小批量組裝螺釘組件工裝的設計和應用

王克明，鄭 濤，王 康，屈 文，孫 虎

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川綿陽 621000）

目前，市場上研發的批量螺釘組裝機存在體積龐大、結構復雜、能耗高、不易維修、噪聲污染嚴重等問題，無法滿足多種型號螺釘組裝需求。而小批量組裝螺釘組件工裝的設計和應用，可以有效地解決以上問題，該裝置無需用電控制，僅僅采用簡單人工操作，就可以實現200多個標準螺釘、平墊圈和彈墊圈的小批量組合，極大地提高了螺釘組裝效率和效果。

1 工裝設計

1.1 工裝結構設計

工裝結構主要是由螺釘層、彈墊層和平墊層3個結構組成，可以直接排列螺釘、平墊圈和彈墊圈。通過設計以上3部分結構，可以精確定位和組合200多個標準螺釘、平墊圈和彈墊圈。

1.1.1 螺釘層結構

螺釘底板和螺釘托板組合剖視圖如圖1所示。從圖1中可以看出，在沒有墊片的情況下，螺釘底板和托板之間緊密貼近，兩者間距為0，圓形凸臺可以直接塞入通孔中，所形成的盲孔深度通常達到4 mm，以保證螺釘陣列設計效果。此外，將兩個臺面分別安裝到螺釘底板頂面左右兩角，并將彈簧套在4個連接柱上，在不使用墊片的情況下，可以借助彈力，將螺釘底板壓向靠近螺釘托板的位置，確保兩者之間緊密相貼，同時，還要將4個腿安裝和固定到螺釘底部4個角的位置。

圖1 螺釘底板和螺釘托板組合剖視

1.1.2 彈墊層結構

工裝彈墊層結構主要是由彈墊定位板、彈墊抽板和彈墊支撐板3個部分組成。彈墊支撐板主要位于最下面位置，其長度、寬度、高度分別為222 mm、177 mm、1 mm，該支撐板的表面陣列100 個通孔，通孔直徑為4.7 mm。彈墊定位板主要位于最上方，其尺寸與彈墊支撐板主尺寸相同，該定位板表面同樣陣列100個通道，通道直徑為4.4 mm。彈墊抽板位于中間，其設計內容與彈墊支撐板類似。

1.1.3 平墊層結構

平墊層設計原理與彈墊層極其類似，平墊層主要是由3層不銹鋼板組成。以彈墊層設計相比，其不同點是將100個通孔放置到平墊定位板與平墊支撐板表面上，該通孔直徑為5.2 mm。另外，將平墊定位板厚度設置為0.6 mm，在此基礎上，還要將小圓孔C和大圓孔螺釘分別設置到開孔槽位置處，同時，平墊圈的外徑須大于小圓孔C直徑，彈簧圈的外徑須小于大圓孔D直徑。平墊抽板俯視圖及局部放大示意圖如圖2所示。

圖2 平墊抽板俯視圖及局部

1.2 工裝關鍵工藝設計

1.2.1 尺寸設計和加工精度

在設置平墊、彈墊定位板圓孔直徑時，必須與平墊圈和彈墊圈外徑保持一致，以確保平墊圈和彈墊圈定位的精確度，同時，還要確保平墊圈和彈墊圈與螺釘位置共用一個軸心，確保它們能夠順利有效地塞入螺桿。在進行公差加工時，要做好對正公差的調整和控制，加工公差精度應控制在0.06～0.1 mm，確保墊圈可以順利有效地塞入圓孔。

1.2.2 多規格螺釘批量組裝

通過科學地調整和控制本工裝關鍵尺寸，可以確保其更好地滿足多種型號盤頭螺釘、平墊圈和彈墊圈組裝需求。文章以“M3標準型盤頭螺釘、平墊圈和彈墊圈”為案例。通過組合螺釘、平墊和彈墊，可以實現對本工裝結構件尺寸的有效改變和控制。此外，本工裝結構設計，主要用到不銹鋼材料和鋁合金材料，通過運用機加工方式，可以保證其加工水平。

2 工裝應用

2.1 螺釘組件工裝應用方法

該工裝在具體應用時，需要依次借助螺釘層、平墊層和彈墊層3部分結構，精確定位和排列螺釘、平墊圈和彈墊圈位置，這3部分結構的定位與排列并無特定的順序，可以依次完成，也可以同時完成。

以“M2.5型工裝”為案例，在進行排列螺釘期間，首先，要將多余的M2.5型標準螺釘均勻地置于螺釘層陣列孔表面，然后，采用手持螺釘層的方式，沿著水平方向，對螺釘層進行振動，振動時間控制為6s左右，確保沒有參與陣列的螺釘被全部拋出。在螺帽重心作用下，螺釘會進入盲孔，確保所有盲孔均設置相應陣列，使整個陣列成功率達到100%。

在定位和排列平墊圈與彈墊圈時，首先，要將多余的M2.5型標準墊圈或者彈墊圈均勻地置于彈墊或者平墊定位板表面，然后，采用手持彈墊層或者平墊層的方式，沿著水平方向，對其進行振動，振動時間控制為7s 左右，再使用毛刷，將多余的平墊圈或者彈墊圈全部掃除。此時，彈墊層或平墊層已100%成功排列完畢。同時，要根據平墊圈和彈墊圈厚度，調整和控制彈墊或者平墊定位板厚度，確保由于彈墊或者平墊定位板圓孔中僅塞進一個平墊圈或者彈墊圈。

當以上3部分結構均完成螺釘組件陣列處理后，就進入了組合環節。

（1）需要將陣列好的彈墊層4個定位孔與螺釘層4個定位柱對準，并將這些定位柱依次套入置于螺釘托盤。

（2）將100個螺釘、螺桿分別穿過彈墊圈孔、小圓孔確保彈墊圈孔內塞入相應的彈墊圈。

（3）使用雙手緊緊握住彈墊抽板的把手位置，向外拉出一部分的彈墊抽板，然后取走彈墊層。穿平墊圈的工序與彈墊圈相同，當穿平墊圈和彈墊圈工序結束后，說明螺釘組件組裝完成。

2.2 工裝應用效果

目前，本工裝被廣泛應用和推廣于多種小批量產品裝配中，通過對其進行計量測試，顯著提升本工裝裝配效率。在進行工程實測期間，發現組裝100個螺釘組件所用時間為157 s，經過計算發現，螺釘裝配速度達到1.57 s/個。但在純手工裝配模式下，單個螺釘裝配花費時間為11 s，該數值幅度波動較大，這主要依賴于操作人員的熟練程度和專注程度等多種不可控因素。與手動螺釘組裝模式相比，采用本工裝組裝螺釘效率提升幅度計算公式如下：

從式（1）中可以看出，采用本工裝組裝螺釘效率提升約600%，約為手動組裝效率的7倍多，這說明本工裝設計和應用，可以最大限度地提高小批量組裝螺釘效率和裝配質量。

此外，為保證文章中工裝應用效果，通常還使用一種軟態合金的過盈螺釘擰緊裝置。該裝置主要由螺套、一字旋具、半圓錐環3個部分組成。過盈螺釘擰緊裝置組成如圖3（d）所示。

圖3 過盈螺釘擰緊裝置組成

由于文章中所述的螺釘均為過盈螺釘，存在裝配力矩大，螺釘易變性的情況，如圖4所示。螺釘變形后會造成螺釘頭外徑變大，以M4圓柱頭螺釘為例，6 mm 的圓柱段外徑會增大到0.05～0.15。螺釘頭部的不規則變形會造成安裝位置不準確。

圖4 過盈螺釘變形情況

為解決上述問題，保證裝置運用效果，過盈螺釘裝配時均使用該擰緊裝置。本裝置對螺釘頭圓柱面產生壓力，控制圓柱螺釘頭的變形，其次通過半扣錐環和圓柱面的壓力產生的靜摩擦力對過盈螺釘旋緊產生輔助作用。柱面的靜摩擦力可以讓本有8 N.m 的擰緊扭矩力分擔在圓柱面上。從而讓作用在一字槽的變小從而讓圓柱頭的螺釘變形更小。在螺套和一字旋具相互旋緊時，半扣錐環和對螺釘柱面產生的壓力大小決定于擰緊螺套和一字旋具的擰緊扭矩。

（1）將擰緊力設置為10 N，同時確定錐度和螺紋導程。而錐度越小夾緊力越大，當夾緊力過大時，會增加螺紋取出難度。螺套內螺紋配合一字旋具的外螺紋產生的軸向力，并借助螺套的錐面和半扣錐環的錐度，可以計算出徑向壓力。以上計算過程通常用到如圖5所示的仿真模型。

圖5 仿真模型

（2）在擰入合金鋼時，按照國標過盈螺釘裝配扭矩為8 N.m，選用一字頭螺絲，讓螺釘產生變形，從外觀上看可以增大張口圓柱頭外徑，并保證圓柱頭螺釘外徑變形不能超過0.02 nm。

3 結束語

綜上所述，文章設計了一種小批量組裝螺釘組件工裝，本工裝具有結構簡單、操作便捷、易維護、成本低等特點，僅僅采用簡單人工操作，可以一次性高效率、高標準地裝配小批量螺釘組件。本工裝在具體應用時，可以對螺釘層、彈墊層圓孔直徑、厚度等尺寸進行實時改變和控制，完全符合不同尺寸螺釘組件組裝需求。與手工組合模式相比，本工裝的運用可以顯著提升螺釘配件效率，使其效率提高600%。