氣門鎖片壓裝機(jī)技術(shù)改造

楊波

北京福田康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 北京 102206

1 序言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的核心部件之一，是汽車動(dòng)力的源頭，其質(zhì)量對(duì)車輛的性能及安全起著關(guān)鍵性的作用。氣門是專門負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入燃料并排出廢氣的零件。本文介紹的氣門鎖片安裝在ISF 2.8L發(fā)動(dòng)機(jī)上，此發(fā)動(dòng)機(jī)是康明斯與北汽福田針對(duì)小排量市場(chǎng)合作生產(chǎn)的直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用多氣門技術(shù)，每個(gè)氣缸布置4個(gè)氣門，共16個(gè)氣門。這種多氣門結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以使油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的質(zhì)量和開度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門開啟或閉合的速度更快。總之，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的質(zhì)量好壞直接關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)以及車輛的安全問題。

本文針對(duì)ISF 2.8L發(fā)動(dòng)機(jī)鎖片裝配的典型故障，重點(diǎn)介紹了因某些欠缺而造成的裝配質(zhì)量問題及后續(xù)的改善措施[1]；通過FTA分析和模型結(jié)構(gòu)及動(dòng)作的分析得出結(jié)果，并制定了一系列的監(jiān)控與防范措施，杜絕鎖片壓裝故障。

2 鎖片壓裝機(jī)常見故障及故障分析

氣門是控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器的外圍，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣與噴油器的動(dòng)作時(shí)間配比。氣門靠鎖片夾緊在氣門導(dǎo)桿上（見圖1）[2]，而鎖片較小，在安裝過程中有很多不確定因素，要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化裝配是十分困難的。鎖片裝配的質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能甚至車輛的安全性，所以鎖片的選擇和裝配質(zhì)量在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中是極其重要的。鎖片壓裝機(jī)壓頭的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，料座的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 氣門鎖片安裝示意

圖2 鎖片壓裝機(jī)壓頭結(jié)構(gòu)示意

圖3 鎖片壓裝機(jī)料座結(jié)構(gòu)示意

2.1 故障統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工故障率（裝配欠缺）及故障狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，共加工156件，質(zhì)量故障：50件（壓裝缺陷），一次合格率：67.9%（見圖4）。

圖4 鎖片壓裝一次合格率

跟蹤統(tǒng)計(jì)存在的欠缺（鎖片壓裝質(zhì)量問題）如圖5所示。

圖5 鎖片壓裝故障分析

2.2 基于鎖片壓裝機(jī)現(xiàn)有故障的分析

1）鎖片壓裝突出，如圖6所示，共36件鎖片突出，占不合格件比例達(dá)72%。欠缺特征：個(gè)別鎖片有壓痕及變形。直觀原因：卡爪夾緊點(diǎn)到彈簧上座距離過大，當(dāng)壓頭上行時(shí)，造成鎖片打開趨勢(shì)過大，導(dǎo)致鎖片在氣門環(huán)槽與彈簧上座小臺(tái)階之間頂死。

圖6 鎖片壓裝突出

2）鎖片壓裝不到位，如圖7所示，共5件鎖片突出，占不合格件比例為10%。欠缺特征：有輕微壓痕。直觀原因：鎖片圓弧上部凸緣處有缺陷（外形不飽滿），導(dǎo)致鎖片無法被鎖緊于氣門環(huán)槽中。

圖7 鎖片壓裝不到位

3）漏裝鎖片，共4件僅壓裝1個(gè)鎖片，如圖8所示，占不合格件比例為8%。欠缺特征：有壓痕。直觀原因：鎖片壓裝不到位，在下一工位（氣門拍打）鎖片被敲擊出鎖緊位置；或壓頭取料時(shí)，鎖片沒能完全滑入壓頭中，導(dǎo)致壓裝時(shí)鎖片脫落。

圖8 僅壓裝1個(gè)鎖片

4）鎖片突出并變形，如圖9所示，共1件，占不合格件比例為2%。欠缺特征：鎖片嚴(yán)重變形。直觀原因：壓頭從料座取鎖片時(shí)壓傷鎖片或料座內(nèi)心軸與鎖片定位平臺(tái)間隙過大，導(dǎo)致取料時(shí)鎖片薄邊落入間隙中或壓頭內(nèi)，卡爪打開不自由，導(dǎo)致取料時(shí)擠傷鎖片。

圖9 鎖片突出并變形

5）多壓裝鎖片，如圖10所示，壓裝了3個(gè)鎖片，共1件，占不合格件比例為2%。欠缺特征：鎖片變形。

圖10 多壓裝鎖片

直觀原因：壓頭心軸與氣門導(dǎo)桿不對(duì)中；壓裝氣缸向下行程過大。

2.3 臨時(shí)改進(jìn)措施

1）對(duì)供應(yīng)商供貨質(zhì)量嚴(yán)加控制，對(duì)所有進(jìn)場(chǎng)鎖片100%檢測(cè)。

2）對(duì)進(jìn)場(chǎng)鎖片進(jìn)行消磁處理。

3）對(duì)設(shè)備料座及壓頭等關(guān)鍵部件定期進(jìn)行消磁處理。

4）設(shè)置雙工位進(jìn)行檢測(cè)壓裝質(zhì)量，并作檢驗(yàn)合格記號(hào)。

5）制作專用檢具，檢測(cè)壓裝質(zhì)量。

設(shè)備經(jīng)維修調(diào)整后，鎖片壓裝突出問題得到改善。設(shè)備維修前后統(tǒng)計(jì)的故障率對(duì)比見表1和表2。

表1 設(shè)備維修前鎖片壓裝故障率統(tǒng)計(jì) （%）

表2 設(shè)備維修后鎖片壓裝故障率統(tǒng)計(jì) （%）

3 氣門鎖片壓裝機(jī)的工作原理及鎖片壓裝失效分析

3.1 鎖片特殊性

此款發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸，16氣門控制，單次壓裝同側(cè)4個(gè)氣門，分4次壓裝完畢。ISF 2.8L發(fā)動(dòng)機(jī)的鎖片較?。ㄒ妶D11）；鎖片體的厚度僅為1.6L汽油機(jī)鎖片的1/6，高度僅為1.6L汽油機(jī)鎖片的4/5。

圖11 ISF 2.8L氣門鎖片與其他鎖片比較

3.2 鎖片壓裝機(jī)的工作原理

1）鎖片壓裝機(jī)動(dòng)作順序如圖12所示。

圖12 鎖片壓裝機(jī)的動(dòng)作順序示意

2）壓裝動(dòng)作分解（見圖13）。壓頭取料完畢后，運(yùn)行至壓裝初始位置等待壓裝；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及輔助動(dòng)作準(zhǔn)備完畢時(shí)，進(jìn)行鎖片壓裝至氣門鎖片夾緊點(diǎn)；壓頭繼續(xù)下行至壓裝下行點(diǎn)；壓頭反向動(dòng)作，上行至氣門鎖片夾緊點(diǎn)；鎖片與料座分離，同時(shí)彈簧上座將鎖片束縛在彈簧上座內(nèi)，壓裝完成，等待進(jìn)行下一個(gè)壓裝循環(huán)。

圖13 一次壓裝動(dòng)作分解示意

3.3 鎖片壓裝機(jī)失效分析

（1）使用故障樹（FTA）分析 對(duì)鎖片壓裝不合格進(jìn)行FTA分析，如圖14所示[3]。

圖14 鎖片壓裝不合格FTA分析示意

（2）失效分析及相應(yīng)處理 對(duì)失效進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施。

1）正確的鎖片壓裝尺寸如圖15所示。在壓裝到位時(shí)，壓頭夾爪的夾緊點(diǎn)距離鎖片頂部應(yīng)滿足：L＜5－4.5＋0.8=1.3（mm）。

圖15 正確的鎖片壓裝尺寸

2）鎖片突出。原因分析：當(dāng)壓頭上升，卡爪即將脫離鎖片的瞬間，鎖片會(huì)有打開的趨勢(shì)，從而使鎖片頂死在氣門導(dǎo)管孔圓槽與彈簧上座之間（見圖16），導(dǎo)致彈簧上座無法向上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)收緊鎖片，從而發(fā)生鎖片突出現(xiàn)象。采取的臨時(shí)措施是：調(diào)整壓裝深度，增加壓頭氣缸行程，或增高氣門頂升高度。

圖16 壓裝突出原因分析

3）鎖片與彈簧上座平齊。原因分析：壓頭壓裝深度不夠，使鎖片沒有進(jìn)入氣門導(dǎo)桿孔圓槽（見圖17），此時(shí)壓頭上升，導(dǎo)致彈簧上座無法完全上升到正常的高度。

圖17 壓裝平齊原因分析

采取的臨時(shí)措施是：調(diào)整壓裝深度，增加壓頭氣缸行程，或增高氣門頂升高度。

造成上述鎖片壓裝質(zhì)量缺陷的主要設(shè)備故障有：鎖片壓裝與彈簧上座平齊；鎖片壓裝突出（高于彈簧上座）；鎖片壓裝料裝反（鎖片反裝）；鎖片未取上料；鎖片未正確分料。

4 鎖片壓裝機(jī)的改造方案及預(yù)防措施

4.1 采取的相應(yīng)措施

（1）壓頭部分 更換壓頭材質(zhì)，避免壓頭變形和損傷，增加設(shè)備剛性；修整壓頭端面，從而縮短壓頭內(nèi)卡爪卡緊點(diǎn)到彈簧上座的距離，盡可能使鎖片在上座內(nèi)打開，從而減少鎖片突出現(xiàn)象發(fā)生。改善卡爪圓弧輪廓，使壓頭取料時(shí)，鎖片滑入卡爪更順暢，避免取料過程中壓傷鎖片；盡可能降低卡緊點(diǎn)位置，使鎖片在彈簧上座中打開，從而減少鎖片突出現(xiàn)象發(fā)生。更換壓頭內(nèi)心軸彈簧，使心軸彈簧強(qiáng)度大于料座內(nèi)彈簧強(qiáng)度，提高取料成功率。

（2）料座部分 更換料座材質(zhì)，避免料座變形和損傷，增加設(shè)備剛性，修改料座開口形狀，更改為類花生仁形，使鎖片在料座中的姿態(tài)更穩(wěn)定。減小料座內(nèi)心軸與鎖片支撐平臺(tái)之間的間隙，避免取料過程中鎖片薄邊落入間隙中受到損傷。重新加工料座上激光對(duì)射開關(guān)孔，避免開關(guān)誤報(bào)警造成頻繁停機(jī)。對(duì)各個(gè)料座接料時(shí)的伺服位置進(jìn)行精調(diào)，減少落料不準(zhǔn)造成的停機(jī)現(xiàn)象；對(duì)各個(gè)料座的高度進(jìn)行精調(diào)，保證所有料座處于同一水平上。

（3）其他部分 增加各個(gè)氣門頂桿高度調(diào)節(jié)功能，使各氣門的壓裝深度可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。更換料道末端擋隔料裝置，避免擋隔料氣缸不到位造成的停機(jī)；精調(diào)料道間隙（0.02mm以內(nèi)），減少料道內(nèi)卡料造成的停機(jī)；精調(diào)壓頭與氣門相對(duì)位置，保證壓頭內(nèi)心軸與氣門導(dǎo)桿對(duì)中。

4.2 改造方案

在現(xiàn)有壓裝方式的基礎(chǔ)上，采取以下改造方案進(jìn)一步完善設(shè)備。

1）增加氣缸以實(shí)現(xiàn)壓頭內(nèi)卡爪自主打開功能。

2）降低卡爪卡緊點(diǎn)（距鎖片厚邊＞2mm）。

3）增加料座吹氣扶正鎖片功能。

4）縮小料座與料道間隙，間隙初步定為1mm。

5）取消料座上圖18所示的激光檢測(cè)。

圖18 料座激光檢測(cè)鎖片狀態(tài)

6）按照鎖片理論偏轉(zhuǎn)極限值加大料座落口尺寸。

7）恢復(fù)料道最末端矩形導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。

8）分料器插銷結(jié)構(gòu)改為彈簧軟性接觸鎖片，改善前后對(duì)比如圖19所示。

圖19 分料器插銷硬接觸鎖片

4.3 預(yù)防措施

在鎖片壓裝機(jī)上采取以下預(yù)防措施。

1）根據(jù)設(shè)備的頻發(fā)故障及設(shè)備失效模式與影響分析（FMEA），制定設(shè)備點(diǎn)檢表和TPM表單。

2）編制消磁作業(yè)指導(dǎo)書，定期對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行消磁處理。

3）制作專用量檢具，檢測(cè)鎖片壓裝質(zhì)量。

4.4 制訂設(shè)備FMEA

針對(duì)此臺(tái)設(shè)備改善制定設(shè)備FMEA，見表3。上述改造完成后，設(shè)備正常運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，鎖片壓裝一次合格率達(dá)到98%以上，符合設(shè)備的要求。改造前后鎖片壓裝故障統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖20和表4所示。

表3 鎖片壓裝機(jī)FMEA

圖20 改造前后故障統(tǒng)計(jì)對(duì)比

表4 改造前后故障統(tǒng)計(jì)具體數(shù)據(jù)對(duì)比 （%）

5 結(jié)束語

在鎖片較小的現(xiàn)狀下，設(shè)備通過改造，滿足了生產(chǎn)的需要（生產(chǎn)節(jié)拍：75s，設(shè)備故障率＜2%），并且使此臺(tái)設(shè)備與同類發(fā)動(dòng)機(jī)廠的相關(guān)設(shè)備比較處于先進(jìn)的水準(zhǔn)。為ISF 2.8L發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的產(chǎn)能提高奠定了基礎(chǔ)；也為ISF 2.8L發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量提供了有利的保障；利用通用的故障樹分析方法和制定設(shè)備FMEA來解決和預(yù)防設(shè)備故障，使得問題簡單化，以便于問題的進(jìn)一步解決。