發布日期：2022-04-22 點擊率：170
通過有針對性的技術改進和增加產品科技含量，傳統電子扭矩扳手的功能得到了很大的提升與拓展，不但更適合現場裝配作業，而且能顯著提高螺紋連接的裝配質量和工作效率。本文通過對幾類新一代產品的介紹與剖析，表明扭矩扳手這一傳統手工操作工具經過技術上的推陳出新后，依然能在現代汽車制造業中發揮積極作用。
1 前言
扭矩扳手用于機械裝配已有較長歷史，它對控制螺紋副的連接質量，尤其是批量生產的裝配作業發揮了很大作用。不可否認，近一二十年來，由于各種氣動扳手，尤其是高精度電動擰緊槍的不斷發展和推廣應用，扭矩扳手的使用覆蓋面已有所減小（如在轎車動力總成等裝配領域）。但是，扭矩扳手鮮明的技術特點，決定了它們在制造業，特別是汽車制造業中的存在價值。以分別位于北京和上海、不久前剛投入批量生產的兩個中、高檔轎車生產廠為例，在他們才上市就大受消費者青睞的轎車總裝線上，扭矩扳手占了裝配擰緊工具的很大比例，包括在一些比較重要的連接部位裝配中使用。
近年來，隨著新技術的不斷引入，扭矩扳手（尤其是電子扭矩扳手）的功能得到了很大提升和拓展，對螺紋連接裝配質量和工作效率的提高起了很大促進作用。
2 新一代電子定值扭矩扳手
扭矩扳手兼具擰緊工具和檢測器具的雙重特性，在完成裝配工作的同時，還將擰緊扭矩控制在規定范圍內。在扭矩扳手的眾多品種中，大批量生產行業（如汽車、摩托車、空調等）的裝配工位應用最多的是定值式（又名“預置式”）扭矩扳手。這是一種人們已相當熟悉的工具，其結構較簡單，扭矩的產生和改變主要通過調整扭矩彈簧實現，預置的扭矩值必須由專人將扳手放入相關儀器才能調出。操作時，手持扳手沿順時針方向對連接螺栓施加一個平穩的旋轉力矩，此時扭矩扳手內部會產生一個逆時針方向的旋轉力矩，從而引起包括扭矩彈簧在內的有關部件的位移。當扳手轉到某一狀態時，會聽到“咔噠”的機械響聲，表明已達到設定的裝配扭矩值。
此類扳手具有結構緊湊、操作簡便直觀、經久耐用等優點，扭矩控制精度也較高（可達到±4%），能夠滿足裝配質量要求。但有一個顯著缺點，就是對操作者有較高要求，整個擰緊過程必須十分平穩，在即將達到設定扭矩值時，如用力過猛，將產生很大的誤差。在一典型實例中，裝配扭矩設定值為17.5Nm，控制范圍為±3.5Nm。由于擰緊時用力太猛，最終產生的裝配扭矩達到23Nm，已大大超差。從圖中可見，當達到設定值（17.5Nm）、扳手發出“咔噠”聲時，因機械作用，扳手內的反力矩會有一個跌落，但因施力過猛，扭矩值很快回升，并超過額定上限值21Nm。
新一代電子定值扭矩扳手仍采用傳統產品純機械結構的工作原理，但由于增加了成熟的扭力軸/電阻應變傳感器和信號控制環節，可徹底消除原有定值扳手的技術缺陷。需要指出，這種新產品仍然保留了傳統定值扳手的主要特點，即當擰緊扭矩達到額定值時會發出“咔噠”聲，因此國外仍將該產品稱為“clicking torque wrench”。但是，電子扳手已無需利用儀器進行預置值的設定和相應調整。
在扳手桿部的黑色底版上嵌有3個醒目的LED（發光二極管），其開始閃爍的時間與扳手達到的扭矩值相對應，也能預先設置。具體規定如下：
（1）操作者手持扳手進行擰緊操作時，當產生的裝配扭矩達到設定值下限的50%時（相當于7Nm），中間的黃色LCD開始閃爍，提示工人要更平緩地施加力矩，不可用力過猛。
（2）當裝配扭矩達到設定值的下限（14Nm）時，黃燈停止閃爍，右邊的綠燈點亮，此后操作者只需稍加施力，即可聽到扳手發出“喀噠”聲，表示擰緊力矩達到設定值。
（3）如工人因精力不夠集中等原因或用力過猛，擰緊力矩超過了設定值的上限（21Nm），或尚未達到下限值14Nm就停止擰緊，都會引起左側紅燈點亮，表明此處裝配扭矩不合格，需返工處理。
利用無線通訊技術，新型電子定值扭矩扳手還能將實際擰緊扭矩值發送到一個工作站。中間的模塊用于顯示和編程；左側模塊是一適配器，可將存儲數據通過RS232接口輸出；右側的三色燈柱自上而下分別為紅色、黃色和綠色，與扭矩扳手上3個LCD燈泡相對應。圖3b是工作站居中模塊的頂視圖，其顯示狀態設定扭矩值為17.5Nm，而實際擰緊值達到23Nm；顯示屏周圍的按鈕用于編程和設置。藉此，這種定值扳手已無需預先用高精度儀器設定額定值。該工作站一次可存儲2000組數據（可根據用戶需要進行擴展），并在輸出、刷新后繼續下一輪工作。
由此可見，電子定值扭矩扳手增加了無線通訊功能后，不僅能快速、準確、方便地執行螺紋副連接裝配作業，而且可由定性質量控制升級為定量控制，乃至可對記錄數據做進一步分析。工作站的作用距離可達15m，每個工作站能同時監控5把扳手，根據不同用戶的需要，它既可放置在裝配工位附近，為操作者提供更清晰的提示，也可放置在較遠的固定位置，供現場質檢人員或生產線管理人員實時監控裝配工序的運行。這種扳手的控制精度比純機械式定值扭矩扳手更高，可達±1%。
3 電子扭矩扳手的功能拓展
扭矩扳手作為一種簡便、高效的工具，其主要用途是執行生產線上的裝配作業。另一方面，對已經裝配完畢的螺紋副連接進行擰緊扭矩檢驗，以判別其裝配質量，也是一項重要且經常實施的操作。此時就需要使用讀數式（也稱“指示型”）扭矩扳手。此類扳手品種較多，大致可分為機械指示和電子數顯兩大類，隨著電子、傳感技術的普及應用，后者在企業中的應用比例正在增大，出現了各種具有拓展用途的新穎產品。
（1）快捷式電子扭矩扳手
普通電子扭矩扳手雖有較高精度，并能在操作時即時顯示擰緊扭矩值，但由于操作者不易看清不斷變化的顯示值，因此難以準確把握停止時機。加上價格偏高等因素，使其推廣應用受到一定限制。
如今，與新一代電子定值扭矩扳手并行開發了適用于裝配工序的快捷式電子扭矩扳手，實現了對傳統產品的技術突破。這種新型扳手外型短小（與定值扳手類似），控制面簡單，只有“0”和以箭頭表示的“上”、“下”三個按鈕、兩個LCD指示燈和一個顯示框。利用“0”和“上”、“下”按鈕，可在顯示框中設置裝配扭矩額定值的上、下限（設定值分別為14Nm和21Nm），整個設置過程非常簡單。實施裝配作業時，當擰緊扭矩逐漸增大，達到設定值的下限時，扳手控制面上的綠色LCD燈泡點亮，同時蜂鳴器發出一聲鳴叫。此時操作者立即停止施力，即可確保裝配扭矩處于合格范圍。只有在操作不當、用力過猛或注意力不集中時，擰緊扭矩才可能超過合格區域。當超出設定值上限時，蜂鳴器會發出三聲鳴叫，同時控制面上的LCD紅色燈泡點亮，表明此時的裝配扭矩已超差。
扳手控制面上的顯示框顯示峰值扭矩，當完成一次檢測后，用“0”按鈕清零，然后開始下一次操作。
快捷式電子扭矩扳手有2～100Nm、20～200Nm二種規格，檢測精度均為±4%，符合DIN EN ISO 6789標準要求。與普通電子扳手相比，經“瘦身”的快捷式扳手價格較低，是一種專用于裝配生產線的高效工具，特別適合在多品種、中小批量生產場合使用。
（2）具有轉角檢測功能的電子扭矩扳手
具有角度檢測功能的電子扭矩扳手是一種精度高、功能豐富、適合生產現場裝配工序的新型工具。眾所周知，采用轉角－扭矩法擰緊工藝的通常是比較重要的螺紋副連接，企業裝配時往往使用內置高精度扭矩傳感器的電子擰緊槍。與這種自動或半自動裝配手段相比，扭矩扳手雖是手工操作，但投入低，而且更靈活方便，精度也并不遜色于電動擰緊槍。此類電子扳手的扭矩控制精度達到±1%，角度控制精度為±5°，4種規格的產品可覆蓋2～800Nm的量程范圍。
按鈕用于對擰緊過程進行編程、設置，指示燈提示不同的狀態，顯示框不但可顯示扭矩值，還能顯示轉角值和時間，以及在編程中涉及的工作參數名。在執行轉角法擰緊工藝時，需要設定的參數主要包括：
①起始扭矩（DFF）：扳手先擰緊至起始扭矩，繼續扳緊時才開始進行角度測量。例如，一般裝配工藝可標注成60Nm+（90°±15°）的形式，此處的60Nm即為起始扭矩（DFF）。
②轉角允許下限（DLO）：上例中為：90°-15°=75°。當扳手回轉至該角度時已進入合格范圍。
③轉角允許上限（DHI）：上例中為：90°+15°=105°。當扳手回轉至該角度時即達到合格范圍邊緣，繼續擰緊將會超差。盡管在轉角法裝配中，控制擰緊過程的參數是轉角，但實際上轉角與扭矩之間還是存在一定“正變”關系，為了更有效、可靠地控制裝配過程，除了必須設置轉角的上、下限外，無論對于電動擰緊槍還是具有轉角測量功能的電子扭矩扳手，都設置了另外兩項控制限（稱為“扭矩監控窗口”），即扭矩監控下限（LO）（一般規定LO至少應比DFF大2Nm）和扭矩監控上限（HI）。
根據扳手擰緊時裝配扭矩的實時狀態，扳手控制面上的2個LED指示燈結合蜂鳴器，能發出清晰的警示。具體方式為：
①當扳手產生的擰緊扭矩或此時的轉角二者之一達到設定值DFF或DLO時，綠色指示燈開始閃爍。必須指出，在絕大多數情況下，總是先達到DFF，只有在所裝配的螺紋連接不合格時才會出現后一種情況。
②當擰緊扭矩和相應的轉角先后達到和越過DFF、DLO時，綠色指示燈停止閃爍，持續點亮。此時蜂鳴器發出一聲提示鳴叫。
③當擰緊扭矩和相應的轉角二者之一達到設定的上限值DHI或HI時，紅色指示燈開始閃爍。必須指出，在絕大多數情況下，總是先達到DHI，只有在所裝配的螺紋連接不合格時才會出現后一種情況。
④當擰緊扭矩和相應的轉角先后達到和越過DHI、HI時，紅色指示燈將持續點亮，蜂鳴器將連續發出5聲短促的鳴叫，表明此時的狀態已不合格。
這種新型扳手的另一項重要功能是能通過“宏編程”，一次在同一扳手上設置、存儲多達50個不同螺紋副連接的扭矩、轉角控制限，并分別命名為“step n”（n=1，2，3，…）。進行擰緊裝配時，可按“順序操作”方式，從“step 1”直至設置的某一步；也可根據實際需要任意選取某一步（如“step 3”）后執行相應的擰緊操作。當然，在這之前需進行簡單的“選擇”設定。由于具備了這種功能，此類扳手不僅適用于單品種、大批量生產的裝配工序，也適用于多品種、小批量生產方式，從而大大提升了其應用價值。
此外，具有轉角檢測功能的電子扭矩扳手同樣也具備無線通訊、線外設置和存儲等功能，可在不同模式下工作。
（3）電子扭矩扳手的多用途應用
功能拓展后的電子扭矩扳手除了能在生產線裝配工序中發揮積極作用外，還能對已完成裝配的螺紋連接進行擰緊扭矩測試。此類測試主要有以下幾種情況：
①通過對螺紋連接的測試，判別裝配質量。不少汽車制造廠都明確規定，班組長或專職檢驗員需手持讀數式扭矩扳手對裝配完畢的螺紋連接的擰緊扭矩進行抽檢或全檢。如本文前言中提到的兩個剛建成的轎車總裝線，就嚴格執行了這一程序。
②對于采用扭矩/轉角法的裝配工序（無論使用電動擰緊槍還是電子扭矩扳手），為了確定裝配監控窗口的上下限或裝配部位常規抽檢的控制限，都需要首先連續檢測一批工件（一般n≥100），再對測量結果進行數據處理。因此，無論是前期檢測還是以后的日常操作，都離不開電子扭矩扳手。
③在產品Audit過程中，利用扭矩扳手對重要螺紋副連接進行檢查是企業一項不可或缺的作業。所謂“產品Audit”，是企業或部門對自己的終端產品（如整車、發動機、變速箱等）所執行的規范試驗或檢查的一套流程，一般按每班若干臺的方式進行。
以上介紹的具有轉角檢測功能的電子扭矩扳手具有兩種工作模式，當用于測試擰緊扭矩時，可選擇單一的“扭矩”模式，其操作時的性能均相同。由于用同一把扳手即可執行多項不同性質的操作，因此具有較高的性價比。此外，還有一類產品，除了不具備轉角檢測功能外，其外形及其他功能均與圖5所示產品完全相同，但成本大幅降低，此類電子扭矩扳手更適合履行檢測職能，而它們具備的諸如“宏編程”等功能，同樣可對提高操作效能、減少勞動強度和出錯率發揮重要作用。尤其是此類產品規范、完整而靈活的數據存儲、輸出和打印功能，可為實施嚴謹的檢測提供便利，因為除了擰緊扭矩測試值外，還可提供很多相關信息，如日期、時間、被測量代碼、上下控制限、工作性質代碼（如生產線、總成等）、結果判別和其他。最終的輸出結果呈表格狀，每一次測試結果對應一行，表述清晰、完整。
綜上所述，盡管扭矩扳手作為一種專業性較強的傳統手動工具，其部分職能已被各種半自動、自動擰緊工具所替代，但隨著新技術的注入，以及企業（尤其在汽車制造業）生產模式逐漸向超多品種、中小批量及精益生產方式轉變，新一代高性能電子扭矩扳手仍然具有旺盛的生命力。
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