并线生产曲轴柔性热处理装置的设计研究_李然.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期并线生产曲轴柔性热处理装置的设计研究李然1，徐欢1，张晓洋1，袁海兵1，胡大鹏2（1.湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰 442002；2.东风商用车有限公司 发动机厂，湖北 十堰 442049）0引言曲柄连杆机构是发动机工作的两大机构之一，曲轴是曲柄连杆机构的重要输出部件，在工作时受到扭转、弯曲、冲击等多种载荷的相互耦合作用，会使轴颈表面严重磨损，过渡圆角处易因疲劳产生裂纹或断裂1-2。曲轴常见的失效形式有主轴颈表面被过度磨损、连杆颈的滚压圆角处因载荷过大导致断裂3-4等。为了保证发动机使用过程中的安全性和稳定性，在曲轴机械加工过程中需要针对所有的轴径（主轴颈和连杆颈）及滚压圆角处进行热处理。目前，曲轴热处理方式有：1）线下热处理。曲轴机械加工和热处理分开进行，需要设置专门的热处理生产线，曲轴被堆叠、平铺或悬挂在热处理生产线上，多根曲轴同时进行热处理，热处理效率很高，但在整个热处理过程中，由于曲轴静止不动，导致热处理部位受热不均匀，专门的线下热处理使曲轴制造的费用大大增加，且生产节拍慢、效率低5-6。2）在线生产热处理7。热处理是曲轴机械加工总体工艺内容的一部分，热处理工序根据需要设置在机械加工生产线的某一工位，不需要专门的热处理生产线。1曲轴热处理变形分析1.1热处理变形影响因素目前，在曲轴制造过程中多数采用在线的方式进行热处理，热处理时，由于放置方式的不同，曲轴热处理产生的变形也不一样。曲轴热处理常见的放置方式是平置，即曲轴水平放置，采用两端中心孔和三爪卡盘定位、夹紧，如图1所示。此种放置方式热处理变形包括曲轴自身重力产生的变形、曲轴轴向定位夹紧所产生的变形、定位夹紧时三爪卡盘和机床尾架同轴度误差所产生的弯曲变形、加热时热量由加热部位传递到未加热部位所产生的热传递变形等。热处理时，对所有的轴径（主轴颈和连杆颈）及滚压圆角进行局部加热，由于存在自身重力和热传递等主要的变形影响因素，在曲轴热处理后需要增加“回火热校直”辅助热处理工序。1.2不同放置方式的变形分析以某四缸曲轴为例，利用ANSYS软件分析曲轴平置摘要：曲轴热处理变形的主要影响因素是自重和热传递。文中以有限元法为基础，分析曲轴不同放置方式时的热处理变形，通过研究可知：曲轴热处理时，与水平放置相比，竖直放置时因自重而产生的变形大大减小，变形量降低了78.2%。依据以上研究结果，基于仿形机构原理，设计了一种并线生产柔性曲轴热处理装置，该装置主要包括定位机构、自动上下料机构、同步运动机构、热处理机构等，热处理时曲轴竖直放置，可以同时对多个轴颈并行热处理；同时，针对自动上下料机构，设计了专门的采用PLC控制的液压与气动系统。该装置曲轴热处理节拍快、轴颈加热均匀、变形量小、热处理柔性好，能适应四缸、六缸等多种曲轴的在线生产热处理。关键词：并线热处理；曲轴竖置；结构设计；变形；液压与气动控制中图分类号:TH 122；TH 132文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08003704Design and Research of Crankshaft Flexible Heat Treatment Device with Parallel ProducingLI Ran1,XU Huan1,ZHANG Xiaoyang1,YUAN Haibing1,HU Dapeng2(1.School ofMechanical Engineering,Hubei UniversityofAutomotive Technology,Shiyan 442002,China;2.Engine Plant ofDongfengCommercial Vehicle Co.,Ltd.,Shiyan 442049,China)Abstract:Main factors of crankshaft heat treatment deformation are weight and heat transfer.Based on finite elementmethods,crankshaft heat treatment deformation in different placement modes are analyzed,it is found that crankshaftweight deformation is smaller in vertical heat treatment than in horizontal heat treatment,the deformation is reduced78.2%.According to above results,a flexible crankshaft heat treatment device with parallel producing is designed basedon principle of copying mechanism,it mainly includes positioning mechanism,automatic feeding and unloadingmechanism,synchronous motion mechanism and heat treatment mechanism,etc,crankshaft is placed vertically,multiplejournals can be parallel heated;at the same time,a hydraulic-pneumatic control system based on PLC is designed forautomatic feeding and unloading mechanism.The flexible crankshaft heat treatment device has advantages of shorter heattreatment cycle,even journal heating,smaller deformation and better flexibility,and can be adapted to online heattreatment of multiple crankshafts.Keywords:parallel heat treatment;crankshaft vertical position;structural design;deformation;hydro-pneumatic control基金项目：湖北省教育厅科学技术项目（Q20201806）37机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：时因自身重力作用产生的变形，曲轴材料主要的性能参数 如 表 1所示。结合表 1 所 示曲轴材料主要性能参 数，设置约束为曲轴两端部约束，限制曲轴 的 6 个 自 由度，施加载荷的方向为Y轴（曲轴径向）负方向，仿真得到的曲轴Y向变形云图如图2所示。现 改 变 曲轴放置方式，将曲轴竖直放置，施加的约束和限制的自由度数目不变，载荷施加的方向变为Z轴（曲轴轴向）负方向，仿真得到的曲轴Z向变形云图如图3所示。由图2、图3可知，由于曲轴热处理时放置方式的不同，最大变形位置和变形量大小也不一样，具体如表2所示。曲轴热处理时，采用轴颈及圆角表面“局部感应淬火+回火”的热处理工艺，在对热处理部位加热时，热量会从加热部位传递到未加热部位，从而引起热变形，对曲轴后续的加工质量和精度产生影响。2热处理装置结构设计依据以上分析结果，基于仿形机构原理8-9，设计一种并线生产柔性热处理装置，该装置具有定位夹紧、自动上下料、同步运动及隔热等功能，整体结构如图4所示。2.1定位机构定位机构的具体结构如图4、图5所示，主要包括定位板、顶尖、气动卡盘和偏心销等，曲轴的6个自由度由定位板、顶尖和偏心销唯一确定，由气动卡盘夹紧并随机床主轴一起旋转。2.2自动上下料机构依据十字滑台原理10，自动上下料机构可以实现3T1R共4个自由度及夹持动作。如图6所示，自动上下料机构包括导轨副、旋转缸、夹紧缸、夹爪等，自动上下料机构每个方向的运动（动作）由液压油缸驱动。2.3同步运动机构同步运动机构的具体结构如图7所示，主要包括电动机、锥齿轮副、连接轴（3个）、手动卡盘（2个）、仿形轴（2个）、同步带（2个）等，仿形轴的运动由电动机通过锥齿轮副、同步带等中间传动机构带动，运动传递的具体路线如图8所示。该同步运动机构具有如下特点：1）利用同步带带动图1曲轴平置热处理（a）现场照片（b）定位、夹紧方式表1曲轴材料性能参数曲轴材料弹性模量/GPa泊松比密度/（kg m-3）48MnV2100.37.85103图2Y向变形云图（平置）图3Z向变形云图（竖置）表2不同放置方式的变形对比放置方式变形位置变形值/mm结论平置第三主轴颈及曲柄处2.495 61竖置代替平置，重力变形减少78.2%竖置第三主轴颈平衡块处0.544 45图4热处理装置整体结构顶尖举升缸热处理机构自动上下料机构前后油缸同步运动机构定位机构左右油缸图5定位机构定位板偏心销气动卡盘图6自动上、下料机构导轨副旋转缸夹紧缸夹爪（a）图7同步运动机构（b）连接轴仿形轴同步带手动卡盘电动机锥齿轮副AA38机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期连接轴转动，保证3个连接轴向外同步、同向输出，进而保证仿形轴1、2及曲轴角向位移一致；2）仿形轴1、2构成仿形机构，保证热处理机构平动，防止划伤轴颈表面；3）只需更换仿形轴1、2，即可适应不同品种曲轴的柔性热处理。2.4热处理机构热处理机构的具体结构如图9所示，主要包括连接杆、双杆气缸、水套、温度传感器、加热器、喷嘴、软管、U形圈等，热处理机构沿仿形机构竖直方向布置，数量由待热处理曲轴确定，相邻热处理机构连接杆上的开口槽反向布置，自锁保证连接杆不脱离仿形轴2，热处理机构由仿形机构驱动，保证热处理机构能够在水平面内平动，且与曲轴轴颈保持相对位置不变，水套内通冷却水，以阻断曲轴轴颈加热部位热量向外传递，减少曲轴热传递变形。3自动上下料控制系统设计自动上下料机构采用液压、气动系统控制，根据控制要求，液压、气动系统执行元件包括左右油缸、前后油缸、举升缸、旋转缸、夹紧缸、气动卡盘、双杆气缸（多个）。液压与气动系统由PLC控制，其控制流程如图10所示。根据控制流程，液压、气动控制系统原理如图11、图12所示。液压、气动控制系统中电磁铁动作顺序如表3所示。本装置的液压、气动控制系统具有如下特点：1）双泵供油，即使其中一个泵损坏，系统也可低速运行；2）调速阀、流量比例阀双重调速，保证系统运行平稳；3）利用增压油缸提高夹紧回路进油腔的压力，有效降低了主油泵的供油压力；4）采用蓄能器在举升缸举升工况、夹紧缸夹紧工况下保压，减少了系统的功率损失；5）采用了液控单向阀双向锁紧回路，保证液压系统中各执行元件能够准确地停在规定的位置；6）溢流阀作为背图8运动传递路线图9热处理机构水套双杆气缸连接杆开口槽加热器U 形圈软管喷嘴温度传感器图11液压系统原理图图10PLC控制流程图1.油液过滤器 2.柱塞泵 3.电动机 4.溢流阀（安全阀）5.油压表 6.普通单向阀 7.电磁换向阀（两位三通）8.溢流阀（背压阀）9.电磁换向阀（二位二通）10.流量比例换向阀（三位四通）11.液控单向阀 12.调速阀 13.举升缸 14.增压油缸 15.储能器16.压力继电器 17.左右油缸 18.前后油缸 19.旋转缸 20.电磁换向阀（三位四通）21.夹紧缸1.气源 2.气控换向阀（两位四通）3.气动卡盘 4.双杆气缸 5.调速阀图12气动系统原理图39机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：DA42NG飞机上的MT螺旋桨进行了方法验证，目前已