ATLAS擰緊機(jī)外伸軸國產(chǎn)化

代志勇 孫曉彬 牟偉亭 李春平 王東興

（濰柴動(dòng)力股份有限公司一號工廠 山東濰坊）

濰柴動(dòng)力股份有限公司陸續(xù)從瑞典進(jìn)口8臺ATLAS螺栓擰緊機(jī)，每月擰緊軸的運(yùn)轉(zhuǎn)頻次近24萬次，使用頻率高，擰緊軸端外伸軸經(jīng)常斷裂，因此需要采購大量的備件作為儲備以保證生產(chǎn)。進(jìn)口外伸軸進(jìn)貨周期6個(gè)月甚至更長，嚴(yán)重制約了設(shè)備的正常運(yùn)行，影響生產(chǎn)，并且價(jià)格昂貴，生產(chǎn)商處于壟斷地位，每年設(shè)備維修費(fèi)用高。為了降低生產(chǎn)成本，徹底擺脫生產(chǎn)廠商的制約，對進(jìn)口外伸軸的材料、性能和強(qiáng)度進(jìn)行分析，經(jīng)研究和多次試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了外伸軸備件的自制生產(chǎn)，節(jié)約大量的設(shè)備維修費(fèi)用，每年為公司節(jié)約100萬余元。

1.ATLAS擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)

ATLAS擰緊機(jī)由n個(gè)驅(qū)動(dòng)器TC+擰緊軸構(gòu)成（圖1），可以同時(shí)擰緊n個(gè)螺栓，即1根擰緊軸對應(yīng)1個(gè)螺栓，n值是根據(jù)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(dá)、傳動(dòng)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(jī)構(gòu)成

圖2 擰緊軸結(jié)構(gòu)

擰緊機(jī)使用過程中，外伸軸經(jīng)常斷裂，每年斷裂30多件。外伸軸斷裂部位統(tǒng)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。外伸軸板頭軸肩即B—B線位置是兩個(gè)面相交基本上成1個(gè)90°的臺階，應(yīng)力集中在圓周線上，造成此處強(qiáng)度的降低；銷孔Φ6 mm偏大，也可能造成了板頭強(qiáng)度的降低。

（2）外伸軸使用頻次達(dá)到了壽命周期即材料的疲勞極限，正常斷裂。以擰緊機(jī)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(jī)，同時(shí)擰緊1件缸蓋上的4個(gè)螺栓，工藝要求分預(yù)擰緊和擰緊2次達(dá)到擰緊的目的。每天產(chǎn)量按650臺計(jì)算，擰緊軸每月的運(yùn)轉(zhuǎn)頻次234 000次，平均2個(gè)月左右斷1根外伸軸，據(jù)此計(jì)算外伸軸在使用頻次46.8萬次左右時(shí)出現(xiàn)斷裂，估計(jì)外伸軸的設(shè)計(jì)使用壽命50萬次（原始數(shù)據(jù)無法查證），外伸軸的斷裂可能屬于達(dá)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(huì)導(dǎo)致外伸軸的強(qiáng)度和韌性達(dá)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?yàn)椋和馍燧S局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷和外伸軸使用達(dá)到了疲勞極限。

3.外伸軸國產(chǎn)化研究與試驗(yàn)

（1）結(jié)構(gòu)改進(jìn)及加工工藝優(yōu)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(gè)R6.6 mm圓弧過渡面，同時(shí)改進(jìn)外伸軸加工工藝采用一刀成型，這樣就可以消除原裝進(jìn)口外伸軸兩端面相交出現(xiàn)應(yīng)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(qiáng)度。

圖4 外伸軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意

（2）外伸軸材料的選取及試驗(yàn)。

試驗(yàn)一 選用軸類零件常用材料45#鋼，價(jià)格便宜，經(jīng)過調(diào)質(zhì)或正火后，可以得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能，淬火后表面硬度可達(dá)45～52 HRC。45#鋼抗拉強(qiáng)度為 σb＞600 MPa，屈服強(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)6次就斷了，說明此材料不可用。

試驗(yàn)二 選用適于中等精度且轉(zhuǎn)速較高的軸類零件材料合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)或淬火后，具有較好的綜合機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)9次就斷了，說明此材料也不可用。

試驗(yàn)三 經(jīng)歷前2次試驗(yàn)的失敗后，對進(jìn)口外伸軸的材料進(jìn)行分析尋找突破口。材料成分分析結(jié)果表明，進(jìn)口外伸軸材料采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)無法找到與其相同的材料。經(jīng)過查詢大量資料和論證分析，確定了成分配比與進(jìn)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(qiáng)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(dāng)好。采用此材料試制1根，運(yùn)轉(zhuǎn)頻次大概在20萬次（25天左右）出現(xiàn)斷裂，此材料可選用，但與進(jìn)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(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，調(diào)質(zhì)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?？估瓘?qiáng)度σb＞1080 MPa，屈服強(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)頻次大概在60萬次（75天左右）出現(xiàn)斷裂，用此材料制作的外伸軸性能要求優(yōu)于進(jìn)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(jìn)口外伸軸進(jìn)貨周期長、費(fèi)用高等難題。進(jìn)口外伸軸每件的價(jià)格17 676.3元，而自制1件的費(fèi)用450元，單位每年使用30件左右，每年降低設(shè)備維修費(fèi)用50余萬元。目前此項(xiàng)技術(shù)已推廣到全公司，每年為公司節(jié)省費(fèi)用100多萬元。