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电控共轨系统弹簧成形与工序质量控制

 放大 放大字体 缩小 缩小字体    发布日期:2015-09-14  浏览次数:136
核心提示:电控共轨系统弹簧要求精度高,性能优,而成形是弹簧制造的第一道工序,也是弹簧加工制造过程中最重要的工序,弹簧一旦成形,就基本上决定了弹簧的几何尺寸和弹簧特性以及材料的利用率,成形质量的好坏直接影响后续加工工序质量,因此,本公司将电控共轨系统弹簧成形工序规定为关键工序,并且对成形工序过程进行了工序能力控制。

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 要
       电控共轨系统弹簧要求精度高,性能优,而成形是弹簧制造的第一道工序,也是弹簧加工制造过程中最重要的工序,弹簧一旦成形,就基本上决定了弹簧的几何尺寸和弹簧特性以及材料的利用率,成形质量的好坏直接影响后续加工工序质量,因此,本公司将电控共轨系统弹簧成形工序规定为关键工序,并且对成形工序过程进行了工序能力控制。
       关键词        成形 工序质量 控制
 言
      随着汽车发动机节能环保及高性能、高转速、轻量化的要求,发动机心脏部分的燃油系统也在不断创新,目前国内新研发的电控共轨系统能够实现多次喷射,喷油速率可调,通俗地说:电控共轨系统,实现了燃油系统的喷多、喷少、喷早、喷晚的智能化,这就对系统中的关键零件--电控共轨系统弹簧提出了更高的几何精度和更优的性能参数的要求。电控共轨系统如图1所示。
                          QQ图片20150914114007
                                                 图1   电控共轨系统
批量生产的电控共轨系统弹簧的主要制造过程工序流程如图2
                       QQ图片20150914114107

                                                       图2   电控共轨系统弹簧加工过程流程图
       本文主要探讨电控共轨系统弹簧关键工序成形要求和质量控制。
       1、电控共轨系统弹簧成形设备
       电控共轨系统弹簧的成形采用如图3的数控卷簧机,它具有自动卷绕、切断、记数,记时等功能。它能以一个工作的循环完成弹簧工艺成型,具有劳动强度小,生产效率高,且材料的利用率高等特点,对于弹簧的尺寸和形状具有广泛的适应性。该卷簧机的结构一般都可分为:传动机构(包括动离部分和机械传动部分)、校直机构、送料机构、切断机构、变径机构、料盘。该数控卷簧机各运动机构独立,各采用一个伺服电机控制,如送线机构只是一个简单的齿轮传动,送线长度可以无限;上、下圈径杆及节距杆直接采用电机连接滚珠丝杆来驱动;切断机构也只是一个简单的凸轮传动,除进行一般的剪切外,还可匹配上下切刀进行扭切,以解决大线径、小旋绕比的弹簧剪切。操作者需要加工不同品种的弹簧时,对数控卷簧机而言,只需在计算机上填入相应的参数,通过程序控制协调各机构的动作,就可圈绕出所需要的弹簧。卷簧的调整,可分为各机构的单相调整和各机构联系一起的总体调整。另外,由于电脑的应用,使机器对线材故障、料架故障等其他故障现象进行控制,并增加了许多检测功能,使得生产高精度弹簧在线检测成为可能。
QQ图片20150914114128
3 数控卷簧机
       2、电控共轨系统弹簧成形要点
       电控共轨系统弹簧由于疲劳寿命要求高,对弹簧表面质量就要控制严格,几何尺寸精度要求高,对弹簧的两端圈的螺旋角、节距均匀度都有严格的要求,自由高度和弹簧中径的误差也应控制在允许的范围内。
       2.1 成形时表面质量的保证
       卷簧机调整时应先正确地选择和安装所需的工装夹具,如导板、送料滚轮、芯刀及切刀、顶杆、节距爪等,工装选择与设计是否合理,会直接影响卷簧质量。首先,送料滚轮的钢丝槽一般是半圆形,槽的半径要大于钢丝最大半径为0.050.10mm槽深为2/5d。这种槽形送料使钢丝表面受到均匀的压力,从而减少送料中的打滑,送料效果好。其次,导板上的槽形半径和送料滚轮的要求基本相同,但槽深应为0.5d。
       弹簧在反复的运动中,产生了应力集中,表面拉丝很快形成疲劳源,疲劳源很快发展成为裂纹缺陷,当裂纹发展使该处材料所受的应力超过材料强度时,即发生断裂失效。在弹簧卷制中最容易产生拉丝现象的部件有:导线板、顶杆以及节距刀。所以这三个工装在选材上一定要用硬质合金,硬质合金它具有硬度高、耐磨及韧度较好的特性,在硬度上我们选用74度左右的合金适用度更广,适用于我们卷制各种材料的线丝。卷制前一定要经过精心研磨才可使用。
       首先,用颗粒较小的金刚锉,锉光工装使用表面,再用和槽形相匹配的钢丝线蘸用120目研磨砂进行研磨到用肉眼观察无丝痕为止,最后再用600目~1000目金相砂纸缠绕在芯棒上用高速电转进行抛光,期间应不断加入2000目研磨膏配合研磨,达到镜面效果为止。虽然研磨时间会很长,但防拉丝、耐磨损效果良好。
       2.2 支承圈间并紧力的调整
       电控共轨系统弹簧要求两端圈并紧,而且对贴紧长度有一定的要求,否则会影响弹簧的工作特性,对并紧部位还要求有一定并紧力以防端头缝隙。
       现在的卷簧机一般卷制弹簧采用的都是双顶杆,如图4。正常情况是钢丝通过导板,下顶杆和上顶杆三个槽,形成一个螺旋角,该角应符合弹簧螺旋角。当下顶杆从平面向外调整,上顶杆从平面向内调整时使钢丝扭曲产生反向螺旋角a,带有负上升角、左旋,然后弯向已卷好的簧圈的一侧,这样在弹簧圈中形成残余扭矩、产生了圈间并紧力,并紧力的大小决定于顶杆的移动量。在有些弹簧并圈的调制中过度运用这种方法,产生的巨大扭矩会使顶杆槽在钢丝表面产生划痕既拉丝,大大降低弹簧的使用寿命,可运用两顶杆平面错位来协调并紧力,分散顶杆旋转产生的力。顶杆在调整并紧力的同时相应的对并圈外径进行调整,并圈的外径要比弹簧外径的实际尺寸要小0.1mm。这样在节距爪拉伸成型弹簧时可以控制端圈的大小。
QQ图片20150914114148
4并紧力的调整
       2.3 切断机构、节距和自由长度的调整
       一般卷簧机都是采用垂直切断方式如图5所示顶杆6、5控制簧圈直径芯刀刃口c必须靠近簧丝。切刀与芯刀切断平面间的间隙应为0.050.1mm,间隙过大会产生切断毛刺,切断平面应通过簧圈的中心,否则切断时会使端圈产生变形,或者使卷簧中心尺寸不稳定。在磨制芯刀时刀口应为钝边,切刀口磨制成U形,以延长使用寿命减少内勾的产生。调节下顶杆收放来使芯刀在簧圈中心位置。当卷制大旋绕比弹簧时,可加大芯刀尺寸,允许同时起到支撑簧圈的作用。但要注意不可支撑过大,否则绕制出的簧圈会出现跳动成椭圆形。
                                 QQ图片20150914114201
                                  图5 垂直切断
       当并圈和切断机构调整好后,利用节距爪拉伸成形到弹簧工艺要求的直径尺寸、高度。节距爪是由蜗杆驱动的,蜗杆只控制节距爪向前直线运动和停止。节距爪运动的距离则由电机调节蜗杆长度来解决。弹簧实际外径一般是由节距爪拉伸而成。弹簧的自由高度是通过节距来保证的,用节距机构控制节距的变化,节距的大小可通过调整节距机构绝对值比来达到。
       2.4 支承圈可变过渡螺旋升角的调整
       电控共轨系统弹簧刚度、垂直度要求高,因此对支承圈螺旋升角需要严格控制。因为支承圈螺旋升角不仅影响弹簧的几何形状,对后续磨削弹簧工序的垂直度以及弹簧刚度特性都有较大影响。
       曾经做一实验,把两个弹簧螺旋升角和端圈斜角大小不同的未磨削弹簧放在动压机上手动垂直下压,发现弹簧螺旋升角小的弯曲幅度要比弹簧端面角度大弯曲幅度要小,磨削后垂直度也是端圈斜角小较好。实验经验总结,在调制螺旋升角的时候,宜采用多段可变过渡螺旋升角。通常普通螺旋弹簧如图6所示。
       其端圈斜角的计算公式为:
a1=arctg[(d/2)/D] [1]
式中a1——端圈斜角(度)
d ——钢丝直径(mm)
D ——弹簧中径(mm)
其螺旋升角有的计算公式为:
a=arctg[t/πD] [2]
式中 a ——螺旋升角(度)       
t ——弹簧节距(mm)         
D ——弹簧中径(mm)          
                                                          QQ图片20150914114216
                                                     图6 圆柱螺旋弹簧示意图
       如端圈斜角太小,会出现端头对面处的的支承圈被磨薄的现象。分析表明在磨削的过程中上下两片磨削砂轮运动方向是相反的,弹簧在磨套中的运动轨迹是随着磨套与弹簧间隙摇摆旋转状,如果端圈斜角过大,在上下两片磨削砂轮的挤压下弹簧在磨削过程中摇摆幅度就越大,直接影响了垂直度。因此,对于垂直度要求高的弹簧,弹簧在成形端圈时宜采用多段可变过渡螺旋升角,但也应均匀过渡,即正常情况下弹簧端头到90度方向的端圈斜角应平缓,不能有钻圈现象,相对应的270度的螺旋升角比正常节距应稍低。
       3、电控共轨系统弹簧成形工序质量控制
       3.1 电控共轨系统弹簧的试样
       由于电控共轨系统弹簧几何尺寸要求高,而弹簧在成形时会产生内应力,因此,弹簧成形回火后的尺寸会发生一定的回弹,回弹量受初始内应力及其在回火过程中的释放程度影响,弹簧回弹量的大小会最终导致弹簧刚度的变化,所以为了确保成品弹簧的刚度符合要求,先利用计算机模拟技术,将弹簧去应力回火、喷丸等后续工序以及材料特性等一些因素全部考虑进去并进行严格计算,然后,在正式开始绕制前先试制10~20件产品按照正常生产时的工艺流程完成全部的加工过程,再按成品要求对它们进行检验,确定在绕制过程中需要预留的回弹量,从而决定产品的几何尺寸和性能参数。
      3.2 电控共轨系统弹簧外径控制
      电控共轨系统弹簧安装空间紧凑,要求弹簧的尺寸精度高,而弹簧的成形过程就决定了弹簧的安装尺寸,因此,我们把成形工序过程规定为关键过程,而弹簧的外径相对来说是决定安装精度的比较重要的特性指标,而且弹簧外径参数由于公差较小,所以有必要对共轨系统弹簧的外径参数进行质量控制。
       弹簧在成形时,数控加工设备生产效率高,平均每分钟绕制60~120件。在线控制时工人没有时间进行计算和绘制 -S控制图,在此,我们选择了预控制图[3]
       设计预控制图时,将预控制图分为以下三个区:
       目标区(绿区):在两条预控制线之间的区域,占规格范围的一半。
       警戒区(黄区):在目标区两侧,预控制线与规格界限TU、TL之间各设一个警戒区,它们分别各占规格范围的1/4。
       废品区(红区):在两个黄区之外,即超过规格界限TU、TL处各有一个废品区。
       工序开始加工时连续抽取5件产品,若实测值全部落入绿区,则认为分布中心与规格中心(目标值)相重合,可以开始预控制图的操作。
       若5件产品中有1件实测值落到预控制线之外,就必须重新调整工艺参数(设备、工装),直到5件产品的实测值全部落入绿区时,才能正式开始应用预控制图。
        开始操作后,每10分钟连续抽取2件产品,并按图7预控制图判断准则对过程实施质量控制。如果过程稳定则可适当减少测量的频次。
      TL     P-C     M     P-C     TU
废品区
警戒区
目标区
警戒区
废品区
处置
红区
黄区
绿区
黄区
红区
   
●●●●●
   
可以开始预控制
   
●●
   
过程正常
 
   
   
 
 
 
 
散差过大,调整过程后重新开始
 
●●
     
分布中心偏移,调整过程后重新开始
     
●●
 
       
过程能力严重不足,严重异常,应采取纠正措施,达到第1条规则后重新开始。
       
     
 
   
     
   
 
7 预控制图的判断准则
      上述可总结为一个简易的判断规则即: 二绿/一黄一绿——过程正常,二黄——需要调整,一红——能力不足,需要纠正。
      当过程出现不稳定,产品尺寸就有可能出现不合格,产品性能就不能符合顾客要求,这时,就应分析其中的原因,找出对策,使过程稳定,并详细做好质量记录。过程不稳定应增加抽样频率,必要时还应增加100%的分选工序,确保不合格品不流入下道工序。
       4、结束语
       弹簧成形是弹簧制造过程中的首道工序,也是决定弹簧几何尺寸和弹簧性能的关键工序,特别是对于象电控共轨系统弹簧这样精度和性能要求高的弹簧,成形工序尤为重要。本文对电控共轨系统弹簧成形要点和工序质量控制进行了探讨,但弹簧成形质量的好坏,不仅需要操作者具有高超的技能,同时,还取决于原材料的质量和成形设备的精度和功能,期待在不久的将来,我们能够使用国产优质的原材料,用国产高精度、多功能、易操作的成形设备,生产世界一流的弹簧产品。

参考资料
[1] 张英会,刘辉航,王德成.弹簧手册P280.北京:机械工业出版社,2008.
[2] 机械工业部农机工业局统编.弹簧制作工艺学P129页.机械工业出版社,1988.
[3] 统计过程控制作业指导书QP2001B—01.
 
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