運(yùn)用沖突矩陣解決加工中心精鏜連桿大小孔平行度超差的問題

王九合，王 峰，韓彥龍

(1.承德蘇墾銀河連桿有限公司，河北省發(fā)動機(jī)連桿技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 承德 067000;2.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，連桿作為動力傳遞部件連接曲軸和活塞做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。大小孔中心平行度要求為0.05/100 mm，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中的能源轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，它將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，將活塞的往復(fù)運(yùn)動傳遞給曲軸帶動外設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)。連桿大小孔的平行度是連桿的重要質(zhì)量特性，對發(fā)動機(jī)的噪音、性能等具有較大影響。本文介紹了應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新方法的沖突矩陣解決加工中心精鏜連桿大小孔平行度超差問題的方法[1-3]。

1 問題背景和描述

1.1 問題的背景

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，連桿作為動力傳遞部件連接曲軸和活塞做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。大小孔中心平行度要求為0.05/100 mm，作為連桿的關(guān)鍵產(chǎn)品特性，對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起到重要作用，平行度超差會造成活塞及缸套的偏磨，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生噪音。

當(dāng)連桿大孔和瓦槽在同一工序加工時，為保證加工大孔及切削瓦槽時連桿不會移動，連桿的夾緊力需要大于2 000 N, 連桿在夾緊后會產(chǎn)生彈性變形，連桿松開后彈性變形會釋放。連桿精磨后，兩端面的平行度約為0.04 mm連桿大小孔加工后平行度超差的比例達(dá)到5%。

1.2 問題的描述

(1)定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

問題所在技術(shù)系統(tǒng)為：精鏜工藝系統(tǒng);該技術(shù)系統(tǒng)的功能為：精鏜大小孔、倒角、銑瓦槽。實(shí)現(xiàn)該功能的約束有：經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行，成本和節(jié)拍滿足要求，切屑力>2 000 N、夾具夾緊力>2 000 N、大小孔軸平行度<0.05/100 mm。

(2)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

該工序的工藝系統(tǒng)由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成(見圖1)。

夾具系統(tǒng)由大頭定位件、壓緊件，及小頭定位件和壓緊件組成；連桿的大小頭端面對應(yīng)的夾具定位面分別為4個小平面。

2 問題分析

2.1 功能分析

確定原有系統(tǒng)的制品、元件和超系統(tǒng)元件，建立已有系統(tǒng)的功能模型見圖2所示。通過功能模型分析，描述了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，并得出導(dǎo)致連桿兩孔平行度超差問題的功能因素有以下幾點(diǎn)：

(1)定位元件和連桿之間的定位功能不足，由于連桿端面存在平行度誤差，造成連桿與定位元件的接觸位置變動；

(2)由于連桿定位點(diǎn)與夾緊點(diǎn)未對正及夾緊力大，夾緊元件和連桿之間的夾緊過程使連桿產(chǎn)生變形。

(3)由于在加工大小孔時存在刀具磨損，會影響孔的圓柱度和兩孔的平行度。

2.2 因果分析

根據(jù)原有系統(tǒng)的工作原理和功能模型，為了確定原有系統(tǒng)存在問題的根本原因，建立因果鏈分析過程如圖3所示。

分析得出原有系統(tǒng)存在的問題存在以下幾個問題關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)定位元件面積大，造成支撐點(diǎn)不確定；

(2)連桿兩端面平行度超差；

(3)壓緊元件面積大，造成壓緊力作用位置不確定；

(4)壓緊力大，造成連桿彎曲變形；

3 問題求解

(1)技術(shù)沖突應(yīng)用一：為了減小系統(tǒng)的夾緊變形，減小夾緊力，但這樣會導(dǎo)致加工瓦槽時工件移動。

改進(jìn)：應(yīng)力

惡化：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

查找沖突矩陣，找到發(fā)明原理。

方案一：依據(jù)預(yù)操作和緊急行動發(fā)明原理，得到解為L型定位元件。

方案細(xì)述：在定位元件的外側(cè)加豎向結(jié)構(gòu)，形成L型，可雙向夾緊。定位元件數(shù)量為三個，形成三點(diǎn)平衡，定位元件的下方設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)和加緊裝置，加工瓦槽時加大夾緊力，加工結(jié)束后恢復(fù)正常狀態(tài)(見圖4)。

方案二：依據(jù)參數(shù)變化發(fā)明原理，得到解為電磁固定器。

方案細(xì)述：電磁固定器位于加工件的下方，采用電磁鐵與永磁鐵同向相斥與異向相吸的工作原理，實(shí)現(xiàn)對加工件的固定(見圖5)。

(2)技術(shù)沖突應(yīng)用二：為了減小系統(tǒng)的夾緊變形，減小端面定位點(diǎn)的面積，但這樣做了會導(dǎo)致磨損加劇。

改進(jìn)：靜止物體的面積

惡化：影響物體的有害因素

查找沖突矩陣，找到發(fā)明原理。

方案三：依據(jù)分離原理，得到解為階梯定位器。

方案細(xì)述：將連桿精鏜夾具的大頭定位點(diǎn)由4個變?yōu)?個，將每一個定位元件均設(shè)計(jì)為階梯狀，其加緊方式如圖6所示。

在夾緊定位元件的工作過程中，逐次使用不同臺階面進(jìn)行夾緊操作，當(dāng)一個臺階進(jìn)行磨損后，替換臺階面進(jìn)行夾緊操作，如此輪替，可延長夾具的使用壽命。

方案四：依據(jù)分離原理，得到解為減少定位端面。

方案細(xì)述：將連桿精鏜夾具的大頭定位點(diǎn)由4個面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對應(yīng)的2個面，將小頭定位點(diǎn)由4個面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對應(yīng)的1個面(見圖7)。

方案評價：本設(shè)計(jì)方案對原加工系統(tǒng)改動小，易實(shí)施，可以有效降低大小孔軸平行度的超差比例。

(3)物理沖突解決過程

為了減小系統(tǒng)的夾緊變形，需要參數(shù)端面定位點(diǎn)的面積為“小”，但又為了增加系統(tǒng)可靠性，需要參數(shù)為“大”?？紤]到該參數(shù)在不同的“條件下” 具有不同的特性，因此該沖突可以從“條件” 上進(jìn)行分離。

方案五：依據(jù)參數(shù)變化原理，得到解為空氣壓力倉。

方案細(xì)述：在夾具底座的下方安裝空氣壓力艙，觸摸屏(PLC)對壓力的大小進(jìn)行控制。

鏜孔時壓力艙壓力正常夾緊連桿；加工瓦槽時，壓力艙內(nèi)壓力升高，加大對連桿的夾緊力度，不會對連桿造成大的壓力影響又能滿足加工需求(見圖8)。

4 方案可用性評估

針對以上設(shè)計(jì)方案，從性能提升、生產(chǎn)成本、對原生產(chǎn)線的變動量等多個方面對比，將方案的可用性評估分析如下：經(jīng)過方案對比，以對原有流水線改動最小，提升合格率最高為出發(fā)點(diǎn)確定最終解為減少定位端面。方案具體為：將連桿精鏜夾具的大頭定位點(diǎn)由4個面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對應(yīng)的2個面，將小頭定位點(diǎn)由4個面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對應(yīng)的1個面。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，對精鏜工藝的夾具設(shè)計(jì)如圖9所示。

本設(shè)計(jì)方案在企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，將精鏜工藝中連桿大小孔軸的平行度超差率由5%降低至2%，超差產(chǎn)品率降低了3個百分點(diǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)價值，值得推廣使用。圖10為本方案在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用照片。

5 結(jié)束語

總之，隨著汽車行業(yè)的不斷進(jìn)步對汽車各種性能要求也在不斷提高。低噪聲發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)已成為一個重要的研究方向，其中連桿大小孔平行度的控制對降低發(fā)動機(jī)噪音具有重要作用。