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(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，連桿作為動(dòng)力傳遞部件連接曲軸和活塞做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)傳遞給曲軸帶動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(wèn)題的方法[1-3]。

1 問(wèn)題背景和描述

1.1 問(wèn)題的背景

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，連桿作為動(dòng)力傳遞部件連接曲軸和活塞做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起到重要作用，平行度超差會(huì)造成活塞及缸套的偏磨，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪音。

當(dāng)連桿大孔和瓦槽在同一工序加工時(shí)，為保證加工大孔及切削瓦槽時(shí)連桿不會(huì)移動(dòng)，連桿的夾緊力需要大于2 000 N, 連桿在夾緊后會(huì)產(chǎn)生彈性變形，連桿松開(kāi)后彈性變形會(huì)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(wèn)題的描述

(1)定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

問(wèn)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(jiàn)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(duì)應(yīng)的夾具定位面分別為4個(gè)小平面。

2 問(wèn)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(jiàn)圖2所示。通過(guò)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(wèn)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(dòng)；

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

(3)由于在加工大小孔時(shí)存在刀具磨損，會(huì)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(wèn)題的根本原因，建立因果鏈分析過(guò)程如圖3所示。

分析得出原有系統(tǒng)存在的問(wèn)題存在以下幾個(gè)問(wèn)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(wèn)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(huì)導(dǎo)致加工瓦槽時(shí)工件移動(dòng)。

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(dòng)發(fā)明原理，得到解為L(zhǎng)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(gè)，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(shí)加大夾緊力，加工結(jié)束后恢復(fù)正常狀態(tài)(見(jiàn)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(duì)加工件的固定(見(jiàn)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(huì)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(gè)變?yōu)?個(gè)，將每一個(gè)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(guò)程中，逐次使用不同臺(tái)階面進(jìn)行夾緊操作，當(dāng)一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行磨損后，替換臺(tái)階面進(jìn)行夾緊操作，如此輪替，可延長(zhǎng)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(gè)面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2個(gè)面，將小頭定位點(diǎn)由4個(gè)面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1個(gè)面(見(jiàn)圖7)。

方案評(píng)價(jià)：本設(shè)計(jì)方案對(duì)原加工系統(tǒng)改動(dòng)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(guò)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(cāng)。

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(duì)壓力的大小進(jìn)行控制。

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

4 方案可用性評(píng)估

針對(duì)以上設(shè)計(jì)方案，從性能提升、生產(chǎn)成本、對(duì)原生產(chǎn)線的變動(dòng)量等多個(gè)方面對(duì)比，將方案的可用性評(píng)估分析如下：經(jīng)過(guò)方案對(duì)比，以對(duì)原有流水線改動(dòng)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(gè)面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2個(gè)面，將小頭定位點(diǎn)由4個(gè)面變?yōu)榕c夾緊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1個(gè)面。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)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(gè)百分點(diǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yǔ)

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