传统电子扭矩扳手的推陈出新及其在汽车生产中的应用

    通过有针对性的技术改进和增加产品科技含量，传统电子扭矩扳手的功能得到了很大的提升与拓展，不但更适合现场装配作业，而且能显著提高螺纹连接的装配质量和工作效率。本文通过对几类新一代产品的介绍与剖析，表明扭矩扳手这一传统手工操作工具经过技术上的推陈出新后，依然能在现代汽车制造业中发挥积极作用。

    1 前言

    扭矩扳手用于机械装配已有较长历史，它对控制螺纹副的连接质量，尤其是批量生产的装配作业发挥了很大作用。不可否认，近一二十年来，由于各种气动扳手，尤其是高精度电动拧紧枪的不断发展和推广应用，扭矩扳手的使用覆盖面已有所减小（如在轿车动力总成等装配领域）。但是，扭矩扳手鲜明的技术特点，决定了它们在制造业，特别是汽车制造业中的存在价值。以分别位于北京和上海、不久前刚投入批量生产的两个中、高档轿车生产厂为例，在他们才上市就大受消费者青睐的轿车总装线上，扭矩扳手占了装配拧紧工具的很大比例，包括在一些比较重要的连接部位装配中使用。
    近年来，随着新技术的不断引入，扭矩扳手（尤其是电子扭矩扳手）的功能得到了很大提升和拓展，对螺纹连接装配质量和工作效率的提高起了很大促进作用。

    2 新一代电子定值扭矩扳手

    扭矩扳手兼具拧紧工具和检测器具的双重特性，在完成装配工作的同时，还将拧紧扭矩控制在规定范围内。在扭矩扳手的众多品种中，大批量生产行业（如汽车、摩托车、空调等）的装配工位应用最多的是定值式（又名“预置式”）扭矩扳手。这是一种人们已相当熟悉的工具，其结构较简单，扭矩的产生和改变主要通过调整扭矩弹簧实现，预置的扭矩值必须由专人将扳手放入相关仪器才能调出。操作时，手持扳手沿顺时针方向对连接螺栓施加一个平稳的旋转力矩，此时扭矩扳手内部会产生一个逆时针方向的旋转力矩，从而引起包括扭矩弹簧在内的有关部件的位移。当扳手转到某一状态时，会听到“咔哒”的机械响声，表明已达到设定的装配扭矩值。
    此类扳手具有结构紧凑、操作简便直观、经久耐用等优点，扭矩控制精度也较高（可达到±4%），能够满足装配质量要求。但有一个显著缺点，就是对操作者有较高要求，整个拧紧过程必须十分平稳，在即将达到设定扭矩值时，如用力过猛，将产生很大的误差。在一典型实例中，装配扭矩设定值为17.5Nm，控制范围为±3.5Nm。由于拧紧时用力太猛，最终产生的装配扭矩达到23Nm，已大大超差。当达到设定值（17.5Nm）、扳手发出“咔哒”声时，因机械作用，扳手内的反力矩会有一个跌落，但因施力过猛，扭矩值很快回升，并超过额定上限值21Nm。
    新一代电子定值扭矩扳手仍采用传统产品纯机械结构的工作原理，但由于增加了成熟的扭力轴/电阻应变传感器和信号控制环节，可彻底消除原有定值扳手的技术缺陷。需要指出，这种新产品仍然保留了传统定值扳手的主要特点，即当拧紧扭矩达到额定值时会发出“咔哒”声，因此国外仍将该产品称为“clicking torque wrench”。但是，电子扳手已无需利用仪器进行预置值的设定和相应调整。
    在扳手杆部的黑色底版上嵌有3个醒目的LED（发光二极管），其开始闪烁的时间与扳手达到的扭矩值相对应，也能预先设置。具体规定如下：
    （1）操作者手持扳手进行拧紧操作时，当产生的装配扭矩达到设定值下限的50%时（相当于7Nm），中间的黄色LCD开始闪烁，提示工人要更平缓地施加力矩，不可用力过猛。
    （2）当装配扭矩达到设定值的下限（14Nm）时，黄灯停止闪烁，右边的绿灯点亮，此后操作者只需稍加施力，即可听到扳手发出“喀哒”声，表示拧紧力矩达到设定值。
    （3）如工人因精力不够集中等原因或用力过猛，拧紧力矩超过了设定值的上限（21Nm），或尚未达到下限值14Nm就停止拧紧，都会引起左侧红灯点亮，表明此处装配扭矩不合格，需返工处理。
    利用无线通讯技术，新型电子定值扭矩扳手还能将实际拧紧扭矩值发送到一个工作站。中间的模块用于显示和编程；左侧模块是一适配器，可将存储数据通过RS232接口输出；右侧的三色灯柱自上而下分别为红色、黄色和绿色，与扭矩扳手上3个LCD灯泡相对应。工作站居中模块的顶视图，其显示状态设定扭矩值为17.5Nm，而实际拧紧值达到23Nm；显示屏周围的按钮用于编程和设置。藉此，这种定值扳手已无需预先用高精度仪器设定额定值。该工作站一次可存储2000组数据（可根据用户需要进行扩展），并在输出、刷新后继续下一轮工作。
    由此可见，电子定值扭矩扳手增加了无线通讯功能后，不仅能快速、准确、方便地执行螺纹副连接装配作业，而且可由定性质量控制升级为定量控制，乃至可对记录数据做进一步分析。工作站的作用距离可达15m，每个工作站能同时监控5把扳手，根据不同用户的需要，它既可放置在装配工位附近，为操作者提供更清晰的提示，也可放置在较远的固定位置，供现场质检人员或生产线管理人员实时监控装配工序的运行。这种扳手的控制精度比纯机械式定值扭矩扳手更高，可达±1%。

    3 电子扭矩扳手的功能拓展

    扭矩扳手作为一种简便、高效的工具，其主要用途是执行生产线上的装配作业。另一方面，对已经装配完毕的螺纹副连接进行拧紧扭矩检验，以判别其装配质量，也是一项重要且经常实施的操作。此时就需要使用读数式（也称“指示型”）扭矩扳手。此类扳手品种较多，大致可分为机械指示和电子数显两大类，随着电子、传感技术的普及应用，后者在企业中的应用比例正在增大，出现了各种具有拓展用途的新颖产品。

    （1）快捷式电子扭矩扳手
    普通电子扭矩扳手虽有较高精度，并能在操作时即时显示拧紧扭矩值，但由于操作者不易看清不断变化的显示值，因此难以准确把握停止时机。加上价格偏高等因素，使其推广应用受到一定限制。
    如今，与新一代电子定值扭矩扳手并行开发了适用于装配工序的快捷式电子扭矩扳手，实现了对传统产品的技术突破。这种新型扳手外型短小（与定值扳手类似），控制面简单，只有“0”和以箭头表示的“上”、“下”三个按钮、两个LCD指示灯和一个显示框。利用“0”和“上”、“下”按钮，可在显示框中设置装配扭矩额定值的上、下限（设定值分别为14Nm和21Nm），整个设置过程非常简单。实施装配作业时，当拧紧扭矩逐渐增大，达到设定值的下限时，扳手控制面上的绿色LCD灯泡点亮，同时蜂鸣器发出一声鸣叫。此时操作者立即停止施力，即可确保装配扭矩处于合格范围。只有在操作不当、用力过猛或注意力不集中时，拧紧扭矩才可能超过合格区域。当超出设定值上限时，蜂鸣器会发出三声鸣叫，同时控制面上的LCD红色灯泡点亮，表明此时的装配扭矩已超差。
    扳手控制面上的显示框显示峰值扭矩，当完成一次检测后，用“0”按钮清零，然后开始下一次操作。
    快捷式电子扭矩扳手有2～100Nm、20～200Nm二种规格，检测精度均为±4%，符合DIN EN ISO 6789标准要求。与普通电子扳手相比，经“瘦身”的快捷式扳手价格较低，是一种专用于装配生产线的高效工具，特别适合在多品种、中小批量生产场合使用。

    （2）具有转角检测功能的电子扭矩扳手
    具有角度检测功能的电子扭矩扳手是一种精度高、功能丰富、适合生产现场装配工序的新型工具。众所周知，采用转角－扭矩法拧紧工艺的通常是比较重要的螺纹副连接，企业装配时往往使用内置高精度扭矩传感器的电子拧紧枪。与这种自动或半自动装配手段相比，扭矩扳手虽是手工操作，但投入低，而且更灵活方便，精度也并不逊色于电动拧紧枪。此类电子扳手的扭矩控制精度达到±1%，角度控制精度为±5°，4种规格的产品可覆盖2～800Nm的量程范围。
    按钮用于对拧紧过程进行编程、设置，指示灯提示不同的状态，显示框不但可显示扭矩值，还能显示转角值和时间，以及在编程中涉及的工作参数名。在执行转角法拧紧工艺时，需要设定的参数主要包括：
    ①起始扭矩（DFF）：扳手先拧紧至起始扭矩，继续扳紧时才开始进行角度测量。例如，一般装配工艺可标注成60Nm+（90°±15°）的形式，此处的60Nm即为起始扭矩（DFF）。
    ②转角允许下限（DLO）：上例中为：90°-15°=75°。当扳手回转至该角度时已进入合格范围。
    ③转角允许上限（DHI）：上例中为：90°+15°=105°。当扳手回转至该角度时即达到合格范围边缘，继续拧紧将会超差。尽管在转角法装配中，控制拧紧过程的参数是转角，但实际上转角与扭矩之间还是存在一定“正变”关系，为了更有效、可靠地控制装配过程，除了必须设置转角的上、下限外，无论对于电动拧紧枪还是具有转角测量功能的电子扭矩扳手，都设置了另外两项控制限（称为“扭矩监控窗口”），即扭矩监控下限（LO）（一般规定LO至少应比DFF大2Nm）和扭矩监控上限（HI）。
    根据扳手拧紧时装配扭矩的实时状态，扳手控制面上的2个LED指示灯结合蜂鸣器，能发出清晰的警示。具体方式为：
    ①当扳手产生的拧紧扭矩或此时的转角二者之一达到设定值DFF或DLO时，绿色指示灯开始闪烁。必须指出，在绝大多数情况下，总是先达到DFF，只有在所装配的螺纹连接不合格时才会出现后一种情况。
    ②当拧紧扭矩和相应的转角先后达到和越过DFF、DLO时，绿色指示灯停止闪烁，持续点亮。此时蜂鸣器发出一声提示鸣叫。
    ③当拧紧扭矩和相应的转角二者之一达到设定的上限值DHI或HI时，红色指示灯开始闪烁。必须指出，在绝大多数情况下，总是先达到DHI，只有在所装配的螺纹连接不合格时才会出现后一种情况。
    ④当拧紧扭矩和相应的转角先后达到和越过DHI、HI时，红色指示灯将持续点亮，蜂鸣器将连续发出5声短促的鸣叫，表明此时的状态已不合格。
    这种新型扳手的另一项重要功能是能通过“宏编程”，一次在同一扳手上设置、存储多达50个不同螺纹副连接的扭矩、转角控制限，并分别命名为“step n”（n=1，2，3，…）。进行拧紧装配时，可按“顺序操作”方式，从“step 1”直至设置的某一步；也可根据实际需要任意选取某一步（如“step 3”）后执行相应的拧紧操作。当然，在这之前需进行简单的“选择”设定。由于具备了这种功能，此类扳手不仅适用于单品种、大批量生产的装配工序，也适用于多品种、小批量生产方式，从而大大提升了其应用价值。
    此外，具有转角检测功能的电子扭矩扳手同样也具备无线通讯、线外设置和存储等功能，可在不同模式下工作。

    （3）电子扭矩扳手的多用途应用
    功能拓展后的电子扭矩扳手除了能在生产线装配工序中发挥积极作用外，还能对已完成装配的螺纹连接进行拧紧扭矩测试。此类测试主要有以下几种情况：
    ①通过对螺纹连接的测试，判别装配质量。不少汽车制造厂都明确规定，班组长或专职检验员需手持读数式扭矩扳手对装配完毕的螺纹连接的拧紧扭矩进行抽检或全检。如本文前言中提到的两个刚建成的轿车总装线，就严格执行了这一程序。
    ②对于采用扭矩/转角法的装配工序（无论使用电动拧紧枪还是电子扭矩扳手），为了确定装配监控窗口的上下限或装配部位常规抽检的控制限，都需要首先连续检测一批工件（一般n≥100），再对测量结果进行数据处理。因此，无论是前期检测还是以后的日常操作，都离不开电子扭矩扳手。
    ③在产品Audit过程中，利用扭矩扳手对重要螺纹副连接进行检查是企业一项不可或缺的作业。所谓“产品Audit”，是企业或部门对自己的终端产品（如整车、发动机、变速箱等）所执行的规范试验或检查的一套流程，一般按每班若干台的方式进行。
    以上介绍的具有转角检测功能的电子扭矩扳手具有两种工作模式，当用于测试拧紧扭矩时，可选择单一的“扭矩”模式，其操作时的性能均相同。由于用同一把扳手即可执行多项不同性质的操作，因此具有较高的性价比。此外，还有一类产品，除了不具备转角检测功能外，其外形及其他功能均与图5所示产品完全相同，但成本大幅降低，此类电子扭矩扳手更适合履行检测职能，而它们具备的诸如“宏编程”等功能，同样可对提高操作效能、减少劳动强度和出错率发挥重要作用。尤其是此类产品规范、完整而灵活的数据存储、输出和打印功能，可为实施严谨的检测提供便利，因为除了拧紧扭矩测试值外，还可提供很多相关信息，如日期、时间、被测量代码、上下控制限、工作性质代码（如生产线、总成等）、结果判别和其他。最终的输出结果呈表格状，每一次测试结果对应一行，表述清晰、完整。
    综上所述，尽管扭矩扳手作为一种专业性较强的传统手动工具，其部分职能已被各种半自动、自动拧紧工具所替代，但随着新技术的注入，以及企业（尤其在汽车制造业）生产模式逐渐向超多品种、中小批量及精益生产方式转变，新一代高性能电子扭矩扳手仍然具有旺盛的生命力。