shí)，螺釘在尋帽過程中夾爪的夾持力不足以穩(wěn)定螺釘，易導(dǎo)致斜釘，導(dǎo)致尋帽失敗。

2 熱熔穿孔起始壓力不足

（1）零件剛度不足" 在定位預(yù)熱時(shí)，設(shè)備會給予零件上層板800N的預(yù)壓緊力，同時(shí)刀桿徑向進(jìn)給推動螺釘向上層板穿刺進(jìn)行熱熔穿透，穿透過程中將受到的力反饋于傳感器，當(dāng)零件剛度不足時(shí)，零件受刀桿進(jìn)給時(shí)的壓力變形，傳感器接收到的力小于設(shè)定范圍，觸發(fā)報(bào)警。

（2）夾具支撐強(qiáng)度不足" 當(dāng)夾具支撐強(qiáng)度不足時(shí)，刀桿進(jìn)給推動螺釘過程中由于夾具支撐力不足，夾具會在預(yù)壓緊力及熱熔穿透過程中產(chǎn)生的力的作用下產(chǎn)生位移，此時(shí)傳感器接收到的力亦會小于設(shè)定范圍，觸發(fā)報(bào)警。

（3）溢膠進(jìn)入鉆孔區(qū)域" FDS通常會與涂膠工藝共同實(shí)施，結(jié)構(gòu)膠由于其形成穩(wěn)固膠層后使得接頭呈現(xiàn)出高抗剪特性而被廣泛使用于白車身焊裝鈑金連接[8]。在熱熔穿透過程中，結(jié)構(gòu)膠可發(fā)揮良好的緩沖潤滑作用，降低工藝過程中的扭矩[9]。當(dāng)溢膠進(jìn)入轉(zhuǎn)孔區(qū)域時(shí)，螺釘熱熔穿透過程的阻力將極大減小，導(dǎo)致傳感器接收到的力隨之減小直至低于下限而觸發(fā)報(bào)警。

3. 攻螺紋超時(shí)

攻螺紋超時(shí)報(bào)警是由于螺紋成形階段用時(shí)超過設(shè)定時(shí)間，其時(shí)常伴有較大的異響，具體表現(xiàn)為在螺紋成型階段刀頭與釘帽無法良好嚙合，產(chǎn)生相對運(yùn)動以致滑牙。由于刀頭螺牙磨損程度較螺釘更大，因此通常情況下需及時(shí)更換滑牙的刀頭。此外，螺釘頭部斷裂也會導(dǎo)致此問題的發(fā)生，此時(shí)需排查標(biāo)準(zhǔn)件來件質(zhì)量。

4." 擰緊超扭矩上限

擰緊超扭矩上限的直接原因是在螺紋成形階段螺紋與上層鈑金件剮蹭，導(dǎo)致力矩超過攻絲設(shè)定扭矩而觸發(fā)報(bào)警。而零件孔位偏差、機(jī)器人軌跡偏移都會導(dǎo)致上層鈑金與螺紋剮蹭，因此零件預(yù)開孔孔位一致性及按時(shí)示教機(jī)器人軌跡對保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定性有著重大的意義。

5. 擰緊超時(shí)

擰緊超時(shí)報(bào)警可能存在以下兩種情況。

（1）螺釘擰入中止" 由此原因觸發(fā)的報(bào)警時(shí)，可移開FDS設(shè)備后觀察螺釘擰入情況，此時(shí)螺釘僅部分?jǐn)Q入。此報(bào)警與擰緊超扭矩上限發(fā)生原理類似，均為螺釘螺紋部分剮蹭上層鈑金所致，但兩者差異在于發(fā)生階段不同。相較擰緊超扭矩上限報(bào)警，擰緊超時(shí)一般發(fā)生在螺釘擰入步驟，此時(shí)螺釘相較預(yù)開孔位置雖有一定偏差，但仍能完成攻絲步驟，而在螺釘擰緊時(shí)由于上層板的螺紋僅存在單側(cè)，擰緊時(shí)螺釘受力不均且超過設(shè)定值而觸發(fā)報(bào)警。

（2）螺釘螺牙損壞" 螺釘螺牙損壞時(shí)，螺釘會跟隨在刀桿行程終點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，而鎖緊扭矩因滑牙而一直無法到達(dá)扭矩設(shè)定值下限，此過程將一直持續(xù)至超時(shí)，從而觸發(fā)此報(bào)警。而此報(bào)警產(chǎn)生的原因有兩點(diǎn)：一是螺釘螺紋在螺紋成型及螺釘擰入階段發(fā)生損壞；二是螺釘螺紋來件損壞，而原因一則為其要因。

6. 擰緊超限

擰緊超上/下限指的是緊固落座階段后位移傳感器反饋出螺釘?shù)奈灰瞥鲈O(shè)定范圍，即螺釘落座過頭或未落座到位。

（1）擰緊超上限" 擰緊超上限報(bào)警觸發(fā)時(shí)，螺釘已落座完成，但從外觀看螺釘未完全落座到位。此時(shí)螺釘雖然與鈑金存在一定剮蹭，但由于剮蹭量不大，使其避開了螺紋成形、螺釘擰入及緊固落座三個(gè)最可能觸發(fā)報(bào)警的階段，而在位移檢測階段被位移傳感器識別。不難發(fā)現(xiàn)，此報(bào)警根本原因依然為機(jī)器人軌跡偏移或零件孔位偏差。

（2）擰緊超下限" 擰緊超下限報(bào)警是由于螺釘在擰緊落座的過程中不斷向下位移，直至位移超差觸發(fā)報(bào)警。通過剖切報(bào)警部位，觀察到螺釘與上層板貼合，而上下鈑金存在貼合及未貼合兩種狀態(tài)。由于此報(bào)警基本出現(xiàn)在固定點(diǎn)位，結(jié)合現(xiàn)場情況，原因鎖定為夾具支撐強(qiáng)度不足及零件上下板間隙過大。而其差異在于，因夾具支撐強(qiáng)度不足而引發(fā)的報(bào)警會使上下層鈑金同時(shí)向下位移，剖切面中上下鈑金處于貼合狀態(tài)；而零件上下板間隙過大時(shí)，壓板的設(shè)定壓力無法將上下板壓貼合[10]，剖切面中上下鈑金處于未貼合狀態(tài)。

7. 檢測到負(fù)角度

負(fù)角度通常會在擰緊落座時(shí)產(chǎn)生，由于落座階段刀桿轉(zhuǎn)速由300r/min降至0，設(shè)備需在短時(shí)間內(nèi)施以反向扭矩減速，若減速的時(shí)間點(diǎn)過于接近減速終點(diǎn)，電動機(jī)將無法及時(shí)制動，導(dǎo)致刀桿反轉(zhuǎn)，引發(fā)設(shè)備報(bào)警。因此因先排查減速切換點(diǎn)是否設(shè)置過于靠后，可適當(dāng)調(diào)整切換點(diǎn)至70%～80%進(jìn)行驗(yàn)證。此外，若落座階段刀桿扭矩過大也會導(dǎo)致減速時(shí)需要一個(gè)更大的扭矩，此時(shí)，可拆卸該處螺釘查看螺釘是否與預(yù)開孔蹭邊，同時(shí)排查蹭邊原因。

報(bào)警優(yōu)化

根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，當(dāng)月停機(jī)時(shí)間共計(jì)706min，由螺釘與上層板剮蹭因素導(dǎo)致的報(bào)警占報(bào)警總數(shù)的72.77%，螺釘?shù)膭幉漕l次與報(bào)警次數(shù)具有高度正相關(guān)性。由此結(jié)論進(jìn)行針對性改善，通過提高機(jī)器人示教次數(shù)，并結(jié)合調(diào)試需求開發(fā)出FDS對正裝置[11]提升示教時(shí)螺釘與上層板預(yù)開孔對中精度，減少了剮蹭的發(fā)生頻次。改善后，當(dāng)月報(bào)警停機(jī)時(shí)間降至337min，相較改善前降低52.27%。另一方面，由于提高了示教頻次，改善當(dāng)月機(jī)器人示教停機(jī)時(shí)間增加106min，最終整體故障停機(jī)時(shí)間443min，相較改善前降低37.25%，見表1。

結(jié)語

在各項(xiàng)參數(shù)固化后，F(xiàn)DS設(shè)備報(bào)警主要產(chǎn)生原因?yàn)槁葆斉c上層板剮蹭，通過提高機(jī)器人示教頻次可有效降低停機(jī)時(shí)間；而繼續(xù)提高機(jī)器人示教頻次可進(jìn)一步減少報(bào)警停機(jī)時(shí)間，但由示教時(shí)間增加而引發(fā)的停機(jī)時(shí)間亦會同步上升，需根據(jù)各現(xiàn)場報(bào)警停機(jī)時(shí)間及示教停機(jī)時(shí)間進(jìn)行動態(tài)的平衡取舍，以達(dá)到降低整體停線時(shí)間的目的。

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