一種發動機搖臂室罩旋鉚裝置的設計

徐國慶 徐飛躍 張維維

(廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 高要526108)

乘用車發動機搖臂室罩(也稱缸蓋罩Cover Assycylinder Head)產品是筆者公司的主力產品之一。此產品總成安裝在發動機汽缸蓋上部，其主要作用:(1)罩住氣門和凸輪軸蓋，防止外部灰塵和異物進入汽缸蓋機體，造成發動機損壞;(2)保護氣門搖臂機構等運動件的動作;(3)防止氣門搖臂機構的潤滑油外漏等多個功能。產品零件總成具有清潔度要求，零件總成所有雜質總重量≤15 mg，雜質大小(內腔0.4 mm ×0.4 mm×0.4 mm～0.6 mm×0.6 mm ×0.6 mm，外腔1 mm×1 mm×1 mm，允許有3 顆)。產品零件總成具有氣密性要求(在24.5～30 kPa 氣壓下，總成泄漏量≤6 cm3/min)。總成裝配工藝流程:清洗→壓管→涂膠→鉚接防濺板→安裝密封圈→總成試漏→包裝入庫。搖臂室罩零件鉚接后效果圖見圖1，搖臂室罩零件是典型的薄殼壓鑄件，材料牌號為YL112，設計年需求量為38 萬件，零件總成重量為3.6 kg。

1 零件旋鉚工藝分析

零件的形狀為淺U 型薄殼體，外形和內腔比較復雜，零件需要鉚接裝配的防濺板有兩塊，在鉚接裝配受力過程中，容易出現變形。如何將鉚接過程中的鉚接作用力減小，將零件變形降到最小，成為了鉚接裝置設計中需要解決的首要問題。

圖1 發動機搖臂室罩鉚接零件圖

鉚接裝配的技術要求:①產品鉚接接頭位不得出現鉚裂、毛刺，鉚接接頭表面光滑，表面粗糙度Ra0.8 μm;②產品鉚點形狀為半球形，且所有鉚點直徑大小外觀一致，尺寸φ7 ±0.1 mm;鉚點高度一致，1.6 ±0.2 mm;③不得鉚傷零件和防濺板配件;④鉚接裝配零件和防濺板配件結合面，必須貼合緊密;⑤鉚接后產品發生變形量不允許超過±0.1 mm。

經過質量和性能的評估，采用了旋鉚工藝(又稱擺動冷碾鉚接工藝)。旋鉚工藝采用徑向變形鉚接技術，其鉚接方法是鉚桿在鉚接時，以相切與圓周的梅花狀的R 軌道徑向運動，鉚桿作用在鉚釘上的鉚接力很小，即可通過旋轉運動，實現高質量的鉚接效果，易于實現鉚接自動化控制。

圖2 為旋轉鉚接工作原理示意圖。其工作原理:鉚頭與動力頭電動機連接，實現鉚頭公轉與鉚桿自轉，鉚接裝置總成Z 軸通過絲桿和直線導軌的作用，實現液壓旋鉚動力頭總成Z 軸方向的進給，使旋轉的鉚桿與零件毛坯圓柱接觸，使鉚桿與鉚釘(零件毛坯圓柱)之間很小的接觸區域內的鉚接達到屈服點，使被鉚材料沿徑向流動［1］，完成鉚接裝配。鉚點的形狀由鉚桿頂部的凹入形狀和鉚桿與鉚頭的角度決定。鉚桿作用在鉚釘上的鉚接力的大小，由液壓油缸的壓力大小決定，可根據工藝要求，通過液壓系統實現無級調節。

圖2 旋轉鉚接原理示意圖

2 旋鉚裝置設計方案

2.1 旋鉚裝置結構設計

根據搖臂室罩零件鉚接工藝分析，整個旋鉚裝置的結構采用類似鏜銑加工中心的C 型龍門結構［2］，布置X 軸Y 軸Z 軸，為簡化液壓旋轉動力頭總成的液壓油管的布線，液壓旋轉動力頭總成布置在X軸方向上，旋轉動力頭總成直接布置在Z 軸上，鉚接夾具布置在Y 軸上。X 軸Y 軸Z 軸的運動通過伺服電動機、滾珠絲杠和直線導軌連接，實現處于不同位置鉚點的鉚接;由于各鉚點(共24 個)位置度要求為±0.2 mm，整個自動化控制系統采用示教編程方式實現各個鉚點的鉚接，即可滿足鉚接精度要求，又具有較高的性價比。旋鉚裝置具體結構(局部)見圖3。

旋鉚裝置的構成由底座、機架、鉚接夾具、以及液氣控制系統和電器控制系統部分組成。電器控制系統設計了自動模式和手動模式，自動模式用于批量生產中，手動模式用于調試和維修，模式轉換可通過示教編程操作面板實現，也可通過位于機臺前的操作面板上的操作按鈕實現。

圖3 數控旋轉鉚接裝置圖(局部)

2.2 鉚接裝置夾具設計

鉚接裝置夾具采用仿形定位(即夾具體腔內挖出與零件形狀相對應的配合部分)，保證零件在鉚接過程中，零件淺U 形薄殼外形與夾具內腔接觸面積保持最大化，使鉚接過程受力均勻變形小。為防止零件劃傷和碰傷，夾具體材料采用黑色尼龍66。夾具由兩部分構成，外圍為活動部分，中部安裝零件的夾具體為固定部分，外圍部分通過兩端的氣缸實現升降，為方便零件從夾具中取出，在夾具外圍活動部分的底部設置了頂桿，當氣缸推動夾具體整體上升時，底部頂桿通過夾具的避空位，可將零件從夾具中頂出，方便零件的裝卸和取出。

2.3 鉚接裝置結構的液壓/氣壓控制系統設計

圖4 為旋鉚裝置的液壓/氣壓控制系統工作原理圖。鉚接裝置的鉚頭部分采用液壓控制，通過減壓閥10，可實現鉚頭鉚接力的無極調節，使零件鉚接質量和性能達到最優化的狀態。調節單向節流閥16，可實現調節安裝與液壓旋轉動力頭總成12 上的鉚桿下降接觸零件的速度，液壓旋轉動力頭總成12 的動力頭與鉚頭直聯，通過示教編程操作面板可設置動力頭電動機M 旋轉的速度，實現對鉚頭公轉和鉚桿自轉的速度設定和調節。

鉚接夾具部分采用氣壓控制，可通過示教系統實現夾具與鉚頭的鉚接裝配工藝過程的全自動化控制。整個自動模式工作過程:(1)將零件放入仿形夾具中，啟動自動模式工作;(2)整個鉚接裝置X、Y、Z軸按照設定的參數和程序動作，使旋轉動力頭總成和旋轉的鉚桿，依次完成24 個鉚點的鉚接;(3)完成鉚接后，氣缸上升帶動夾具外圍活動部件的頂桿，將零件從夾具中頂出;(4)員工將零件取出，完成一個工作循環。

圖4 旋鉚裝置的液壓/氣壓控制系統工作原理圖

鉚接注意事項:(1)由于鉚點表面的表面粗糙度Ra0.8 μm 要求比較嚴，在鉚接前，需要在24 個鉚接毛坯圓柱頭上點一滴潤滑油，這樣既可以保證鉚點表面粗糙度Ra0.8 μm，防止出現鉚裂現象，也可以通過提高鉚桿的轉速以達到提高鉚接效率的目的，還可以提高鉚桿的使用壽命。完成鉚接后，只需要將產品鉚點表面的油漬檫拭干凈即可。(2)為防止產品產生不良變形，產品24 個鉚點的順序也非常關鍵。對于不同的產品形狀壁厚，以及鉚點分布位置和高低數量的不同，可通過鉚接調試來具體決定所有鉚點的鉚接順序(建議優先采用交叉對稱的順序)。

2.4 鉚桿和鉚桿頭部的設計

圖5 旋鉚裝置的鉚桿頭部示意圖

鉚桿的長度由工件內腔的深度決定，原則上盡可能地短;鉚桿的直徑由產品鉚點離產品內腔周邊的距離決定，原則上盡可能大一些。

鉚桿頭部的設計比較嚴格:一是鉚頭傳統使用材料為Cr12 或GCr15，經試驗，筆者使用W18Cr4V。二是熱處理硬度58～62HRC，硬度太低則鉚頭壽命低，鉚接后產品鉚點有毛刺;硬度太高則鉚頭容易崩缺，同樣影響鉚接質量。三是鉚桿頭部形狀，原則上因產品鉚點要求而定，使用的鉚桿頭部形狀如圖5所示。

3 結語

發動機搖臂室罩旋鉚裝置，投入生產后，經過現場1 年多的使用和驗證，產品質量和生產效率雙滿意，比較圓滿地達到了年供貨需求量為38 萬件的初始設計要求。

［1］梅怡.梅花狀徑向鉚接機的設計分析［J］.制造技術與機床，2012(9):53 -56.

［2］韓善靈，楊磊，余立廈，等.TRIZ 理論在自沖鉚接機框架設計中的應用［J］.機械，2010(9):17 -19.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.4 版.北京:化學工業出版社，2002.