Porównanie narzędzi do montażu

Przeprowadzono próby porównawcze trzy najbardziej popularne narzędzia  — pneumatyczne ze sprzęgłem, hydrauliczno-pneumatyczne impulsowe i elektryczne DC z sterownikami.

Wszystkie trzy narzędzia miały wartość momentu około 35 Nm. Narzędzia pneumatyczne ze sprzęgłem i elektryczne były modelami kątowymi, podczas gdy impulsowe miały pistoletowy typ rękojeści.

Test wydajności prowadzono podobnie, jak uprzednio dla śrub maszynowych M8 wkręcanym na głębokość 20 mm do zetknięcia obydwu łączonych elementów. Połączenie było twarde, z kątem ok.  30° do 40° od zetknięcia obydwu powierzchni do uzyskania zadanego momentu dokręcania.

Przeprowadzono cztery testy: z częściowo ręcznym wkręceniem i ułożeniem śruby w pozycji pionowej i poziomej, a także bez wkręcania ręcznego w takich samych dwóch położeniach. Dla każdego testu przeprowadzono trzy serie po sześć dokręceń. Strategia dokręcania stosowana dla każdego narzędzia była taką samą “standardową” strategią stosowaną w próbie powtarzalności.

Wyniki prób wykazały, że narzędzia impulsowe pozwalają na najszybsze dokręcanie, co jest jednym z kluczowych aspektów handlowych tej technologii.

Główną przyczyną tej cechy nie jest jednak bardzo duża prędkość obrotowa bez obciążenia – około 4 razy większa, niż w przypadku narzędzi elektrycznych DC i 7 razy w przypadku narzędzi ze sprzęgłem – lecz korzyści ergonomiczne jednoręcznej pracy narzędziem z uchwytem pistoletowym wobec konieczności dwuręcznego posługiwania się narzędziami kątowymi.

Jednakże nie zawsze większa prędkość obrotowa narzędzia skraca czas montażu. Powodem tego, jest to, że czas pracy narzędzia jest tylko niewielką częścią całkowitego czasu wkręcania śruby. Ponad połowę czasu wkręcania śruby zabiera jej umieszczenie w otworze.

Jednocześnie większość tych korzyści wynikających z szybszego narzędzia impulsowego zostaje zniwelowana dłuższym czasem ustalania momentu wyłączenia narzędzia impulsowego (1 s wobec 0,1 s -czasu zadziałania sprzęgła mechanicznego odcinającego).

Narzędzie pistoletowe impulsowe 35 Nm nie wytwarza nieakceptowalnego poziomu oddziaływania na rękę pracownika, ponieważ proces dokręcania jest rozdzielany na wiele bardzo krótkich impulsów pochłanianych przez bezwładność narzędzia. W rezultacie na rękę operatora nie jest przenoszony duży moment reakcji.

Pozostałe dwa narzędzia kątowe oddziaływują na operatora poprzez szybki wzrost momentu reakcyjnego ( połączenie twarde – wzrost momentu od 0 do 35 Nm przy obrocie tylko o 40 st ), kończąc na błyskawicznym odcięciu. Ta nagła zmiana energii jest absorbowana przez operatora, jeśli jest to narzędzie ręczne.

Narzędzia elektryczne DC pozwalają na zastosowanie strategii startu i zakończenia procesu dokręcania przy bardzo zmniejszonych prędkościach obrotowych wrzeciona, co znacząco zmniejsza niepożądaną reakcję na operatora, ale jest to okupione znaczącym wydłużeniem całkowitego czasu dokręcania.

Pneumatyczne narzędzie impulsowe, które przynosi takie korzyści, ma także parę wad. Na przykład z uwagi na to, że połączenia miękkie (od 40 do 720 st obrotu od zera do osiągnięcia zadanego momentu dokręcania) wymagają większej liczby  impulsów, przez co czas operacji dokręcania proporcjonalnie wzrośnie. Wydłuża to dodatkowo czas cyklu narzędzia impulsowego w porównaniu z narzędziami ze sprzęgłem i standardowo programowanymi narzędziami elektrycznymi DC.

Na przykład w naszych testach powtarzalności, czas dokręcania złącza miękkiego narzędziem impulsowym był o 3 sekundy dłuższy niż połączenia twardego. W porównaniu z tym, w przypadku narzędzia elektrycznego DC czas był dłuższy jedynie o 0.5 sekundy, natomiast narzędzie ze sprzęgłem pracowało tylko o 0.1 sekundy dłużej. Oprócz spowolnienia pracy narzędzia, wydłużone pulsowanie przyczynia się do jego zużycia i konieczności częstszego serwisowania.

Z tego powodu najlepsze aplikacje narzędzi impulsowych ograniczają się do węższego przedziału połączeń, niż pozostałe dwie technologie. Jeżeli chodzi o względną produktywność narzędzi elektrycznych DC i narzędzi ze sprzęgłem – przy zaprogramowaniu narzędzia DC  na jednoetapową operację – przy tej samej prędkości co narzędzie ze sprzęgłem, ich czasy pracy będą niemalże identyczne.

Z uwagi na ich podobne wymiary i ciężar, można sądzić, że i produktywność będzie taka sama. Daje to możliwości producentom do zróżnicowania urządzeń poprzez szczegółowe zmiany projektowe.

Narzędzia ze sprzęgłem a elektryczne DC

Przeciętnie przejmowane jest, że narzędzie elektryczne DC jest o około 5% bardziej efektywne, niż narzędzie ze sprzęgłem ponieważ elektryczny spust startowy jest łatwiejszy w użyciu aniżeli dużo większa dźwignia typowego narzędzia pneumatycznego. Takie dźwignie sprawiają więcej trudności, niż przyciski i wymagają więcej wysiłku.

Właściwości każdego narzędzia powinny być starannie porównane w trakcie podejmowania decyzji o zakupach, jako że mogą one często mieć większy wpływ na wydajność produkcyjną, niż podstawowa technologia.

Przeprowadzone testy powtarzalności były podobne, ale nie identyczne, jak znormowany test eksploatacyjny narzędzi według ISO 5393.

Badano powtarzalność naprężenia śruby, a nie moment dokręcania.
Powodem tego jest zarówno fakt, że naprężenie jest ważniejszym wskaźnikiem jakości złącza jak i to, że pomiar momentu dokręcania narzędzi impulsowych jest trudny do bezpośredniego porównania z tradycyjnymi narzędziami o pracy ciągłej.
Dokręcano śrubę 5/16-18 z łbem sześciokątnym podkładką pomiarową przeznaczoną specjalnie do badania naprężeń dokręcania.
Klucz był wspomagany ramieniem reakcyjnym w celu ograniczenia wpływów zewnętrznych.
Zarówno pod łbem śruby, jak i pod nakrętką umieszczono utwardzoną podkładkę. Przeprowadzono próby skręcania połączenia twardego i miękkiego z nylonową podkładką symulującą połączenie miękkie.
W pierwszej próbie zastosowano dwustopniową strategię dokręcania dla narzędzia DC.

Jako że te strategie mogą mieć wpływ na powtarzalność, przetestowano też strategie alternatywne w zakresie regulacji każdego narzędzia. Dla narzędzia elektrycznego zastosowano strategię, w której redukcja momentu została zmniejszona od 40 do 20 % wartości docelowej, przy czym prędkość w drugim etapie została zmniejszona od 20% maksymalnej do 10 %.
Strategia jednostopniowa została przeprowadzona przy prędkości ustawionej na 50% maksymalnej.
Prędkość narzędzia impulsowego może być ustawiona poprzez regulację dławieniową. Przetestowano też alternatywną strategię “powolną” – 70% max.

Dwuetapowe dokręcanie jest strategią powszechną, ponieważ może zaoszczędzić czas poprzez szybkie dokręcanie wstępne. Należy pamiętać, że współczynnik tarcia połączenia jest wrażliwy na prędkość, gdy wrzeciono narzędzia jest w ruchu.

W testach stwierdzono, że jednostopniowa strategia zastosowana w narzędziach DC oszczędziła ¾ sekundy na operacji dokręcania podczas redukcji powtarzalności o 15%.

Redukcja prędkości obrotowej w narzędziu impulsowym wykazywała pewną poprawę powtarzalności na połączeniu miękkim, ale skutkowało to 3-sekundowym wydłużeniem czasu trwania operacji dokręcania.

Szeroki zakres aplikacji montażowych niesie niebezpieczeństwo wyciągania zbyt dalekich wniosków z tego czy innego pojedynczego testu. Względna dokładność tych trzech technologii dokręcania nie może więc służyć wyciąganiu ogólnych wniosków z tego testu.


Wskazówki odnośnie narzędzi.

Montażyści mogą wybrać pomiędzy trzema podstawowymi typami narzędzi montażowych do wkręcania. Każdy ma swoje za i przeciw, które muszą być ocenione z rozwagą.

✔︎ Narzędzia ze sprzęgłem — odpowiednie do operacji montażowych szczególnie tam, gdzie plan montażu może być zmieniany po zakończeniu partii produkcyjnej oraz momenty dokręcania nie przekraczają 60 Nm

✔︎ Narzędzia DC — dobre do linii lub gniazd montażowych, gdzie jest wymóg w pełni zintegrowanej kontroli błędów i sporządzania raportów statystycznych. Sprawdza się to szczególnie, jeśli połączenie i śruba są nietypowe lub zmieniają się na kolejnych stanowiskach. Narzędzia te są też dobre dla warunków produkcji, w których dane narzędzie może być używane do różnorodnych aplikacji.

✔︎ Narzędzia impulsowe — dobre produkcji niewymagającej archiwizowania danych , połączeń z dużą tolerancją dokładności , wysokich momentach dokręcania , produkcji wielkogabarytowej , gdzie ważna jest również praca jedną ręką oraz wydajność jest decydująca.