浅谈带有冷却装置和低成本快换接口的高精度拧紧枪

薛飞，支文骏，秦利刚

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 发明背景

缸盖三线的AF370工序是手动拧紧缸盖排气面螺栓的工位，如图1所示。按照工艺需使用高精度拧紧枪，按照24n/m的扭矩要求，拧紧4个螺栓。拧紧枪能力恰只能满足原规划40s节拍，由于产能提升至30s节拍后，该工位操作工反映，生产3h左右，该拧紧枪能力不足导致发烫，无法握上去，如停下散热，节拍将重新降至40s，如果继续强行使用，由于电机温度过高，拧紧枪会很快发生故障，甚至烧坏电机。俨然，AF370已经成为缸盖分装的瓶颈工位，如需彻底解决该问题，需要新增自动拧紧站或者增加1台相同手动拧紧工位（按照AF370设备原值约50万元），2把拧紧枪交替使用，才能避免拧紧枪过热。同时，原有拧紧枪主轴与螺栓拧紧工具的连接方式是通过拧紧枪主轴上的弹子（弹性销）实现，如图2所示，即拧紧枪主轴前部是一个凸起的方身，开有1个横向的阶梯孔，内部有阶梯轴型的弹子、弹簧、堵头等组成的弹性销结构。螺栓拧紧工具底部有1个方的凹槽，垂直凹槽的两侧开有通孔。安装螺栓拧紧工具时，先将螺栓拧紧工具的方型凹槽对准拧紧枪主轴上的方身。螺栓拧紧工具上的方型凹槽侧面的圆孔对齐螺栓拧紧枪主轴方身上横向弹子的方向，将方身插入方孔内，在螺栓拧紧工具的挤压作用下弹子被压缩，当拧紧工具上的横向孔与弹子位置对齐时，弹子在弹簧力的作用下弹出，如图3所示，插入在拧紧工具上的横向孔内，正常使用拧紧枪时，拧紧工具对弹子产生的横向剪切作用，会使弹子产生断裂。这样就需要拿回原供应商厂家更换拧紧枪主轴才能修复。同时，高精度拧紧枪还是保障螺栓扭矩的重要工具。修复后必须到有资质的第三方检测机构标定。因此修复周期长、成本高。

图1 现有技术的拧紧枪

图2 现有拧紧枪主轴与螺栓拧紧工具的连接方式剖面图

图3 现有拧紧枪主轴与螺栓拧紧工具的连接方式等轴侧图

2 现有技术中已有解决方案及弊端

2.1 现有技术中针对拧紧枪过热的解决方案及存在的缺点

（1）更换功率更大的拧紧枪，减少拧紧枪电机过载量。但该方案会增加拧紧枪的成本，同时，大功率拧紧枪体积大、重量重，会增加操作工的劳动强度。

（2）同一工位安装2把拧紧枪，待一把使用过热后立即切换另一把。但该方案会增加拧紧枪的成本。同时，不便于区分缸盖的螺栓到底是由哪一把拧紧枪拧紧的，一旦拧紧枪扭矩有问题不便于追溯。

2.2 现有技术中针对拧紧枪弹子容易断裂的解决方案存在的缺点

培训操作工轻拿轻放工具的习惯，避免敲击拧紧工具。但正常使用过程依然会产生一定的冲击，不能从根本上解决拧紧枪弹子容易断裂的技术问题。

3 发明实质内容

发明一种带有冷却装置和低成本快换接口的高精度拧紧枪（专利受理号202121523376.2），其特征为在现有技术的高精度拧紧枪基础上增加1套拧紧枪电机冷却装置和1种拧紧工具的快换连接方式。

电机冷却装置具体结构及使用过程如下：

（1）连接关系，如图4所示，件1螺栓拧紧工具通过销、橡胶圈与件10拧紧枪主轴方身连接。件2消音排气阀与件3散热器上壳体的排气口连接，消音排气阀可以减少压缩空气排放时候的噪音。件3散热器上壳体与件11散热器下壳体通过件4螺栓、螺母连接，该散热器壳体由导热性良好、密度低的铝合金制作。件5水箱盖通过螺纹与件8水箱的加水口连接。件6螺纹散热片套在拧紧枪电机外侧。件7螺纹型吸水材料包覆在件6螺纹散热片外。件7螺纹型吸水材料与件9毛细管连接，能通过毛细原理把水箱中的水吸附到件7螺纹型吸水材料上，如图5所示。

图4 等轴侧剖面图

图5 散热器各组成部分

（2）冷却系统工作过程，如图6所示，拧紧枪电机的热量传导到件6螺纹散热片表面。将压缩空气管接入件3散热器上壳体处的进气口，并通入压缩空气。件9毛细管将件8水箱中的水吸附到件7螺纹型吸水材料表面。压缩空气沿着件3散热器上壳体、件11散热器下壳体的螺旋槽流动，促使件7螺纹型吸水材料表面的冷却水快速气化，带走件6螺纹散热片表面的热量实现对拧紧枪电机降温。散热箱体上有吊环，可以与平衡器连接减轻拧紧枪的重量，也可以与协作机器人连接实现自动化的螺栓拧紧。每个班次需向散热器壳体上的水箱内注入冷却水。

图6 冷却系统工作过程图

（3）低成本的工具快换接口，如图7所示。

图7 低成本的工具快换接口工程图

拧紧枪主轴的方身上开设1个与方身面垂直的横向孔，拧紧枪的环形防护边上开有销通过孔。拧紧螺栓工具底部的方型凹槽垂直面开有圆形通孔，在拧紧螺栓工具对应弹子位置的圆柱表面开有圆弧形的环槽。该工具快换接口在更换螺栓拧紧工具时，螺栓拧紧工具的方槽套在拧紧枪方身外，销从拧紧枪的环形防护边上开设的销通过孔内插入，并连接螺栓拧紧工具和拧紧枪主轴。橡胶圈套入到螺栓拧紧工具的圆弧环形槽内，防止销从孔内脱落，如图8所示。

图8 安装有橡胶圈和无橡胶圈的螺栓拧紧工具示意图及安装在拧紧枪上的示意图

4 结语

本发明结构简单，实物图如图9所示，通过自主创新设计并制作了与拧紧枪配套的压缩空气循环散热箱，直接安装在拧紧枪上，同时，面板集成了手动开关按钮，避免了能源浪费，外观美观、使用便捷环保，散热功能已得到生产部门的高度认可。低成本的螺栓拧紧工具快换接口，大幅降低了拧紧枪的维修成本。

图9 实物图

（1）节约每年因拧紧枪过热而产生的备件费用6.8万元。

（2）提升了近10s的节拍。

（3）提高了人机工程效率，保障了操作工的安全。

（4）已将成功案例推广至AF380/390相同型号的拧紧枪上。

（5）避免产生投资新增相同拧紧工位（按照AF370设备原值约50万元）。