鋁合金車輪機加立車壓爪緊固螺栓斷裂問題的分析及優(yōu)化

劉偉東

（中信戴卡股份有限公司 工程技術(shù)研究院，河北 秦皇島 066011）

鋁合金車輪機加立車壓爪緊固螺栓斷裂問題的分析及優(yōu)化

劉偉東

（中信戴卡股份有限公司 工程技術(shù)研究院，河北 秦皇島 066011）

目的 研究分析立車壓爪螺栓工作過程中的受力情況，尋求螺栓斷裂的原因，并通過優(yōu)化改進夾具結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)提高螺栓使用壽命的目的。方法 采用壓力傳感器系統(tǒng)，實測壓爪壓力，并建立力學(xué)模型，結(jié)合螺栓的力學(xué)性能參數(shù)，推斷螺栓斷裂的原因。結(jié)果 通過優(yōu)化改進夾具結(jié)構(gòu)，將螺栓承受的部分彎矩轉(zhuǎn)移到壓爪和壓爪軸上，能夠延長螺栓的使用壽命。結(jié)論 螺栓斷裂主要是由于螺栓反復(fù)加載過程中出現(xiàn)了疲勞損傷，導(dǎo)致螺栓斷裂。

壓力傳感器；力學(xué)模型；疲勞損傷

當今汽車輪轂主要有鋼制輪轂和鋁合金輪轂[1—2]。輪轂是汽車最重要的安全件和外觀件之一，輪轂在復(fù)雜多變的力能參數(shù)下工作，汽車和載重的重量直接作用到輪轂上。在汽車起動、加速和制動過程中，輪轂受到動態(tài)扭矩作用，另外，汽車在行駛彎道、起伏路面及通過障礙物時，輪轂將受到不同方向動態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變作用力。鋁合金質(zhì)量輕、強度高、成形性好、價格適中、回收率高，對降低汽車自重、減少油耗、減輕環(huán)境污染與改善操作性能等有著重大意義，已成為汽車工業(yè)的首選材料。由于鋁合金車輪的廣泛使用，其美觀、大氣、多變的外形設(shè)計也為汽車增色不少，同時，鋁合金輪轂具有輕量化（至少減輕30%的質(zhì)量）、高韌性、散熱性能好、熱傳導(dǎo)性好、較高的機械強度和優(yōu)越的減震性能等優(yōu)點，已經(jīng)在汽車工業(yè)中得到了大量應(yīng)用，發(fā)展?jié)摿薮骩3—17]。

目前，中國汽車市場上，轎車鋁合金車輪使用率至少已達到轎車市場總量的70%以上。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，2003年這一比例為50%左右。國際鋁合金輪轂市場巨大的吸引力刺激著鋁合金輪轂行業(yè)的高度發(fā)展。我國鋁合金車輪幾乎全部是整體式鑄造鋁合金車，另外生產(chǎn)少數(shù)的二片式的復(fù)合車輪，主要是出口供特殊場合用，外觀多變，并趨向藝術(shù)化發(fā)展。色澤要求與整車協(xié)調(diào)，并能適應(yīng)市場標新立異的要求[18—21]。鋁合金車輪的車削加工設(shè)備通常采用專用的數(shù)控立式車床和數(shù)控臥式車床，IMT生產(chǎn)的全系列車輪加工設(shè)備廣泛應(yīng)用于車輪行業(yè)。

1 立車壓爪壓緊螺栓斷裂問題

螺栓是機械行業(yè)中最常用的緊固件之一，在鋁合金輪轂機加工行業(yè)中，IMT數(shù)控車床上采用12.9級M12螺栓將壓爪固定在夾盤的壓爪軸上。

圖1 機床夾盤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of machine clamp plate

圖2 機床夾盤實物Fig.2 Physical picture of machine tool chuck

由于螺栓在高濃度的切削液環(huán)境下工作，并長期受到巨大的交變力能參數(shù)作用，在機加生產(chǎn)中屬于易損的部件，需要定期檢查更換。螺栓的使用壽命直接影響相關(guān)零部件的有效壽命，以及鋁合金輪轂的加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全，同時，由于頻繁的更換螺栓，降低了機床的利用率，同時增加了人工成本，因此，作為世界鋁合金輪轂生產(chǎn)行業(yè)中的知名企業(yè)，戴卡一直在努力尋求螺栓斷裂的原因，并希望通過夾具優(yōu)化改造，以實現(xiàn)提高螺栓使用壽命的目標。為了實現(xiàn)上述目的，戴卡和燕山大學(xué)共同提出了鋁合金車輪機加立車壓爪緊固螺栓斷裂問題的分析及優(yōu)化的應(yīng)用課題，并進行了大量的研究實驗。

2 壓爪壓力測試實驗

2.1 目的

為了能夠準確分析出壓爪緊固螺栓斷裂的原因，首先需要檢測壓爪的壓緊力。分別在戴卡自動化線A4, A5和A6單元進行壓爪壓力檢測試驗，采用XL211613多路力&位移測量儀檢測壓爪對BLR-3型稱重傳感器的壓力。

2.2 步驟

① 通過在待檢車床壓爪下安裝壓力傳感器的方式，直接測量車床正常工作時壓爪壓力值的大?。虎跒榱藵M足傳感器的安裝需要，檢測時將車床原有壓爪用加長的壓爪代替；③ 在每個壓爪下對應(yīng)安裝量程為3 t的壓力傳感器；④ 檢測前將壓力傳感器顯示數(shù)值清零，壓爪壓緊后兩次讀取3個傳感器的壓力值并記錄，第一次為加載后立即讀取，第二為加載穩(wěn)定后15 s讀取。壓爪壓力檢測示意圖見圖3。

圖3 壓力檢測現(xiàn)場示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure detection site

2.3 測試儀器

試驗檢測結(jié)果的準確性，很大程度取決于高精度的檢測設(shè)備。本試驗主要設(shè)備和儀器包括：3個BLR-3型稱重傳感器、XL211613多路力&位移測量儀和3個加長實驗壓爪。檢測儀器和設(shè)備見圖4。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗檢測結(jié)果見表1。由于壓力傳感的安裝與壓爪實際使用時的工作狀態(tài)不完全一致，可能會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與實際值出現(xiàn)偏差，但該偏差在允許的范圍內(nèi)，不影響試驗的檢測結(jié)構(gòu)。

圖4 檢測儀器和設(shè)備Fig.4 Testing apparatus and equipment

表1 實驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of experimental results

3 螺栓斷裂原因分析

由力學(xué)相關(guān)知識可知，有兩種原因可能夠?qū)е侣菟〝嗔?。一種是螺栓承受較大的拉應(yīng)力，并超過螺栓的拉應(yīng)力極限致使螺栓斷裂；另一種是螺栓斷裂有可能是因為承受的彎矩過大，在反復(fù)加載的過程中出現(xiàn)了疲勞損傷導(dǎo)致斷裂。本文分別針對上述兩種可能進行了研究分析，并通過試驗和計算的方法分別驗證螺栓斷裂的原因。

3.1 螺栓拉力研究分析

根據(jù)機床實際工作原理，建立壓爪壓力檢測過程的功能圖見圖5。在功能圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)過簡化建立力學(xué)模型，見圖6。其中，L1=12.5 mm；L2=80 mm；F為車輪對壓爪的反作用力；F1為螺栓拉力。

圖5 試驗功能圖Fig.5 Test function diagram

圖6 力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model

IMT機床廠選用等級為12.9的M12×1.5螺栓，由機械設(shè)計手冊知，螺栓的抗拉強度σmax=1200 MPa；螺栓的截面積螺栓的抗拉極限為Fb=σmaxS=1.06×105N。以A4單元為例，計算螺栓的拉力。由表1知，A4單元測得平均壓力F=814×9.8=7977.2 N，在不考慮壓爪和壓爪軸配合區(qū)域（圖7中L區(qū)域）受力的情況（螺栓僅受到拉力）。以O(shè)點為距心，由力矩平衡可知：F1×L1=F×L2，則F1=F×L2/L1=51054.08≈5.11×104N＜Fb=1.06×105N。由上述數(shù)據(jù)可知，螺栓在工作狀態(tài)下的拉應(yīng)力小于抗拉極限，因此，說明較大拉應(yīng)力并不是造成螺栓斷裂的主要原因。

3.2 螺栓彎矩研究分析

在輪轂實際加工過程中，螺栓受到的彎矩不僅與夾具尺寸因素和車輪對壓爪的反作用力有關(guān)，壓爪和壓爪軸的配合方式和配合尺寸等因素都會影響螺栓受到的彎矩，因此，通過計算的方式并不能準確分析螺栓受到的彎矩情況。為了判定彎矩是否是螺栓斷裂的原因，文中通過優(yōu)化壓爪和壓爪軸的結(jié)構(gòu)和配合方式，使壓爪軸能夠更多地分擔壓爪承受的彎矩，減小螺栓受到的彎矩，然后通過實際試驗，統(tǒng)計優(yōu)化后螺栓的使用壽命，并對比優(yōu)化前后螺栓更換頻率。具體的試驗細節(jié)如下：在自動化線A4單元，以3個月為周期，分別統(tǒng)計壓爪系統(tǒng)優(yōu)化前后的使用壽命，并取平均值，優(yōu)化前后的工藝參數(shù)和壽命統(tǒng)計見表2，其中符號L為壓爪和壓爪軸配合長度，參照圖7。由表2可知，通過減小壓爪和壓爪軸之間配合間隙及加長兩者的配合長度的方法，使壓爪軸承擔分擔壓爪的彎矩，改善了螺栓承受彎矩環(huán)境，并實現(xiàn)了增加螺栓使用壽命的目的。由此推斷，在反復(fù)加載的過程中，較大的彎矩有可能是螺栓斷裂的原因。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對比Tab.2 Results compared before and after optimization

4 結(jié)論和措施

1) 通過在自動化線進行壓力檢測試驗，獲取壓爪的壓力。依據(jù)螺栓的力學(xué)性能，計算螺栓受到的拉應(yīng)力，并與螺栓的抗拉極限對比，結(jié)果表明較大的拉應(yīng)力并非是螺栓斷裂的主要原因。

2) 通過優(yōu)化壓爪和壓爪軸的結(jié)構(gòu)和配合方式，改善螺栓的受彎矩環(huán)境，并試驗驗證優(yōu)化后的使用壽命，螺栓的更換頻率由3 d增加到7 d。由此推斷，螺栓斷裂有可能是承受彎矩過大，在反復(fù)加載的過程中出現(xiàn)了疲勞損傷導(dǎo)致斷裂。

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Analysis and Optimization of Jaw Bolt Breakage in Aluminum Alloy Wheel Machining Process

LIU Wei-dong
(Engineering Technology Research Institute, CITIC Dicastal Co., Ltd., Qinhuangdao 066011, China)

The paper aims to find the cause of the bolt breakage by studying the force condition of the jaw bolt in the vertical lathe to improve the lifetime of the jaw bolt by optimizing the fixture structure. The pressure of the jaw was tested with a pressure sensor system. A mechanical model was built to deduce the cause of the bolt breakage in combination with mechanical property parameters of the jaw bolt. The optimized fixture structure can extend the bolt lifetime by transferring the bending moment beared by the bolt to the jaw and jaw axle. Fatigue failure which is produced in loading and unloading repeatedly leads to bolt breakage.

pressure sensor; mechanical model; fatigue failure

2017-11-08

劉偉東（1981—），男，碩士，工程師，主要研究方向設(shè)備研發(fā)及設(shè)計工裝夾具。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.025

TG306

A

1674-6457(2018)01-0181-05