乍一看，福特F-150和雪佛兰克尔维特(Chevrolet Corvette)除了都是汽油动力汽车之外，似乎没有任何共同点。毕竟，你不会用克尔维特(Corvette)拖一艘鲈鱼船，就像你不会在测试跑道上拉一辆5000磅重的皮卡一样。
然而，相同的小部件在两辆车辆的设计和制造中起着关键作用：摩擦钻孔。
这是因为两辆车的车身大部分都是铝制的，这大大减轻了它们的重量。例如，2014款克尔维特的铝框架比上一代钢框架轻99磅，强度增加57%。2015款F-150比上一代轻了700磅。
面对铝与铝、铝与钢的连接需求，通用汽车和福特被迫寻找替代点焊技术的方法，他们已经使用了几十年来连接全钢组件。摩擦钻螺钉就是这样一种选择。
尽管自20世纪90年代末以来，摩擦钻眼螺钉就已经出现了，但由于汽车工业对“轻量化”的持续强调，这种紧固件越来越受欢迎;更熟悉技术;以及安装它们的设备的进步。
“这个国家的早期采用者现在在他们的第二个或第三个程序[用摩擦钻孔螺钉]，”韦伯螺丝螺丝系统公司的总裁Jim Graham说，“在欧洲，这项技术一直在与汽车OEM的实心脚踏实地2002年。“
除了克尔维特(Corvette)和F-150，摩擦钻钉也被用于许多其他车辆，包括凯迪拉克CT6;讴歌NSX等车型的底盘;梅赛德斯-奔驰SLS;奥迪TT、A4、A6、A8;保时捷911和Boxter;莲花埃武拉;捷豹XK;法拉利加州;兰博基尼盖拉多。汽车零部件供应商也在利用这项技术。 For example, Hella is using friction-drilling screws to assemble its Bi Xenon headlamp modules.
白色家电、飞机、金属制品、公共汽车和重型卡车制造商也对这种紧固件感兴趣。
随波逐流
摩擦钻孔，或流动钻孔，螺丝是一种自穿孔和挤压紧固件连接的薄板层。结合摩擦钻削和螺纹成形的特性，该螺杆既是一种紧固件，又是一种钻攻工具。它穿透层，挤出一个短凸台，形成自己的螺纹，并应用夹紧力之间的片。
该紧固件具有宽、平的头部;较厚的柄;还有一个尖头。头可以设计为外部或内部驱动系统(包括六角头，TORX, TORX plus和十字凹槽)，头的底面可以咬边。柄分为三个区域:尖头，无螺纹尖端(用于钻孔);短的部分螺纹中部(用于螺纹成形);和全螺纹上部部分(用于施加夹具负载)。
安装过程有六个不同的步骤:加热，渗透，挤出成型，螺纹成型，螺丝驱动和拧紧。
DEPRAG公司的应用工程师Boris Baeumler说:“驱动一个紧固件需要2到3秒，在这段时间里，我们改变了4次驱动参数。”
在加热步骤中，紧固件的尖端被强力推到材料上并高速旋转。螺杆和材料之间的摩擦将表面加热到150到250摄氏度，这取决于材料和它们的厚度。
“在周期的开始，你需要很大的下压力来帮助产生摩擦，”Baeumler说。“用铝，你需要更小的力，比如说1500到2000牛顿。如果是钢，可能是1800到2500牛顿。
“司机的速度也很重要。铝散热快，所以我们的转速更高，比如说每分钟6000转。对于钢铁，我们倾向于以稍低的速度运行，可能是每分钟4000转。”
随着材料的加热和变软，紧固件开始穿透堆栈并创造一个洞。材料沿着螺杆的顶点向上和向下挤压，形成一个凸台。
Baeumler说:“一旦紧固件穿透材料，我们就降低了下压力。”
紧固件继续穿透材料堆，直到尖端穿透材料堆的底部。该紧固件的锥形几何形状有助于在堆栈的底部挤出一个短凸台。
接下来，内螺纹由紧固件的螺纹成形区在挤压中产生。这一步是在较低的速度下执行的——大约2,000 rpm。螺纹创建后，螺纹进入新创建的螺母成员，直到其头部阀座对上片。这是在200 rpm时执行的，以避免损坏新创建的线程。
最后，将紧固件紧固到预设值。
“在整个过程中，我们监控所有变量——扭矩、速度、推力和扣件深度，并将这些数据反馈给运动控制器，”格雷厄姆说。
组装的优势
与点焊相比，铆接，自刺铆钉和传统的螺纹紧固件，摩擦钻孔螺钉具有许多优点。对于初学者，它们从组装的一侧安装。不需要进入组件的另一侧。这是一个真正的优势，因为用于铆接或铆接的C型工具可能难以用机器人操纵。
此外，摩擦钻孔螺钉创造了强大的连接。对高强度钢板的试验表明，摩擦钻削螺钉产生的接头比点焊、铆合、自穿铆钉具有更大的剥离强度。强度测试表明，摩擦钻孔螺钉的性能至少与铆合铆钉和自穿孔铆钉一样好，仅略低于点焊。
由于紧固件钻其自己的孔，因此通常不需要在材料之前打孔或钻孔或对准孔。但是，有一个警告。当紧固件形成凸台时，大多数材料朝向堆叠的底部流出，但是略微向上流向驾驶员。紧固件头部下方的凹槽通常足以捕获这种材料。然而，如果层特别厚，则如果三层或更多层被固定，或者如果其中一个材料与该过程不相容，则在顶层中可能需要“间隙孔”。这将防止所形成的老板在层之间产生间隙。
“你需要为物料提供流动的地方，”Baeumler说。
摩擦钻削螺钉的另一个优点是，与螺纹切削螺钉相比，其驱动-带材比更高，特别是在钣金更薄的情况下。Baeumler指出:“对于薄金属片，尤其是钢，通常会去掉自钻螺钉。”“驱动螺杆和剥离螺杆之间的扭矩差异非常小。材料由摩擦钻削螺丝形成，因此有更多的材料供螺丝啮合，扭矩窗口也大得多。”
并且，与传统的螺纹紧固件一样，可以移除摩擦钻孔螺钉并更换为可用性。没有关于螺纹公差的问题，因为紧固件在标准音高上创建并啮合其自己的线程。但是，与螺纹螺钉或钻孔和挖掘操作不同，摩擦钻孔螺钉不会产生浪费。安装期间没有生成芯片。
安装技术
摩擦钻螺钉不能用任何螺丝刀安装。由于除了扭矩和角度外，还有其他变量来测量和控制驱动器速度，轴向力和紧固件深度摩擦钻削螺钉需要复杂的驱动技术，通常安装在全自动设备上。驱动器可以安装在线性驱动器或更典型的六轴机器人上。
Baeumler说，安装摩擦钻螺钉“与传统的螺丝驱动应用不同，后者的紧固件是一种商品。”“当你为一个项目指定这些紧固件时，你需要同时考虑设备，甚至在设计阶段。”
参数设置，如驱动速度和轴向力，取决于每片薄板的厚度、层数、每种材料的性能、表面处理和整体接头要求。必须对息票组件进行彻底的测试。
标准的自动螺丝刀和摩擦钻螺钉设备的另一个区别在于如何进给紧固件。尽管它们相对较大，摩擦钻螺钉需要比普通螺钉更温和的操作。这是因为启动摩擦的尖端对应用程序至关重要。把螺丝倒进振动给料机不是一个选择。
为了解决这个问题，Weber使用梯级送料器来提供紧固件，而可取品使用其专利的剑送料器。取消额外预防紧固件通过饲料管，而不是首先吹入馈线。驱动头中的旋转机构将紧固件翻转以进行安装。作为侧面的好处，额外的旋转步骤可确保在下一个周期的驱动头中始终允许螺钉。
一个大容量的汽车车身线可以消耗大量的紧固件，因此可靠的馈给是至关重要的。螺丝刀供应商已经用几种方法解决了这一挑战。
韦伯开发了一种双管喂食系统。两根进料管连接到驱动头。如果其中一个管卡住了，驱动器会自动切换到备用管。
DEPRAG开发了一种不同的方法。deprag可以为驱动头提供一个可更换的、可重新装弹的弹夹，而不是把紧固件吹到驱动头上，并在机器人的换装包上再加一根管子。每个弹夹可装30颗螺丝钉。当机器人从一个弹夹上安装紧固件时，一个独立的补给站正在重新装载另一个弹夹。
然而，标准自动螺丝刀和摩擦钻用螺丝的另一个区别在于驱动头的钳口。Graham解释说，用于摩擦钻削螺丝的螺丝刀采用“主动爪”，而不是弹簧爪。动力钳口抓住螺丝，直到尖端正确地与材料接合。在过去，螺丝可能会掉下来。
今年年初，Weber和DEPRAG都将发布他们的摩擦钻井螺丝驱动设备的新版本。
格雷厄姆表示，第三代Weber的安装摩擦钻螺钉的设备是从先前的迭代中的“量子飞跃”，提供更快的驱动器速度（高达11,000 rpm），更高的轴向推力，并更大地控制安装过程。
“现在，我们可以容纳不同的螺丝几何形状，”格雷厄姆说。“我们可以系好钢合金三明治，钢铁碳三明治或任何材料组合。”
如果将使用六轴机器人来安装紧固件，工程师们最好选择一个能够承受相关力的模型。
“一旦螺钉就位，机器人必须提供一个非常坚固的挡板，这样驱动器才能产生必要的向下推力，”格雷厄姆说。“你最不需要做的就是开始推动组装，让机器人移动。”
为此，机器人供应商正在踩到板上。例如，Fanuc American Corp.最近在去年11月在芝加哥的Fabtech节目中推出了新的M-900ib / 280机器人。示出了机器人在汽车门板组件上模拟安装摩擦钻孔。
机器人的铸件形状经过优化，与以前的模型相比，提供了更强的手臂刚性。该机器人的长度为2.65米，腕部紧凑，有效载荷能力强。FANUC的工程师提高了腕部的允许负载惯性，使机器人能够稳定地处理重物。
设计问题
与任何自动螺丝驱动应用程序一样，工程师需要为工具提供空间以进入紧固位置。一个至少有10到12毫米间隙的平坦开阔区域是好的。在总成的背面还应提供空间，以容纳成型的凸台和突出的螺钉点。摩擦钻螺钉不能安装在坚实的金属块上。
如果使用六轴机器人来安装紧固件，工程师需要提供足够的空间让机器人进入驱动位置。工程师应该允许驱动器和工具的间隙，以及在紧固过程中施加轴向力的气缸的间隙。
Baeumler说:“在垂直限制非常严格的地方，你无法驱动这些螺丝。”
零件本身 - 以及任何固定特征 - 应设计成适应在紧固期间施加的轴向力。
Baeumler补充道:“使用更薄的材料，我们可以减少下压力(以避免压碎零件)。”“然而，这是有代价的。摩擦会使零件发热需要更长的时间，所以循环时间会增加。”
最后，还值得注意的是，摩擦钻孔不是连接结构铝部件的唯一答案。实际上，多种技术用于组装F-150的铆钉，包括自刺穿铆钉，结构粘合剂，铆接接头，点焊，激光焊接，摩擦焊接，以及良好的老式螺母和螺栓。
