發(fā)動機(jī)連桿清洗夾具方案的研究

張燦為，姜莉莉，陳伯豪，何汪洋

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

發(fā)動機(jī)是汽車的心臟和動力源，在工作的情況下需要高度清潔的環(huán)境，其質(zhì)量及性能的好壞與發(fā)動機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵零部件緊密相連［1］。作為發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件之一的連桿的清潔度好壞直接影響發(fā)動機(jī)的質(zhì)量和壽命。因此清洗在連桿制造過程中的重要性不言而喻。

目前國內(nèi)連桿的清洗方法較少，關(guān)鍵清洗技術(shù)較為薄弱，自動化程度不高。且傳統(tǒng)清洗技術(shù)效率低下，清洗工序累贅，工作環(huán)境惡劣，清洗不合格率大，清洗液不能循環(huán)利用，所以連桿自動清洗技術(shù)的研究迫在眉睫。

1 連桿清洗裝夾特點

連桿屬于發(fā)動機(jī)內(nèi)部典型的復(fù)雜件，精度要求高，形狀復(fù)雜，所以清洗工藝繁瑣，制造難度大。圖1 為該連桿結(jié)構(gòu)圖。

由結(jié)構(gòu)圖知，連桿有較多的螺紋孔、盲孔、通油孔等，這些孔要實現(xiàn)完全清洗，就要求與清洗機(jī)的噴頭一一對應(yīng)，精確定位。而在清洗過程中，噴頭的水壓對連桿的位置會產(chǎn)生影響，所以，要實現(xiàn)連桿的自動、高效清洗，一套高性能的夾具在連桿清洗設(shè)備的研制過程中顯得十分重要。

夾具的使用能穩(wěn)定地保證清洗過程中連桿的加工精度，使連桿相對于刀具及機(jī)床的位置精度不受工人技術(shù)水平的影響，使連桿裝夾方便、快速，連桿無需劃線找正，可顯著地減少輔助工時，同時提高生產(chǎn)率。

圖1 連桿結(jié)構(gòu)圖

夾具按其專門化程度可分為通用夾具、專用夾具、通用可調(diào)夾具和成組夾具、組合夾具和隨行夾具5 種。其中專用夾具是指專為某一工件的某道工序而專門設(shè)計的夾具，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，操作迅速、方便、省力，可以保證較高的加工精度和生產(chǎn)效率。由于該型號連桿上有較多的孔，很難找到與之結(jié)構(gòu)相似的工件，所以應(yīng)為該清洗工序設(shè)計專門的夾具。

2 清洗夾具的備選方案介紹

結(jié)合上述連桿裝夾特點及現(xiàn)場工況，并參考國內(nèi)外同行清洗設(shè)備，提出了3 種預(yù)選方案，分別是氣動側(cè)邊夾具、氣動端頭夾具、懸掛夾具。下面將分別詳細(xì)介紹這3 種方案的可行性及特點。

2.1 氣動側(cè)邊夾具

氣動側(cè)邊夾具機(jī)構(gòu)在制造業(yè)、工程機(jī)械及其他領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。結(jié)合連桿的獨特特征，氣動夾具具有結(jié)構(gòu)完善、使用方便、效率高、可行性高等特點，所以氣動側(cè)邊夾具成為最初的備選方案。如圖2 所示。

圖2 氣動側(cè)邊夾具結(jié)構(gòu)圖

該夾具由多個氣缸、夾緊定位銷、支撐定位銷及支撐板等組成，裝置驅(qū)動部分采用氣動系統(tǒng)，通過氣源提供氣體作用于氣缸，使得氣缸缸桿往返伸縮。用耐腐蝕耐磨損的尼龍材料做成3 種不同的定位銷，用于連桿定位中夾具體的夾緊與放松。其中最小的定位銷(即圖(a)中的綠色部分)安置在夾具兩端氣缸缸桿上，定位銷頂面略帶曲面，便于與連桿曲面的完全接觸;稍大一些的定位銷與作用連桿小端孔氣缸缸桿相連接，為更好地定位，定位銷做成臺階式;最大的定位銷與作用在連桿大端孔氣缸缸桿相連接，出于同樣的原因，定位銷做成臺階形式。兩個大定位銷的伸出與退回通過在支撐板上開適當(dāng)?shù)目讓崿F(xiàn)，而最小的定位銷通過氣缸固定架固定在支撐板上。由于固定在支撐板下面的這些氣缸的作用，保證了連桿的穩(wěn)定及定位，以及保證連桿被夾緊后在清洗過程中不容易因為高壓清洗而產(chǎn)生晃動等，同時也使工作人員平穩(wěn)安全地操作。

通過對該夾具的分析知:該裝置操作簡單、反應(yīng)快、定位性強(qiáng)，優(yōu)點顯而易見;但是由于質(zhì)量大、體積大、成套配置導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以系統(tǒng)繁瑣、動作剛度性能差，整體穩(wěn)定、安全性亦不能保證，故缺點同樣明顯。

2.2 氣動端頭夾具

鑒于氣動側(cè)邊夾具的缺點，對其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，便得到了氣動端頭夾具。雖然該裝置看似結(jié)構(gòu)簡單，但其具有靈活性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點。由于在連桿清洗過程中，噴頭對連桿會形成渦流以及直接的沖擊，所以設(shè)計夾緊裝置時出于兩方面的考慮，一方面是氣動定位銷的定位，另一部分是氣動定位后的夾緊。其夾緊夾具的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 氣動端頭夾具結(jié)構(gòu)圖

由其名字可知，氣動端頭夾具的主體設(shè)計還是建立在氣動夾具的基礎(chǔ)之上。裝置由多個氣缸、夾緊定位銷、支撐板等組成，氣缸被固定在支撐板的背面，氣缸的缸桿尾部連接夾緊定位銷。將夾緊定位銷加工成柱面呈現(xiàn)凹曲面型，曲面半徑小于連桿兩側(cè)面的曲面半徑并大致吻合。依然選擇尼龍作為夾緊定位銷材料，它不僅用于連桿的定位，并且為了便于連桿的放置和取出，兩夾緊定位銷之間的間距僅比連桿最小處尺寸大10 mm。通過其自身重力作用，連桿緊緊夾在兩定位銷之間，這樣在保證連桿夾緊定位的同時，由于連桿體受到高壓沖擊力的作用會產(chǎn)生少許擺動，使得一些平常難以清洗的死角在渦流狀態(tài)下得到清洗，同時工作人員操作簡單安全。

氣動端頭夾具依然采用工作效率高、定位快速的氣動技術(shù)完成整個機(jī)構(gòu)的定位夾緊過程，依靠氣源作用于氣缸實現(xiàn)缸桿的往復(fù)運(yùn)動過程，通過定位銷的伸縮實現(xiàn)對連桿的定位，連桿自身的重力則充當(dāng)著主要的夾緊力。

氣動端頭夾具解決了氣動側(cè)邊夾具穩(wěn)定性不高、安全性差等問題，但其自身又產(chǎn)生了新的問題。夾具的取放完全依靠人工，自動化程度不高;且清洗過程中的水壓對連桿的沖擊會使連桿產(chǎn)生擺動，當(dāng)連桿擺動到離噴頭較遠(yuǎn)位置時，清洗力度將會減弱，以上兩方面嚴(yán)重影響了清洗效率。

2.3 懸掛夾具

在前兩套方案都不甚理想的情況下，綜合提出了第3 套方案:連桿懸掛夾具。該裝置利用“懸掛”原理進(jìn)行定位，主要的設(shè)計依據(jù)來源于連桿小端孔結(jié)構(gòu)以及清洗需要，并綜合利用上面兩種方案的優(yōu)點，設(shè)計的夾具具有一定的創(chuàng)造性。

懸掛夾具主要由以下部分組成:夾具機(jī)架、連桿體定位銷、螺栓定位圈、連桿蓋固定螺桿、連桿蓋定位螺栓、連桿體定位桿等。此夾具的最大特點是其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)及易于操作，一次性批量大，充分利用連桿自身優(yōu)勢，構(gòu)造符合結(jié)構(gòu)特征的清洗條件。圖4 是其結(jié)構(gòu)圖。

圖4 懸掛夾具結(jié)構(gòu)圖

同時與上述兩套方案的一個最大的區(qū)別是該夾具沒有利用氣動技術(shù)，而是借助連桿自身特點，一次懸掛多個使得清洗效率更高。夾具機(jī)架的主載體由一根實心方形鐵和多條方形鐵片焊接而成，在機(jī)架的第二排依次放置連桿蓋定位螺栓和連桿螺栓定位圈，在第三排制作相應(yīng)的數(shù)個連桿體定位銷，同時間隔性地布置連桿蓋固定螺栓，在最后一排制作相應(yīng)的定位桿數(shù)個。在操作過程中，將連桿拆分成連桿體、連桿蓋、螺栓等，然后依次將各零部件安放在懸掛夾具上。

從懸掛夾具的結(jié)構(gòu)及性能分析，該夾具在結(jié)構(gòu)上比氣動夾具和夾緊夾具更簡單，為整個裝置的研制減少成本，同時整體穩(wěn)定性得到提高，并且夾具與運(yùn)動系統(tǒng)具有較高的靈活性，操作員使用安全簡單。

3 夾具最終方案的確定

通過對上述3 種方案的介紹及其綜合性能的分析，最終甄選出最佳的方案，具體情況見表1。

表1 夾具的三種方案比較

由表1 可見:方案三懸掛夾具機(jī)構(gòu)綜合性能最好。雖然存在效率和自動化程度相對其他夾具較低的問題，考慮到夾具的工作性質(zhì)主要為清洗裝置提供可靠服務(wù)，所以首要考慮的問題應(yīng)該是功能的完備與穩(wěn)定性，而不是過于追求效率。且懸掛夾具可以根據(jù)需要制作，可懸掛的連桿數(shù)目根據(jù)設(shè)計而定，在一定范圍內(nèi)，數(shù)目越大清洗效率越高。

4 結(jié)束語

通過對連桿清洗中3 種夾具方案的討論與分析，得出了最適合該型號連桿的方案。該方案定位夾緊好、靈活性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、安全穩(wěn)定性高，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期。目前該方案已用于生產(chǎn)線上，實際運(yùn)行結(jié)果表明:該方案不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度，同時降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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