动力电池装配拧紧技术应用及系统防呆研究.docx

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1、动力电池装配拧紧技术应用及系统防呆研究【摘要】：本文介绍了动力电池装配制造工艺中的常用拧紧系统和FDS热熔自攻丝技术，对常见拧紧失效模式和机理进行了分析，以及如何系统防呆进行了研究和全面的阐述。1 .引言随着全球新能源产业的不断壮大，动力电池近年来得以快速发展，电池包装配是动力电池制造的重要工艺，拧紧技术又是电池包装配的重要环节，动力电池拧紧包括高低压元器件连接、水冷板连接、电箱上盖拧紧、角铁拧紧、模组入箱拧紧等，目前向着自动化，集成化，智能化等方向迅速发展，有必要对拧紧系统进行梳理，失效模式和机理分析，拧紧系统防呆进行研究改善。2 .动力电池拧紧系统螺栓拧紧的实质是通过将螺栓的轴向预紧力控制

2、到适当范围，从而将两个工件可靠地连接在一起，拧紧系统是动力电池装配制造中比较成熟的工艺，主要用于电池装配中螺钉螺栓紧固。1 .1拧紧系统：由拧紧控制器，拧紧枪，交换机，P1C,上位机，MES系统，送钉集成系统等组成。上位机：工控机电脑，安装厂商软件，提供工位装配提示及返工等操作，主要与P1C和MES交互；P1C:与上位机通讯，读取上位机写入的程序号，与拧紧系统通讯，写入拧紧枪需要调用的拧紧程序号，拧紧结束后读取拧紧控制器写入的OK/NG信号和扭矩角度值并上传给上位机；拧紧枪系统：通过总线与P1C交互，接收P1C下发的使能信号和程序号，在拧紧结束后发送数据和判定结果给P1Co2 .2拧紧工艺：动

3、力电池拧紧工艺常使用三段或四段拧紧，三段包括认帽，拧入，拧紧；四段拧紧第一步为认帽程序，目标为角度，可以正常认帽就行，一般为60-180度；第二步为快速拧入，目标为力矩，确认螺栓帽与工件贴合即可;第三步为过度力矩，其衔接最终力矩与贴合力矩，一般为最终力矩的一半或稍高一点；第四步为最终力矩目标，根据工艺设置目标及公差即可。2. 3拧紧防呆：拧紧角度和螺栓扭矩两大变量的控制来确保螺栓拧紧合格打歪拧紧曲线：螺栓打歪后，拧紧曲线上下波动特别大；重打扭矩曲线：重打曲线会短时间迅速上升，在一个小的角度上升到较大角度值；角度防呆：设置最下扭矩INM,角度须达到360。，适用于所有非预拧螺栓；曲线第二段防呆：

4、重打与正常扭矩曲线上升曲线不一样，在相同时间段，扭矩应增加，重打曲线会快速上升；角度打歪探测：设定角度上限规格，识别螺栓打歪，在控制器上增加控制步骤，分段监控报错；反转管控：设置密码和权限管控；数量防呆：计数功能，拧紧合格一次记一次，不合格不记，拧紧数量与设置配方不对，就不进行下一步操作；力矩防呆：监控力矩值与设定值的差异，超过设置范围就报警；位置防呆：轨迹定位防错功能，拧紧顺序按程序设置位置依次进行拧紧；套筒防呆：自动选择对应套筒披头工具，有错即报警；提示防呆：合格拧紧亮绿灯，显示PASS,异常时，有报警并亮红灯，显示NG2 .4拧紧枪调校按量程的30%,60%,80%三档扭矩标定，CMK大

5、于167才算标定合格。3 .5拧紧NG原因分析核心工位拧紧异常采用使能管控，NG原因有空打，重打，螺纹面或界面异物,通过程序规范，对拧紧异常解除记录1OG,确保信息实现可追溯。拧紧工具无法防呆的工位，须采用复拧以及双画线确认，拧紧计数错误：拧紧系统计数BUG未到达预定计数数目就跳站人员操作错误：松错螺栓，已打紧螺栓被错误松开，然后再打该螺栓，导致该螺栓打两次而另外螺栓少打一颗。拧紧枪漏数据分析防呆：总线通讯中拧紧控制的输入点，由P1C下发，当P1C读取到上一条拧紧数据时，反馈给控制器端的信号点，拧紧控制器启用报告确认功能，在接收到P1C反馈回来之前，下一次拧紧无法启动。若P1C漏掉上一条数据，

6、在按下启动按钮后，枪不转，控制界面有报警提示。自动复制数据：拧紧控制系统控制器和P1C信号交互时偶发BUG导致P1C自动复制数据，上抛数据满计数数目时就跳到下一站.3. FDS流钻自攻钉系统3. 1FDS(F1owDri11System)热熔流钻螺钉工艺，是首次在新能源电池行业应用于将水冷板和端板连接装配的新工艺。FDS原理：在设备驱动系统的作用下，流钻自攻螺钉在连接件的上层板件上高速旋转，旋转产生的摩擦热量和进给压力使母材发生塑性变形和位移，轴向压力打穿母材并在母材上制作螺纹，从而使两层或多层板料固定在一起，螺钉头部是带有驱动的，包括跟部的有效螺纹和中部的攻牙螺纹，尖部的流钻部分流钻螺钉的工

7、艺过程包括六个阶段：旋转加热f穿透f通孔一攻螺纹一拧螺纹一紧固3.2FDS结构：WeberRSF螺钉驱动系统的枪头结构如上右图示3. 3FDS工步分析：PHASE1流钻螺钉高转速低压力接触板件表面；PHASE2-流钻前期,板件发生塑性变形，被钉尖刺成锥形；PHASE2-流钻中期,螺尖破板材，钻出柱形通孔；PHASE2-流钻后期，自攻出无碎屑完全齿合的螺纹；PHASE3-正常的螺钉拧紧过程；PHASE4-螺钉到设定扭矩，浮动拧紧头配合夹爪打开时间由P1C控制；3.4FDS紧固流程分析：枪头刀杆压住FDS螺钉时，电机驱动螺钉作用在工件，当压力和转速达到某一特定临界点时，工件表面产生高温，且温度不断

8、上升,直到工件材质软化屈服，螺钉穿过板材，螺纹与板材形成了坚固有力的连接。FDS可以用在许多不同的材料与厚度上，铝合金是其中最普遍的应用。在钻孔阶段，速度需要5000到8000rpm,压力在IoOo-20OoN之间。3.5不同材料连接原则：须遵循“螺钉-薄-厚，或者螺钉-软-硬”顺序，因为FDS是单边连接，当链接顺序反过来时，更薄或更软的那一边容易被推开，或变形，或损坏。若确须这么做，需在连接之前在弱侧加上导向孔。3.6FDS螺钉材质要求：热传导性能必须要低，不能出现热传导温度急剧上升；其次，FDS螺钉材质的熔点须足够高；再次，FDS材质本身的硬度一定要足够高，在穿透工件的整个过程中不会产生任

9、何变形。3.7FDS工艺失效分析3.7.1超出系统保护扭矩：检查打钉位置是否干涉；3.7.2超出最大深度（步1）：预开孔深度超过深度范围，枪头没有螺钉，枪头位置过高，螺钉长度位置设置不合理，螺钉检测传感器信号误报，铸件有沙眼气孔，板材太薄太软；3.7.3最小深度未达到（步1）：枪头卡钉，枪头里有2个钉，刀头下压过程中顶到了两个钉子，导致深度报警，钉子长度设置不合理；3.7.4最小深度未达到（步2）：刀头与螺丝未齿合，参数设置不合理；3.7.5超出最大扭矩（步2）：螺钉钻孔时和工件表面倾斜角度较大，导致螺钉螺母在钻孔过程中和工件表面接触，形成超监控的扭矩，工件板材厚，螺钉未能钻穿，没有足够的转速

10、和热量，导致扭矩急速上升超监控；3.7.6未达到最小时间（步2）：转速/压力过大，监控步骤最小时间设置较大，板材太薄太软；3.7.7超出最大时间（步3）：转速压力过效小，监控步骤最大时间设置较小，钉子和工件位置倾斜，钻孔阶段螺纹形成不好，导致拧入时间过长；3.7.8超出最大扭矩（步3）：钉子和工件倾斜，导致在攻丝过程中扭矩不断增大，超出监控，钻孔阶段螺纹形成不好，导致拧入阶段扭矩过大，第二阶段的切换点太早；3.7.9超出最大时间（步4）：第三阶段的切换点过早，目标扭矩设置过大,监控步骤最大时间设置较小，倾斜，螺纹形成不好，滑丝；3.7.10超出最大扭矩（步4）：倾斜和螺纹形成，第三阶段的切换点太晚；3.7.11最小深度未达到（步4）：材料尺寸公差，设置最小深度最小；目标参数设置过小，倾斜，超出监控深度。4.结语：动力电池拧紧技术需要不断研究与发展，通过拧紧系统的改善与发展，包括防呆防错的有效性研究，全面提升动力电池的安全性、可靠性、经济性，促进新能源事业的发展和碳中和碳达峰的目标实现。参考文献（1）曾德江、黄均平机械基础.机械工业出版社，2010（2）通用连接技术基础-拧紧技术简介（上下）.上海希腾电子