曲軸質(zhì)量定心機(jī)夾具改進(jìn)研究

莫祖源 李鑫泉 李?yuàn)^吉

摘要：為了確保曲軸的質(zhì)心與其中心孔一致，首先要確定曲軸的質(zhì)心位置，并將該信息傳遞至機(jī)器設(shè)備，由此定位數(shù)據(jù)對中心孔進(jìn)行制造，這樣可以有效提高中心孔及質(zhì)心的匹配度，提高曲軸的動(dòng)態(tài)均衡性。在這一過程中，質(zhì)心檢測器負(fù)責(zé)零件固定，防止因旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致零件移動(dòng)，影響中心孔定位數(shù)據(jù)的精確性，導(dǎo)致質(zhì)心檢測器故障或松脫。基于此，本文主要研究曲軸質(zhì)量定心機(jī)夾具的改進(jìn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：曲軸；定心機(jī)；夾具彈簧；異常消耗

DOI：10.12433/zgkjtz.20233439

曲軸質(zhì)量定心機(jī)工件夾緊靠扭轉(zhuǎn)彈簧變形扭轉(zhuǎn)勢能夾緊力夾緊（下文統(tǒng)稱彈簧），夾具靠氣缸打開，彈簧扭轉(zhuǎn)受力，夾具為打開狀態(tài)；夾具夾緊，氣缸松開，彈簧釋放扭轉(zhuǎn)力夾具將曲軸夾緊，設(shè)備回歸原位狀態(tài)；夾具打開，彈簧受力扭轉(zhuǎn)，夾具存在彈性勢能，有夾傷人的安全隱患，彈簧一直受力扭轉(zhuǎn)，將加劇彈簧疲勞斷裂，達(dá)不到夾具彈簧使用壽命。

一、工藝分析

曲軸加工工藝：05上料—10鉆中心孔—15銑平衡塊側(cè)面—18打標(biāo)追溯—20車?yán)鬏S頸—30銑連桿頸—40鉆油孔—45中間清洗機(jī)—48曲軸淬火—50軸頸滾壓—60鉆中心孔攻絲—70車止推面—80軸頸磨削—90加工工藝孔攻絲—100磨削油封—110動(dòng)平衡—120機(jī)器人去毛刺—130軸頸拋光—140最終清洗—150終檢機(jī)—155下線。

從工藝流程上可以看到，曲軸的動(dòng)平衡工序一般都安排在最終機(jī)械加工后，即110工序。然而，對曲軸的不平衡程度產(chǎn)生影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機(jī)械制造過程中的鉆中心孔部分，這是第10工序。因此，需要確保鉆出的中心孔位于曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的中點(diǎn)，降低半成品的最原始不平衡值，減輕去除不平衡重的負(fù)擔(dān)，保障曲軸機(jī)械加工線上的生產(chǎn)節(jié)奏和效率。傳統(tǒng)的方法是在曲軸鉆中心孔過程中使用軸頸的外圓作為基準(zhǔn)點(diǎn)，基于幾何學(xué)的基本原則和原始工藝技巧尋找中心位置。然而，兩個(gè)外圓表面仍處于粗糙狀態(tài)，產(chǎn)生的幾何中心存在較大的偏移量。此外，曲軸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且毛坯制作精度較低，導(dǎo)致用外圓確定的位置與實(shí)際的質(zhì)心距離較大，造成110號工序中曲軸的初始不平衡值增大，可能過多地去除部分負(fù)荷，甚至需要從其他的負(fù)荷區(qū)域重新分配負(fù)荷。如此一來，可能對整個(gè)曲軸造成負(fù)面影響，因?yàn)槌隽祟A(yù)定的減重范圍而破壞曲軸。同時(shí)，過于強(qiáng)烈的減重也會影響引擎運(yùn)行的平穩(wěn)性和震動(dòng)情況。

二、曲軸質(zhì)量定心機(jī)作用

質(zhì)量定心是一個(gè)平衡過程，原理是找到曲軸的質(zhì)心后，精準(zhǔn)打磨曲軸的兩個(gè)末端，促使末端的質(zhì)心點(diǎn)與當(dāng)前的質(zhì)心相一致。這一步驟作為額外的操作步驟被添加到整個(gè)曲軸制造過程中，目的是優(yōu)化最后的曲軸的平衡效果。無論是鍛鋼制成的曲軸還是球鐵鑄造出的曲軸，目前都普遍采用了這種方法完成質(zhì)心定位。在10工序使用專門設(shè)計(jì)的質(zhì)心定位鉆頭制作中心孔，已實(shí)現(xiàn)了平衡。然而，當(dāng)進(jìn)入110工序時(shí)，由于機(jī)械加工的影響出現(xiàn)了新的不平衡現(xiàn)象。相比之下，利用幾何定心的曲軸在開始階段存在著更小的不平衡量，這是由于曲軸毛坯自身及機(jī)械加工導(dǎo)致的。同時(shí)，由于初始不平衡量相對較小，需要消除的重量也較有限，會減少鉆孔去除重量的次數(shù)和總量，降低平衡測試所需的時(shí)間，提高生產(chǎn)節(jié)奏感和外表面的質(zhì)量，滿足曲軸滿足產(chǎn)品的性能需求，并在引擎內(nèi)部正常運(yùn)行且具有穩(wěn)定的慣性質(zhì)量。此外，有助于提升后續(xù)工藝流程中的曲軸高效率加工能力。采用德國申克生產(chǎn)的RFJZ0033型精確定位曲軸設(shè)備處理鍛造鋼制曲軸，在10工序步驟前引入08工序名為質(zhì)量精準(zhǔn)定位機(jī)器，以確保準(zhǔn)確度，同時(shí)將這些信息傳遞至10工序即鉆取中心孔的位置，可以解決曲軸加工超節(jié)拍的問題。

三、曲軸質(zhì)量定心工藝的相關(guān)要求

曲軸動(dòng)平衡工藝分兩種：首先，在幾何中心處打出中心孔。這被稱為幾何定心的方式，優(yōu)勢在于不需要使用高質(zhì)量的定心機(jī)器，可以降低設(shè)備投入的費(fèi)用；缺陷在于一旦中心孔被打出來，會影響曲軸的平衡性，導(dǎo)致最后階段的動(dòng)態(tài)平衡儀出現(xiàn)過多偏差。其次，質(zhì)量定心的方式。從質(zhì)量中心開始打洞優(yōu)勢在于夾持器設(shè)計(jì)簡潔，可以確保曲軸的高效平衡，并有效控制最后的動(dòng)態(tài)平衡儀節(jié)奏，減少浪費(fèi)的可能性，但也相應(yīng)的帶來了一些挑戰(zhàn)，例如，需要更高的設(shè)備投資和維護(hù)成本，對夾具的一致性和精準(zhǔn)度也有較高的需求。因此，如果需要在節(jié)奏和品質(zhì)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可以優(yōu)先考慮幾何定心。

四、現(xiàn)狀及存在問題

曲軸質(zhì)量定心機(jī)常年因?yàn)閵A具而導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)4次，測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定8次，一次故障修復(fù)需要240min，故障原因是夾具彈簧斷裂。彈簧一年損壞4套，一套彈簧采購價(jià)格原裝彈簧1.4萬元，采購周期六個(gè)月以上，故存在以下問題：第一，彈簧屬設(shè)備易損件，需要定期（每年）檢查更換，設(shè)備總共用到四套彈簧，一次性更換四套彈簧需要5.6萬元備件成本，彈簧易損和原裝彈簧備件采購費(fèi)用昂貴及采購周期長。第二，彈簧斷裂，夾具無法動(dòng)作，工件夾緊不到位報(bào)錯(cuò)，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，影響下線產(chǎn)品輸出。第三，彈簧異常消耗，每年消耗8套彈簧，更換備件費(fèi)用昂貴。質(zhì)量定心機(jī)夾具示意圖如圖1所示，質(zhì)量定心機(jī)夾具彈簧實(shí)物圖如圖2所示。

五、問題原因分析

結(jié)合曲軸質(zhì)量定心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)曲軸的夾具和松開動(dòng)作。因此，對于彈簧的品質(zhì)有較高的需求，包括標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)必須精確無誤，保證其穩(wěn)定性和耐用性。據(jù)工廠反映，用于質(zhì)量定心機(jī)夾具中的彈簧時(shí)常出現(xiàn)破損的情況，為了探究這一問題，利用掃描電子顯微鏡、硬度測試儀和化學(xué)元素分析等做深入研究，并配合實(shí)地考察，對彈簧的損壞情況做故障分析。由此得出，主要問題在于彈簧折斷的現(xiàn)象：所有彈簧的斷裂點(diǎn)都呈多層堆疊形狀，且部分邊角存在撕扯痕跡，兩端的斷裂表面都是筆直的，表明在斷裂過程中沒有過多的塑形變化；所有的斷裂源頭都在彈簧的兩側(cè)邊緣區(qū)域，而且這些點(diǎn)的分布是相互對應(yīng)的，由此推測可能是因?yàn)閺椈蛇^度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致疲勞脆弱進(jìn)而引發(fā)斷裂。彈簧安裝部位及斷裂彈簧如圖3所示。

扭轉(zhuǎn)彈簧材質(zhì)為65Mn鋼，其化學(xué)成份分析結(jié)果和該鋼的GB1222－84國際數(shù)據(jù)對比情況如表1所示，由此可知，彈簧材質(zhì)65Mn鋼化學(xué)成份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足GB1222－84標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，彈簧在使用過程中，第一，由于夾具設(shè)計(jì)要求，彈簧受反復(fù)扭轉(zhuǎn)力，扭轉(zhuǎn)角度大于180°，加工一個(gè)工件彈簧反復(fù)扭轉(zhuǎn)一次，一天加工1000個(gè)零件，反復(fù)扭轉(zhuǎn)1000次；第二，彈簧在停機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)，彈簧處于最大角度扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間長，彈簧受扭轉(zhuǎn)力長時(shí)間未得釋放；第三，測量彈簧洛氏硬度，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

六、改進(jìn)方案

分析彈簧失效模式：彈簧片斷裂，夾具無法動(dòng)作，工件夾緊NOK，將斷裂的彈簧送到實(shí)驗(yàn)室檢測得知，斷裂原因是疲勞斷裂，針對彈簧易損和原裝彈簧備件采購費(fèi)用昂貴及采購周期長問題，改進(jìn)方案如下：

方案1：優(yōu)化彈簧夾緊力，根據(jù)收集的夾緊力數(shù)據(jù)，在能夾緊工件的前提下，調(diào)整彈簧的扭轉(zhuǎn)行程，減小扭轉(zhuǎn)力，延長彈簧疲勞壽命，根據(jù)維護(hù)手冊要求和結(jié)合彈簧扭矩?cái)?shù)據(jù)說明，調(diào)整彈簧的扭轉(zhuǎn)行程不滿足夾緊力要求，工件夾緊力需要≥90N.M，調(diào)整彈簧扭轉(zhuǎn)量后，工件夾緊力降低至45N.M，小于工件夾緊所需要夾緊力，工件可能夾不緊。因此，此方案不可行。彈簧夾緊數(shù)據(jù)如表2所示。

方案2：國產(chǎn)化彈簧報(bào)價(jià)456元/套，原裝彈簧1.4萬元/套，節(jié)約備件費(fèi)用5萬元/年，第一，測量原裝彈簧尺寸，繪制國產(chǎn)化彈簧；第二，詢價(jià)、加工國產(chǎn)化彈簧一套驗(yàn)證；第三，國產(chǎn)化彈簧上機(jī)測試夾緊數(shù)據(jù)；第四，國產(chǎn)化彈簧上機(jī)使用。經(jīng)驗(yàn)證，國產(chǎn)化彈簧可以滿足現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境要求及工藝要求，此方案可行。原裝彈簧和國產(chǎn)彈簧夾緊數(shù)據(jù)對比如表3所示。

方案3：優(yōu)化夾具動(dòng)作邏輯，降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度。第一，改進(jìn)前夾具動(dòng)作邏輯。機(jī)床回原位后夾具是打開狀態(tài)，設(shè)備關(guān)機(jī)斷電后夾具仍是打開狀態(tài)，考慮安全因素，彈簧動(dòng)作氣缸控制采用是三位五通中封閥，設(shè)備斷電斷氣氣缸是保壓狀態(tài)，因此彈簧扭轉(zhuǎn)受力存在勢能，彈簧一直被扭轉(zhuǎn)，有安全隱患和加劇彈簧疲勞斷裂。第二，改進(jìn)后夾具動(dòng)作邏輯。機(jī)床回原位后按下設(shè)備面板控制電斷電時(shí)夾具自動(dòng)動(dòng)作夾緊，前提條件是設(shè)備非自動(dòng)模式、不在標(biāo)定校準(zhǔn)模式，設(shè)備安全門關(guān)閉、電柜主開關(guān)未拉閘、無工件狀態(tài)，設(shè)備急停不會觸發(fā)自動(dòng)夾緊夾具，關(guān)機(jī)自動(dòng)夾緊夾具，釋放彈簧勢能，使彈簧不受扭轉(zhuǎn)力，降低彈簧的疲勞程度，即減緩彈簧因疲勞而斷裂損壞的速度。經(jīng)驗(yàn)證，此方案可行。設(shè)備夾具動(dòng)作邏輯優(yōu)化程序如圖4所示。

圖4? ?設(shè)備夾具動(dòng)作邏輯優(yōu)化程序

七、應(yīng)用效果

經(jīng)過應(yīng)用驗(yàn)證，優(yōu)化夾具動(dòng)作邏輯，關(guān)機(jī)自動(dòng)夾緊，可以降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度，消除安全隱患，帶彈性勢能檢修設(shè)備危險(xiǎn)性極高，員工有被夾傷風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化前彈簧斷裂每年8套，優(yōu)化后夾具邏輯動(dòng)作后，彈簧斷裂每年1～2套，即優(yōu)化夾具邏輯動(dòng)作可以大大延長彈簧的使用壽命，原來彈簧2個(gè)月斷一次，優(yōu)化夾具邏輯動(dòng)作后，使用壽命可達(dá)到8個(gè)月或更長時(shí)間，提升彈簧壽命每年節(jié)約金額（按原裝彈簧計(jì)算）約10萬元人民幣：備件節(jié)約=彈簧價(jià)格1.4萬×損壞數(shù)量7套=9.8萬元；國產(chǎn)化彈簧，每年節(jié)約購買彈簧費(fèi)用約5萬元人民幣；減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間節(jié)約金額約4萬元人民幣。改進(jìn)后的彈簧即可節(jié)約金額約19萬元人民幣：每年總節(jié)約=壽命提升每年節(jié)約100000+國產(chǎn)化節(jié)約50000+減小停線節(jié)約38976=189976元人民幣。

八、結(jié)語

第一，優(yōu)化彈簧夾緊力，根據(jù)收集的夾緊力數(shù)據(jù)，在能夾緊工件的前提下，調(diào)整彈簧的扭轉(zhuǎn)行程，減小扭轉(zhuǎn)力，延長彈簧疲勞壽命，調(diào)整彈簧扭轉(zhuǎn)行程，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，扭轉(zhuǎn)行程調(diào)小后零件夾緊不穩(wěn)定，無法準(zhǔn)確測量，造成測量誤差，故此方法不可行。

第二，國產(chǎn)化彈簧，降低采購成本，經(jīng)過夾緊數(shù)據(jù)對比和實(shí)際應(yīng)用，此方法可行。

第三，優(yōu)化夾具動(dòng)作邏輯，降低彈簧疲勞，減緩彈簧脆斷的速度，消除安全隱患，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方法可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]鐘群鵬.材料失效診斷、預(yù)測和預(yù)防[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2009.

[3]覃建方，盧雙桂.基于質(zhì)量定心技術(shù)（下轉(zhuǎn)第142頁）（上接第118頁）的曲軸加工制造[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（02）：72-73.

作者簡介：莫祖源（1990），男，廣西壯族自治區(qū)玉林市人，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的設(shè)備維護(hù)與管理；李鑫泉（1996），男，廣西壯族自治區(qū)平南縣人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的設(shè)備維護(hù)與管理；李?yuàn)^吉（1996），男，廣西壯族自治區(qū)貴港市人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的設(shè)備維護(hù)與管理。