出处：https://www.assemblymag.com/articles/88634-fastening-going-with-the-flow

    汽车制造商通常是组装中最新产品和工艺创新的推动力。一个恰当的例子是：自1996年以来，欧洲汽车制造商一直在使用随钻螺钉（flow drilling screw）来组装由铝和薄材料制成的车身面板和底盘-继续赢得人们的青睐，以使汽车更轻。

    意识到这一趋势，几家美国汽车和卡车制造商已经开始尝试用随钻螺钉（flow drilling screw）组装车身面板。美国汽车随钻螺钉的生产安装将于今年晚些时候开始（本文写于2011年）。

    由于多种原因，制造商更喜欢将这些螺钉用于面板组装。 在有或没有打孔或钻孔的情况下都可以进行安装，并且它们通常比点焊更容易安装且更经济。流动钻孔螺钉允许在无C型框架的情况下进行单侧组装，并且不需要沉头螺母。最后，安装可以通过固定的或机器人辅助的螺丝驱动系统实现自动化，以实现高产量。

    流动钻孔螺钉的安装分为六个步骤：加热，穿透，通过拔模成型，螺纹成型，全螺纹啮合和最终拧紧。以上图片由韦伯螺丝传动系统有限公司提供。

紧固件

    顾名思义，该紧固件基于流动钻孔，这是一种在金属零件上产生带螺纹或无螺纹孔的工艺。这个已有数十年历史的过程涉及在相对较高的轴向压力和旋转速度下，通过金属表面钻钢工具，以在不去除任何金属的情况下形成孔或衬套。

    该工具具有圆柱状顶部，圆锥形中间部分和圆锥形底部，尖端尖锐。当纺丝形尖端与材料接触时，会产生热量，使足够柔软且具有延展性的材料，足可以成型和穿孔。该工具推入物料，在上表面周围留有薄薄的移出物料环，在下表面留有衬套。此过程通常只需几秒钟。

    在这种技术的基础上，德国紧固件制造商开发了流动钻孔螺钉，这些螺钉是可自刺穿和挤压的紧固件，可同时钻穿并接合两到四张薄金属片。可用的紧固件包括EJOT GmbH＆Co.的FDS，Schrauben Betzer GmbH＆Co.的Pentaflow和Arnold Umformtechnik GmbH＆Co.的Flowform。

    螺钉经过表面硬化处理或贯通硬化处理，并在某些情况下经过回火处理以提供高抗拉强度。它们带有各种头部，如六角形，十字形，公梅花型，母梅花型和梅花加大型，并且可以轻松移除和重复使用。但是，螺钉有一些关键的设计差异。

    EJOT制造了三种FDS螺钉，其中两个是专为无孔应用而设计的。标准版和BS版在头部下方设有一个凹入区域，因此在形成通孔的过程中某些挤出材料会积聚在此处。

    当形成孔时，这种材料在螺纹孔的顶部周围形成一个薄唇。大部分挤出材料流至底板的背面，在此处有助于螺纹啮合，并基本上用作防松螺母。

    标准螺钉可产生的牵伸力最多为原始表面厚度的三倍。

    标准螺钉和BS螺钉具有无螺纹的锥形尖端，可以穿过钢，铝和镁。标准螺钉的尖端非常尖锐，最适合自动组装。BS螺钉具有带凹槽的尖端，使其既适合于手动组装也可以适合于自动组装高强度材料。但是，BS螺钉在初始钻孔过程中确实会产生一些碎屑。

    第三个版本是PKS，具有无螺纹的扁平圆锥形尖端，也可以刺穿不锈钢。该螺钉没有凹口区域，通常用于带有穿孔或钻孔的零件的手动组装。但是，EJOT可以优化螺钉的头部几何形状以适应挤压材料，因此PKS可以用于没有孔的组件。

    Pentaflow螺钉分为C型和F型两个系列，两者均为全螺纹。C型紧固件的锥形尖端带有螺纹侧面，这些侧面形成了螺纹孔的边缘。相比之下，Form F螺钉具有截头圆锥形尖端，不会损坏位于底部金属板下方的敏感组件，例如电缆。

    Flowform是具有无螺纹尖锐圆锥形尖端的三叶螺钉。三叶形螺纹的横截面为三角形，而不是圆形。这种设计增加了保持强度，同时减少了材料移出量。这也会在螺纹成形和拧紧扭矩之间产生更大的差异。

    此剖视图显示了FDS螺钉，该螺钉将两层铝金属板连接在一起。顶层为4毫米厚，底层为3毫米。图片由EJOT USA提供。

安装过程

    在早期的应用中，随钻螺丝钉（flow drilling screw）是随手持电动螺丝刀一起安装的，但如今却很少见，因为手持工具无法产生足够的主轴转速和扭矩。首选工具是由Weber Screwdriving Systems Inc.的德国母公司Weber Schraubautomaten GmbH开发的RSF20S自动螺丝驱动系统。该工具可以固定或与重型六轴机器人串行连接集成。汽车制造商会同时以上述两种方式使用该系统。

    在组装过程中，每个随钻螺钉（flow drilling screw）都会通过接收管自动吹入并进入夹头钳口。钳口暂时保持住螺钉，直到由下降的螺钉驱动主轴将其向下推动以开始安装。

    螺丝安装是一个六步过程。在第一步中，以高推力和主轴旋转施加螺钉以预热金属表面。接下来，随着局部热量的增加，螺杆开始流入发生塑性的材料中。第三步是在材料叠层的反面上形成通孔。

    EJOT美国地区销售经理Rich Sarfoh说：“到此，流动阶段结束，螺纹滚压阶段开始。” “降低主轴的转速，就会在孔中形成螺纹而不会产生任何材料屑。”

    在第五步中，主轴转速和推力再次自动降低。螺钉开始像标准紧固件一样工作，并被驱动到设定的扭矩。当螺钉穿过所有金属时，就实现了全螺纹啮合。现在，螺钉已完全就位并拧紧至正确的扭矩。当接合的金属冷却时，它们会在螺纹周围收缩，以增加连接的完整性。

    根据所夹持物金属的材质，RSF20S系统的循环时间为1.5至5秒。手持式工具的循环时间为4到8秒。

    FDS螺钉有标准，BS和PKS类型。上图显示的是标准类型，其尖锐的尖端最适合自动化装配。图片由EJOT USA提供。

自动化系统功能

    RSF20S每个周期以最高5,000 rpm的转速安装一个FDS标准或PKS螺钉。通常，螺钉是18至28毫米长的M5或M6。RSF20S可以产生最大1.5千牛的轴向力，最大8牛顿米的螺纹成型扭矩，以及最大15牛米的最终入座扭矩（seating torque）。拧紧主轴有标准，紧凑和Z型配置。

    到目前为止，RSF20S已将两到四片铝，镁，钢和不锈钢连接在一起，最厚的层位于中间和底部。最大钣金厚度为：铝，6毫米；镁4.5毫米；钢，2毫米；和1.5毫米的不锈钢。系统使用主动深度控制，自动从零件表面获取零基准。这使机器人控制器可以快速更改深度监控。

    RSF20S的核心是基于Windows IP的C50S控制器，该控制器现已推出第二代，并提供标准或软PLC版本。标准控制器提供实时的拧螺丝过程曲线，并执行统计分析和系统诊断。使用Soft PLC版本可以进行过程和顺序控制。

    韦伯螺丝传动系统公司总裁吉姆•格雷厄姆说：“可以通过专有的可视化来控制RSF和其他外围设备的过程和顺序控制。全天候，每天24小时均可从星球上任何地方进行任何组件的完全可追溯的安装数据和实时紧固策略更改。有了客户许可和事先安排，韦伯还可以在外部监视和控制客户的装配策略。”

    RSF20S系统可以固定或与重型六轴机器人串行连接集成。图片由韦伯螺丝传动系统有限公司提供。

汽车制造商拥抱概念

    尽管FDS螺钉在1990年获得专利，但直到1996年才用于自动组装。这是因为当时的电动工具缺乏安装紧固件所需的速度和功率。

“起初，只有较低转速的钻头或螺丝刀可用于螺钉安装，” Sarfoh说。“然后，阿特拉斯·科普柯推出了直流供电的高性能驱动器，该驱动器的速度大于2,000 rpm。”

    1996年，英国汽车制造商Lotus Cars开始使用带有FDS螺钉的手持式工具来为其Elise和Exige车型组装空间框架。但是，阿特拉斯·科普柯工具有局限性，特别是在循环时间和控制方面。

    到1990年代末，Weber Schraubautomaten已为EJOT开发了其最初的RSF20S螺丝驱动系统。除了自动化之外，该系统还可以将螺钉安装到更厚的材料中，具体来说，可大于1.2毫米的钢和大于3毫米的铝。

“在2000年左右，第一次机器人组装完成了，”格雷厄姆说。“它涉及一个奥迪A4后轮壳体，其中连接了两个钣金。”

    奥迪公司进行了为期四年的组装，在此期间，韦伯用新的控制器C50S增强了RSF20S。2005年，奥迪开始使用增强型RSF20S在TT Coupe上组装底盘，底板和后隔板。今天，在奥迪位于德国英戈尔施塔特（Ingolstadt）的工厂，TT Coupe的白车身装配线配备了16个机器人辅助的螺丝驱动系统。在同一工厂，固定的RSF20S机器将轮拱的螺钉插入静态工位。总体而言，在TT Coupe上安装了229颗螺钉，没有任何打孔或钻孔。

    2006年，奥迪开始在其德国内卡苏姆工厂使用FDS螺钉，为原始A6和R8组装铝制底盘。两年后，新A8使用了螺丝。奥迪继续增加在这些型号中安装的FDS螺钉的数量。当前，R8主体外壳已装配310 FDS螺钉，而新的A8包含740 FDS螺钉。

    在过去的五年中，许多其他欧洲汽车制造商已经开始使用或扩大了对随钻螺钉的使用。制造商包括：

•GM Opel，用于Speedster中的铝制空间框架。通用欧宝还使用EJOT FLLASH（流体装配系统支架）系统，该系统涉及在安装之前将每个螺钉插入热塑性夹子中，以确保自由定位和无屑组装。

•Jaguar，用于XK和X150的铝制底盘。

•莲花汽车，用于Proton的铝制底盘。

•大众汽车，用于Cross Touran上的入门车型。

•蒂森克虏伯公司，用于兰博基尼车身板。

•Fehrer Automotive和美铝，用于车身面板。

    其他使用，测试或评估过程和设备的欧洲制造商是日产，麦格纳，福莱纳卡车，路虎，戴姆勒，保时捷，菲亚特和宝马。

    总体而言，六个国家/地区的汽车制造商都在使用随钻螺钉：德国，意大利，英国，丹麦，匈牙利和波兰。美国有四家主要的汽车和卡车制造商在组装试验和样品生产中测试螺钉，因此美国可能会在2011年某个时候成为第七个国家。