通過有針對性的技術(shù)改進(jìn)和增加產(chǎn)品科技含量，傳統(tǒng)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(xiàn)場裝配作業(yè)，而且能顯著提高螺紋連接的裝配質(zhì)量和工作效率。本文通過對幾類新一代產(chǎn)品的介紹與剖析，表明扭矩扳手這一傳統(tǒng)手工操作工具經(jīng)過技術(shù)上的推陳出新后，依然能在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中發(fā)揮積極作用。
1 前言
扭矩扳手用于機(jī)械裝配已有較長歷史，它對控制螺紋副的連接質(zhì)量，尤其是批量生產(chǎn)的裝配作業(yè)發(fā)揮了很大作用。不可否認(rèn)，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(fā)展和推廣應(yīng)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(lǐng)域）。但是，扭矩扳手鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，決定了它們在制造業(yè)，特別是汽車制造業(yè)中的存在價(jià)值。以分別位于北京和上海、不久前剛投入批量生產(chǎn)的兩個(gè)中、高檔轎車生產(chǎn)廠為例，在他們才上市就大受消費(fèi)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(shù)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(zhì)量和工作效率的提高起了很大促進(jìn)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(shí)，還將擰緊扭矩控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在扭矩扳手的眾多品種中，大批量生產(chǎn)行業(yè)（如汽車、摩托車、空調(diào)等）的裝配工位應(yīng)用最多的是定值式（又名“預(yù)置式”）扭矩扳手。這是一種人們已相當(dāng)熟悉的工具，其結(jié)構(gòu)較簡單，扭矩的產(chǎn)生和改變主要通過調(diào)整扭矩彈簧實(shí)現(xiàn)，預(yù)置的扭矩值必須由專人將扳手放入相關(guān)儀器才能調(diào)出。操作時(shí)，手持扳手沿順時(shí)針方向?qū)B接螺栓施加一個(gè)平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)力矩，此時(shí)扭矩扳手內(nèi)部會產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)力矩，從而引起包括扭矩彈簧在內(nèi)的有關(guān)部件的位移。當(dāng)扳手轉(zhuǎn)到某一狀態(tài)時(shí)，會聽到“咔噠”的機(jī)械響聲，表明已達(dá)到設(shè)定的裝配扭矩值。
此類扳手具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便直觀、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，扭矩控制精度也較高（可達(dá)到±4%），能夠滿足裝配質(zhì)量要求。但有一個(gè)顯著缺點(diǎn)，就是對操作者有較高要求，整個(gè)擰緊過程必須十分平穩(wěn)，在即將達(dá)到設(shè)定扭矩值時(shí)，如用力過猛，將產(chǎn)生很大的誤差。在一典型實(shí)例中，裝配扭矩設(shè)定值為17.5Nm，控制范圍為±3.5Nm。由于擰緊時(shí)用力太猛，最終產(chǎn)生的裝配扭矩達(dá)到23Nm，已大大超差。從圖中可見，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值（17.5Nm）、扳手發(fā)出“咔噠”聲時(shí)，因機(jī)械作用，扳手內(nèi)的反力矩會有一個(gè)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(tǒng)產(chǎn)品純機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理，但由于增加了成熟的扭力軸/電阻應(yīng)變傳感器和信號控制環(huán)節(jié)，可徹底消除原有定值扳手的技術(shù)缺陷。需要指出，這種新產(chǎn)品仍然保留了傳統(tǒng)定值扳手的主要特點(diǎn)，即當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到額定值時(shí)會發(fā)出“咔噠”聲，因此國外仍將該產(chǎn)品稱為“clicking torque wrench”。但是，電子扳手已無需利用儀器進(jìn)行預(yù)置值的設(shè)定和相應(yīng)調(diào)整。
在扳手桿部的黑色底版上嵌有3個(gè)醒目的LED（發(fā)光二極管），其開始閃爍的時(shí)間與扳手達(dá)到的扭矩值相對應(yīng)，也能預(yù)先設(shè)置。具體規(guī)定如下：
（1）操作者手持扳手進(jìn)行擰緊操作時(shí)，當(dāng)產(chǎn)生的裝配扭矩達(dá)到設(shè)定值下限的50%時(shí)（相當(dāng)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(dāng)裝配扭矩達(dá)到設(shè)定值的下限（14Nm）時(shí)，黃燈停止閃爍，右邊的綠燈點(diǎn)亮，此后操作者只需稍加施力，即可聽到扳手發(fā)出“喀噠”聲，表示擰緊力矩達(dá)到設(shè)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(shè)定值的上限（21Nm），或尚未達(dá)到下限值14Nm就停止擰緊，都會引起左側(cè)紅燈點(diǎn)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(shù)，新型電子定值扭矩扳手還能將實(shí)際擰緊扭矩值發(fā)送到一個(gè)工作站。中間的模塊用于顯示和編程；左側(cè)模塊是一適配器，可將存儲數(shù)據(jù)通過RS232接口輸出；右側(cè)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(gè)LCD燈泡相對應(yīng)。圖3b是工作站居中模塊的頂視圖，其顯示狀態(tài)設(shè)定扭矩值為17.5Nm，而實(shí)際擰緊值達(dá)到23Nm；顯示屏周圍的按鈕用于編程和設(shè)置。藉此，這種定值扳手已無需預(yù)先用高精度儀器設(shè)定額定值。該工作站一次可存儲2000組數(shù)據(jù)（可根據(jù)用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展），并在輸出、刷新后繼續(xù)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(zhǔn)確、方便地執(zhí)行螺紋副連接裝配作業(yè)，而且可由定性質(zhì)量控制升級為定量控制，乃至可對記錄數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。工作站的作用距離可達(dá)15m，每個(gè)工作站能同時(shí)監(jiān)控5把扳手，根據(jù)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(yuǎn)的固定位置，供現(xiàn)場質(zhì)檢人員或生產(chǎn)線管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配工序的運(yùn)行。這種扳手的控制精度比純機(jī)械式定值扭矩扳手更高，可達(dá)±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(zhí)行生產(chǎn)線上的裝配作業(yè)。另一方面，對已經(jīng)裝配完畢的螺紋副連接進(jìn)行擰緊扭矩檢驗(yàn)，以判別其裝配質(zhì)量，也是一項(xiàng)重要且經(jīng)常實(shí)施的操作。此時(shí)就需要使用讀數(shù)式（也稱“指示型”）扭矩扳手。此類扳手品種較多，大致可分為機(jī)械指示和電子數(shù)顯兩大類，隨著電子、傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，后者在企業(yè)中的應(yīng)用比例正在增大，出現(xiàn)了各種具有拓展用途的新穎產(chǎn)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(shí)即時(shí)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(zhǔn)確把握停止時(shí)機(jī)。加上價(jià)格偏高等因素，使其推廣應(yīng)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(fā)了適用于裝配工序的快捷式電子扭矩扳手，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)突破。這種新型扳手外型短?。ㄅc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(gè)按鈕、兩個(gè)LCD指示燈和一個(gè)顯示框。利用“0”和“上”、“下”按鈕，可在顯示框中設(shè)置裝配扭矩額定值的上、下限（設(shè)定值分別為14Nm和21Nm），整個(gè)設(shè)置過程非常簡單。實(shí)施裝配作業(yè)時(shí)，當(dāng)擰緊扭矩逐漸增大，達(dá)到設(shè)定值的下限時(shí)，扳手控制面上的綠色LCD燈泡點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出一聲鳴叫。此時(shí)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(dāng)、用力過猛或注意力不集中時(shí)，擰緊扭矩才可能超過合格區(qū)域。當(dāng)超出設(shè)定值上限時(shí)，蜂鳴器會發(fā)出三聲鳴叫，同時(shí)控制面上的LCD紅色燈泡點(diǎn)亮，表明此時(shí)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(dāng)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(guī)格，檢測精度均為±4%，符合DIN EN ISO 6789標(biāo)準(zhǔn)要求。與普通電子扳手相比，經(jīng)“瘦身”的快捷式扳手價(jià)格較低，是一種專用于裝配生產(chǎn)線的高效工具，特別適合在多品種、中小批量生產(chǎn)場合使用。
（2）具有轉(zhuǎn)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(chǎn)現(xiàn)場裝配工序的新型工具。眾所周知，采用轉(zhuǎn)角－扭矩法擰緊工藝的通常是比較重要的螺紋副連接，企業(yè)裝配時(shí)往往使用內(nèi)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(dá)到±1%，角度控制精度為±5°，4種規(guī)格的產(chǎn)品可覆蓋2～800Nm的量程范圍。
按鈕用于對擰緊過程進(jìn)行編程、設(shè)置，指示燈提示不同的狀態(tài)，顯示框不但可顯示扭矩值，還能顯示轉(zhuǎn)角值和時(shí)間，以及在編程中涉及的工作參數(shù)名。在執(zhí)行轉(zhuǎn)角法擰緊工藝時(shí)，需要設(shè)定的參數(shù)主要包括：
①起始扭矩（DFF）：扳手先擰緊至起始扭矩，繼續(xù)扳緊時(shí)才開始進(jìn)行角度測量。例如，一般裝配工藝可標(biāo)注成60Nm+（90°±15°）的形式，此處的60Nm即為起始扭矩（DFF）。
②轉(zhuǎn)角允許下限（DLO）：上例中為：90°-15°=75°。當(dāng)扳手回轉(zhuǎn)至該角度時(shí)已進(jìn)入合格范圍。
③轉(zhuǎn)角允許上限（DHI）：上例中為：90°+15°=105°。當(dāng)扳手回轉(zhuǎn)至該角度時(shí)即達(dá)到合格范圍邊緣，繼續(xù)擰緊將會超差。盡管在轉(zhuǎn)角法裝配中，控制擰緊過程的參數(shù)是轉(zhuǎn)角，但實(shí)際上轉(zhuǎn)角與扭矩之間還是存在一定“正變”關(guān)系，為了更有效、可靠地控制裝配過程，除了必須設(shè)置轉(zhuǎn)角的上、下限外，無論對于電動擰緊槍還是具有轉(zhuǎn)角測量功能的電子扭矩扳手，都設(shè)置了另外兩項(xiàng)控制限（稱為“扭矩監(jiān)控窗口”），即扭矩監(jiān)控下限（LO）（一般規(guī)定LO至少應(yīng)比DFF大2Nm）和扭矩監(jiān)控上限（HI）。
根據(jù)扳手?jǐn)Q緊時(shí)裝配扭矩的實(shí)時(shí)狀態(tài)，扳手控制面上的2個(gè)LED指示燈結(jié)合蜂鳴器，能發(fā)出清晰的警示。具體方式為：
①當(dāng)扳手產(chǎn)生的擰緊扭矩或此時(shí)的轉(zhuǎn)角二者之一達(dá)到設(shè)定值DFF或DLO時(shí)，綠色指示燈開始閃爍。必須指出，在絕大多數(shù)情況下，總是先達(dá)到DFF，只有在所裝配的螺紋連接不合格時(shí)才會出現(xiàn)后一種情況。
②當(dāng)擰緊扭矩和相應(yīng)的轉(zhuǎn)角先后達(dá)到和越過DFF、DLO時(shí)，綠色指示燈停止閃爍，持續(xù)點(diǎn)亮。此時(shí)蜂鳴器發(fā)出一聲提示鳴叫。
③當(dāng)擰緊扭矩和相應(yīng)的轉(zhuǎn)角二者之一達(dá)到設(shè)定的上限值DHI或HI時(shí)，紅色指示燈開始閃爍。必須指出，在絕大多數(shù)情況下，總是先達(dá)到DHI，只有在所裝配的螺紋連接不合格時(shí)才會出現(xiàn)后一種情況。
④當(dāng)擰緊扭矩和相應(yīng)的轉(zhuǎn)角先后達(dá)到和越過DHI、HI時(shí)，紅色指示燈將持續(xù)點(diǎn)亮，蜂鳴器將連續(xù)發(fā)出5聲短促的鳴叫，表明此時(shí)的狀態(tài)已不合格。
這種新型扳手的另一項(xiàng)重要功能是能通過“宏編程”，一次在同一扳手上設(shè)置、存儲多達(dá)50個(gè)不同螺紋副連接的扭矩、轉(zhuǎn)角控制限，并分別命名為“step n”（n=1，2，3，…）。進(jìn)行擰緊裝配時(shí)，可按“順序操作”方式，從“step 1”直至設(shè)置的某一步；也可根據(jù)實(shí)際需要任意選取某一步（如“step 3”）后執(zhí)行相應(yīng)的擰緊操作。當(dāng)然，在這之前需進(jìn)行簡單的“選擇”設(shè)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(chǎn)的裝配工序，也適用于多品種、小批量生產(chǎn)方式，從而大大提升了其應(yīng)用價(jià)值。
此外，具有轉(zhuǎn)角檢測功能的電子扭矩扳手同樣也具備無線通訊、線外設(shè)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(yīng)用
功能拓展后的電子扭矩扳手除了能在生產(chǎn)線裝配工序中發(fā)揮積極作用外，還能對已完成裝配的螺紋連接進(jìn)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(zhì)量。不少汽車制造廠都明確規(guī)定，班組長或?qū)Ｂ殭z驗(yàn)員需手持讀數(shù)式扭矩扳手對裝配完畢的螺紋連接的擰緊扭矩進(jìn)行抽檢或全檢。如本文前言中提到的兩個(gè)剛建成的轎車總裝線，就嚴(yán)格執(zhí)行了這一程序。
②對于采用扭矩/轉(zhuǎn)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(jiān)控窗口的上下限或裝配部位常規(guī)抽檢的控制限，都需要首先連續(xù)檢測一批工件（一般n≥100），再對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)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(chǎn)品Audit過程中，利用扭矩扳手對重要螺紋副連接進(jìn)行檢查是企業(yè)一項(xiàng)不可或缺的作業(yè)。所謂“產(chǎn)品Audit”，是企業(yè)或部門對自己的終端產(chǎn)品（如整車、發(fā)動機(jī)、變速箱等）所執(zhí)行的規(guī)范試驗(yàn)或檢查的一套流程，一般按每班若干臺的方式進(jìn)行。
以上介紹的具有轉(zhuǎn)角檢測功能的電子扭矩扳手具有兩種工作模式，當(dāng)用于測試擰緊扭矩時(shí)，可選擇單一的“扭矩”模式，其操作時(shí)的性能均相同。由于用同一把扳手即可執(zhí)行多項(xiàng)不同性質(zhì)的操作，因此具有較高的性價(jià)比。此外，還有一類產(chǎn)品，除了不具備轉(zhuǎn)角檢測功能外，其外形及其他功能均與圖5所示產(chǎn)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(qiáng)度和出錯(cuò)率發(fā)揮重要作用。尤其是此類產(chǎn)品規(guī)范、完整而靈活的數(shù)據(jù)存儲、輸出和打印功能，可為實(shí)施嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測提供便利，因?yàn)槌藬Q緊扭矩測試值外，還可提供很多相關(guān)信息，如日期、時(shí)間、被測量代碼、上下控制限、工作性質(zhì)代碼（如生產(chǎn)線、總成等）、結(jié)果判別和其他。最終的輸出結(jié)果呈表格狀，每一次測試結(jié)果對應(yīng)一行，表述清晰、完整。
綜上所述，盡管扭矩扳手作為一種專業(yè)性較強(qiáng)的傳統(tǒng)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(shù)的注入，以及企業(yè)（尤其在汽車制造業(yè)）生產(chǎn)模式逐漸向超多品種、中小批量及精益生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，新一代高性能電子扭矩扳手仍然具有旺盛的生命力。
