擰緊工藝對機(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)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的危險部位之一。機(jī)體主軸孔在主軸承蓋螺栓拆除并再次重新裝配后，存在主軸孔尺寸無法恢復(fù)到首次加工時狀態(tài)的問題[1]。氣缸體與曲軸箱或主軸承蓋存在錯牙與主軸孔失圓問題，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)動機(jī)摩擦功增大，甚至出現(xiàn)主軸瓦拉瓦等問題，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)報廢，因此保證主軸孔的加工精度尤為重要。

主軸孔在各個工藝中的變形失圓過程如圖1所示，具體如下。

圖1 主軸孔失圓過程

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，同時發(fā)生錯位變形。

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)對象為某13L柴油發(fā)動機(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，過大的預(yù)緊力會導(dǎo)致整個聯(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)接件過載，在裝配時要控制預(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3種不同的擰緊工藝分別進(jìn)行精鏜主軸孔后、松開并對同工藝二次把合后的各檔主軸孔進(jìn)行測量，工藝試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 工藝試驗(yàn)流程

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

采用三坐標(biāo)測量設(shè)備分別在每檔主軸孔測量截面內(nèi)進(jìn)行打點(diǎn)測量，如圖4所示。從主軸孔右側(cè)開始沿逆時針方向每隔10°測一個點(diǎn)，測量數(shù)值為各測量點(diǎn)到擬合圓心的距離。測量姿態(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°的測點(diǎn)分布在曲軸箱上，190°～350°的測點(diǎn)分布在氣缸體上。

圖4 三坐標(biāo)測量設(shè)備及測量點(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3二次把合前后測點(diǎn)分布情況

4.4 錯位量結(jié)果對比分析

對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)行測量統(tǒng)計(jì)，對比見表2。

表2 各擰緊工藝的二次把合前后孔徑變化對比（單位：mm）

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

圖8 不同擰緊工藝各檔錯位量

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

4.5 主軸孔圓度、圓柱度對比分析

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

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%。

分步擰緊工藝對于錯位及主軸孔圓度、圓柱度改善明顯，錯位量由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，同時采用分步擰緊工藝，改善效果更優(yōu)。