ATLAS擰緊機外伸軸國產化

代志勇 孫曉彬 牟偉亭 李春平 王東興

（濰柴動力股份有限公司一號工廠 山東濰坊）

濰柴動力股份有限公司陸續從瑞典進口8臺ATLAS螺栓擰緊機，每月擰緊軸的運轉頻次近24萬次，使用頻率高，擰緊軸端外伸軸經常斷裂，因此需要采購大量的備件作為儲備以保證生產。進口外伸軸進貨周期6個月甚至更長，嚴重制約了設備的正常運行，影響生產，并且價格昂貴，生產商處于壟斷地位，每年設備維修費用高。為了降低生產成本，徹底擺脫生產廠商的制約，對進口外伸軸的材料、性能和強度進行分析，經研究和多次試驗，實現了外伸軸備件的自制生產，節約大量的設備維修費用，每年為公司節約100萬余元。

1.ATLAS擰緊機結構

ATLAS擰緊機由n個驅動器TC+擰緊軸構成（圖1），可以同時擰緊n個螺栓，即1根擰緊軸對應1個螺栓，n值是根據工藝要求來確定。螺栓擰緊控制方式有3種：扭矩控制、角度控制、扭矩+角度控制。

如圖2所示，擰緊軸由馬達、傳動齒輪單元、測量傳感器單元、前端齒輪組件、外伸軸組成。

2.外伸軸斷裂原因分析

圖1 ATLAS擰緊機構成

圖2 擰緊軸結構

擰緊機使用過程中，外伸軸經常斷裂，每年斷裂30多件。外伸軸斷裂部位統計，80%在扳頭軸肩部位斷裂（圖3 B—B線），20%在軸端板頭Φ6 mm銷孔部位斷裂（圖3 A—A線）。

圖3 外伸軸斷裂部位示意圖

分析外伸軸斷裂原因，可能存在以下3種情況。

（1）局部結構設計不合理。外伸軸板頭軸肩即B—B線位置是兩個面相交基本上成1個90°的臺階，應力集中在圓周線上，造成此處強度的降低；銷孔Φ6 mm偏大，也可能造成了板頭強度的降低。

（2）外伸軸使用頻次達到了壽命周期即材料的疲勞極限，正常斷裂。以擰緊機擰緊缸蓋主螺栓為例，缸蓋主螺栓擰緊是1臺4軸（n=4）擰緊機，同時擰緊1件缸蓋上的4個螺栓，工藝要求分預擰緊和擰緊2次達到擰緊的目的。每天產量按650臺計算，擰緊軸每月的運轉頻次234 000次，平均2個月左右斷1根外伸軸，據此計算外伸軸在使用頻次46.8萬次左右時出現斷裂，估計外伸軸的設計使用壽命50萬次（原始數據無法查證），外伸軸的斷裂可能屬于達到使用疲勞極限。

（3）外伸軸本身材料選取不合理。材料選取不合理可能會導致外伸軸的強度和韌性達不到要求，造成外伸軸使用壽命降低，此條原因的可能性很小。

綜上分析，外伸軸斷裂可能原因為：外伸軸局部結構設計存在缺陷和外伸軸使用達到了疲勞極限。

3.外伸軸國產化研究與試驗

（1）結構改進及加工工藝優化。①在外伸軸的軸端扳頭軸肩部位，平面與圓柱端面相交的位置（圖4中C處）增加了1個R6.6 mm圓弧過渡面，同時改進外伸軸加工工藝采用一刀成型，這樣就可以消除原裝進口外伸軸兩端面相交出現應力比較集中的問題。②外伸軸扳頭部位的銷孔由Φ6 mm改成Φ4 mm（圖4），孔徑的減小提高了外伸軸的強度。

圖4 外伸軸結構改進示意

（2）外伸軸材料的選取及試驗。

試驗一 選用軸類零件常用材料45#鋼，價格便宜，經過調質或正火后，可以得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能，淬火后表面硬度可達45～52 HRC。45#鋼抗拉強度為 σb＞600 MPa，屈服強度為 σs＞355 MPa，伸長率為ψ＞16%，沖擊功為AK＞39 J。用此材料試制1根，運轉6次就斷了，說明此材料不可用。

試驗二 選用適于中等精度且轉速較高的軸類零件材料合金結構鋼40Cr，這類鋼經調質或淬火后，具有較好的綜合機械性能，抗拉強度 σb＞1 030 MPa，σs＞835 MPa，伸長率 ψ＞9%,沖擊功AK＞39 J。同樣試制1根，運轉9次就斷了，說明此材料也不可用。

試驗三 經歷前2次試驗的失敗后，對進口外伸軸的材料進行分析尋找突破口。材料成分分析結果表明，進口外伸軸材料采用歐洲標準，在國內無法找到與其相同的材料。經過查詢大量資料和論證分析，確定了成分配比與進口材料相近的兩種材料20CrMnTi和 42CrMo。

①采用滲碳鋼20CrMnTi，其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi表面滲碳硬化處理用鋼，良好加工性，變形微小，抗疲勞性能相當好。采用此材料試制1根，運轉頻次大概在20萬次（25天左右）出現斷裂，此材料可選用，但與進口外伸軸性能還有差距。②采用合金鋼材料42CrMo鋼，屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。抗拉強度σb＞1080 MPa，屈服強度 σs＞930 MPa，伸長率 δ＞12%，斷面收縮率 ψ＞45%，沖擊功 AK＞63 J，沖擊韌性值 αkv＞78，硬度＞217 HB。采用此材料試制1根，運轉頻次大概在60萬次（75天左右）出現斷裂，用此材料制作的外伸軸性能要求優于進口外伸軸，完全可以替代。

42CrMo鋼作為外伸軸的替代材料，徹底解決了進口外伸軸進貨周期長、費用高等難題。進口外伸軸每件的價格17 676.3元，而自制1件的費用450元，單位每年使用30件左右，每年降低設備維修費用50余萬元。目前此項技術已推廣到全公司，每年為公司節省費用100多萬元。