擰緊工藝對(duì)機(jī)體主軸孔二次把合的變形影響分析

侯增辰，祁小玲，張連杰，馬偉

濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

主軸孔作為放置軸瓦及曲軸的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其接觸部位是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的危險(xiǎn)部位之一。機(jī)體主軸孔在主軸承蓋螺栓拆除并再次重新裝配后，存在主軸孔尺寸無(wú)法恢復(fù)到首次加工時(shí)狀態(tài)的問(wèn)題[1]。氣缸體與曲軸箱或主軸承蓋存在錯(cuò)牙與主軸孔失圓問(wèn)題，導(dǎo)致軸瓦與機(jī)體間間隙不均，影響油膜的形成，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功增大，甚至出現(xiàn)主軸瓦拉瓦等問(wèn)題，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，因此保證主軸孔的加工精度尤為重要。

主軸孔在各個(gè)工藝中的變形失圓過(guò)程如圖1所示，具體如下。

圖1 主軸孔失圓過(guò)程

1）精鏜主軸孔后，在螺栓擰緊狀態(tài)下主軸孔為圓孔。

2）將主軸承螺栓擰松，主軸孔回彈變形，呈現(xiàn)豎橢圓。

3）主軸承螺栓二次擰緊，主軸孔變扁，呈現(xiàn)橫橢圓，同時(shí)發(fā)生錯(cuò)位變形。

2 擰緊工藝方案制定

螺紋聯(lián)接廣泛應(yīng)用在氣缸體、曲軸箱和軸承蓋等緊密性要求較高的部位，合適的擰緊工藝設(shè)計(jì)、控制模式選用和異常因素管控，可以減小主軸孔二次把合造成的孔徑變形。從擰緊控制理論上講，扭矩與轉(zhuǎn)角控制法相結(jié)合優(yōu)于單純的扭矩控制法。本次試驗(yàn)對(duì)象為某13L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某13L柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

選用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力對(duì)螺紋聯(lián)接的可靠性以及聯(lián)接件疲勞強(qiáng)度都是有利的，過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)接的尺寸增大。為了保證聯(lián)接所需的預(yù)緊力，又不使螺紋聯(lián)接件過(guò)載，在裝配時(shí)要控制預(yù)緊力和螺栓預(yù)緊方式[2]。

該機(jī)體采用扭矩轉(zhuǎn)角法完成主軸承螺栓的擰緊，同時(shí)考慮擰緊前進(jìn)行預(yù)擰緊，采用擰緊-暫停-擰緊的方式達(dá)到規(guī)定扭矩，從而降低擰緊散差[3]。按表1的擰緊工藝擰緊主軸承蓋螺栓，完成曲軸箱與氣缸體的把合。

表1 主軸承蓋螺栓擰緊工藝方案

3 擰緊工藝試驗(yàn)

對(duì)3種不同的擰緊工藝分別進(jìn)行精鏜主軸孔后、松開并對(duì)同工藝二次把合后的各檔主軸孔進(jìn)行測(cè)量，工藝試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 工藝試驗(yàn)流程

實(shí)測(cè)主軸承螺栓在預(yù)緊過(guò)程中主軸孔圓周節(jié)點(diǎn)三坐標(biāo)值，并計(jì)算主軸孔變形量和接合面錯(cuò)位變形量。對(duì)鏜孔加工后、松開螺栓后到螺栓二次預(yù)緊、擰緊螺栓并施加轉(zhuǎn)角后對(duì)各個(gè)工步的主軸孔節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比分析不同擰緊工藝對(duì)主軸孔二次把合后的變形情況及錯(cuò)位量的影響，尋找出最優(yōu)擰緊工藝。

采用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備分別在每檔主軸孔測(cè)量截面內(nèi)進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，如圖4所示。從主軸孔右側(cè)開始沿逆時(shí)針方向每隔10°測(cè)一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量數(shù)值為各測(cè)量點(diǎn)到擬合圓心的距離。測(cè)量姿態(tài)為機(jī)體底面朝上，0°與180°為氣缸體與曲軸箱結(jié)合面，10°～170°的測(cè)點(diǎn)分布在曲軸箱上，190°～350°的測(cè)點(diǎn)分布在氣缸體上。

圖4 三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備及測(cè)量點(diǎn)取點(diǎn)分布

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 擰緊工藝1試驗(yàn)結(jié)果分析

采用擰緊工藝1，二次把合前后各測(cè)量點(diǎn)分布情況如圖5所示。二次擰緊后主軸孔出現(xiàn)失圓現(xiàn)象，高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0083mm，氣缸體側(cè)到擬合圓心距離減小0.0065mm。曲軸箱為薄壁結(jié)構(gòu)，其剛性比氣缸體差，相同擰緊力矩情況下，曲軸箱的變形量大于氣缸體的變形量。

圖5 擰緊工藝1二次把合前后測(cè)點(diǎn)分布情況

4.2 擰緊工藝2試驗(yàn)結(jié)果分析

擰緊工藝2二次把合前后各測(cè)量點(diǎn)分布情況如圖6所示。高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0078mm，體側(cè)到擬合圓心距離減小0.0047mm，相比擰緊工藝1分別提升6%和27.7%。分步擰緊工藝對(duì)氣缸體側(cè)主軸孔二次把合變形改善效果優(yōu)于曲軸箱。

圖6 擰緊工藝2二次把合前后測(cè)點(diǎn)分布情況

4.3 擰緊工藝3試驗(yàn)結(jié)果分析

采用擰緊工藝3二次把合前后各測(cè)量點(diǎn)分布情況如圖7所示。高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0071mm，氣缸體側(cè)到擬合圓心距離減小0.0052mm，相比擰緊工藝1分別提升14.5%和20%。

圖7 擰緊工藝3二次把合前后測(cè)點(diǎn)分布情況

4.4 錯(cuò)位量結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)3種擰緊工藝氣缸體與曲軸箱的0°及180°方向上孔徑的變化情況進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，對(duì)比見表2。

表2 各擰緊工藝的二次把合前后孔徑變化對(duì)比（單位：mm）

計(jì)算各擰緊工藝二次把合產(chǎn)生的錯(cuò)位量如圖8所示。采用擰緊工藝1，氣缸體與曲軸箱的最大錯(cuò)位量為0.0189mm，平均錯(cuò)位量為0.0070mm；采用擰緊工藝2，氣缸體與曲軸箱的最大錯(cuò)位量為0.0111mm，平均錯(cuò)位量為0.0044mm；采用擰緊工藝3，氣缸體與曲軸箱的最大錯(cuò)位量為0.0046mm，平均錯(cuò)位量為0.0032mm。

圖8 不同擰緊工藝各檔錯(cuò)位量

采用分步預(yù)緊工藝對(duì)錯(cuò)位量均有不同程度的改善，其中擰緊工藝3對(duì)錯(cuò)位量的改善效果最好。

4.5 主軸孔圓度、圓柱度對(duì)比分析

主軸孔截面擬合圓的圓度及改進(jìn)幅度如圖9所示。相比擰緊工藝1，擰緊工藝2各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善10.2%，最大改善22%；擰緊工藝3各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善23.5%，最大改善34.4%。

圖9 不同擰緊工藝二次把合后各檔主軸孔圓度

主軸孔截面擬合圓的圓柱度及改進(jìn)幅度如圖10所示。相比擰緊工藝1，擰緊工藝2各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善5.6%，最大改善23.6%；擰緊工藝3各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善14.9%，最大改善37.6%。

圖10 不同擰緊工藝二次把合后各檔主軸孔圓柱度

5 結(jié)束語(yǔ)

由于氣缸體與曲軸箱剛度存在差異性，所以曲軸箱高度方向的變形量大于氣缸體。采用分步預(yù)緊把合可改善氣缸體與曲軸箱高度方向的變形量，氣缸體變形量改善提升20%～27.7%，曲軸箱高度方向變形量改善提升6%～14.5%。

分步擰緊工藝對(duì)于錯(cuò)位及主軸孔圓度、圓柱度改善明顯，錯(cuò)位量由0.007mm減小為0.0032mm，提升54.3%，圓度提升34.4%，圓柱度提升37.6%。

對(duì)于曲軸箱結(jié)構(gòu)，先預(yù)緊一側(cè)主軸承螺栓，后預(yù)緊另一側(cè)主軸承螺栓，同時(shí)采用分步擰緊工藝，改善效果更優(yōu)。