氣門鎖片壓裝機技術改造

編者按

伺服壓力機主要介紹了發動機氣門鎖片現場壓裝原理和改善過程，從壓裝原理的角度來考慮問題，運用通用工具來分析和解決問題，以及固化、標準化的方法，實現了全自動化、快速地壓裝，降低了工作難度，提高了鎖片安裝的準確性和氣門壓裝質量，并提高了整條流水線的生產效率。

1  序言

發動機作為車輛的核心部件之一，是汽車動力的源頭，其質量對車輛的性能及安全起著關鍵性的作用。氣門是專門負責向發動機內輸入燃料并排出廢氣的零件。本文介紹的氣門鎖片安裝在ISF 2.8L發動機上，此發動機是康明斯與北汽福田針對小排量市場合作生產的直列四缸發動機，采用多氣門技術，每個氣缸布置4個氣門，共16個氣門。這種多氣門結構容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以使油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的質量和開度適當地減小，使氣門開啟或閉合的速度更快。總之，發動機氣門的質量好壞直接關系著發動機以及車輛的安全問題。

本文針對ISF 2.8L發動機鎖片裝配的典型故障，重點介紹了因某些欠缺而造成的裝配質量問題及后續的改善措施[1]；通過FTA分析和模型結構及動作的分析得出結果，并制定了一系列的監控與防范措施，杜絕鎖片壓裝故障。

2  鎖片壓裝機常見故障及故障分析

氣門是控制發動機進排氣系統的關鍵零件，位于發動機噴油器的外圍，控制發動機的進排氣與噴油器的動作時間配比。氣門靠鎖片夾緊在氣門導桿上（見圖1）[2]，而鎖片較小，在安裝過程中有很多不確定因素，要實現全自動化裝配是十分困難的。鎖片裝配的質量直接關系到發動機的性能甚至車輛的安全性，所以鎖片的選擇和裝配質量在發動機制造過程中是極其重要的。鎖片壓裝機壓頭的具體結構如圖2所示，料座的具體結構如圖3所示。

1 氣門鎖片安裝示意

1—氣門座圈　2—氣門導桿　3—發動機缸蓋?。础獓娪推骺住。怠獨忾T鎖片?。丁獨忾T彈簧上座　７—氣門彈簧?。浮獨忾T油封

2 鎖片壓裝機壓頭結構示意圖

1—夾緊傳感器 2—直線導軌 3—位置電缸 4—壓頭基體 5—壓頭彈簧 6—心軸 7—壓頭夾爪 8—夾爪釋放氣缸

3 鎖片壓裝機料座結構示意

1—料座基體　2—調整螺釘　3—料座主體　4—料座心軸　5—料座彈簧

2.1 故障統計

現場進行加工故障率（裝配欠缺）及故障狀態統計，共加工156件，質量故障：50件（壓裝缺陷），一次合格率：67.9%（見圖4）。

4 鎖片壓裝一次合格率

跟蹤統計存在的欠缺（鎖片壓裝質量問題）如圖5所示。

5 鎖片壓裝故障分析

2.2 基于鎖片壓裝機現有故障的分析

1）鎖片壓裝突出，如圖6所示，共36件鎖片突出，占不合格件比例達72%。欠缺特征：個別鎖片有壓痕及變形。直觀原因：卡爪夾緊點到彈簧上座距離過大，當壓頭上行時，造成鎖片打開趨勢過大，導致鎖片在氣門環槽與彈簧上座小臺階之間頂死。

a）鎖片壓裝突出

b）突出的鎖片變形

6 鎖片壓裝突出

2）鎖片壓裝不到位，如圖7所示，共5件鎖片突出，占不合格件比例為10%。欠缺特征：有輕微壓痕。直觀原因：鎖片圓弧上部凸緣處有缺陷（外形不飽滿），導致鎖片無法被鎖緊于氣門環槽中。

a）鎖片壓裝不到位

b）鎖片有缺陷

7 鎖片壓裝不到位

3）漏裝鎖片，共4件僅壓裝1個鎖片，如圖8所示，占不合格件比例為8%。欠缺特征：有壓痕。直觀原因：鎖片壓裝不到位，在下一工位（氣門拍打）鎖片被敲擊出鎖緊位置；或壓頭取料時，鎖片沒能完全滑入壓頭中，導致壓裝時鎖片脫落。

a）漏裝鎖片

b）漏裝的鎖片

8 僅壓裝1個鎖片

4）鎖片突出并變形，如圖9所示，共1件，占不合格件比例為2%。欠缺特征：鎖片嚴重變形。直觀原因：壓頭從料座取鎖片時壓傷鎖片或料座內心軸與鎖片定位平臺間隙過大，導致取料時鎖片薄邊落入間隙中或壓頭內，卡爪打開不自由，導致取料時擠傷鎖片。

a）鎖片突出并變形

b）受損的鎖片

9 鎖片突出并變形

5）多壓裝鎖片，如圖10所示，壓裝了3個鎖片，共1件，占不合格件比例為2%。欠缺特征：鎖片變形。

a）壓裝3個鎖片

b）鎖片變形

圖10 多壓裝鎖片

直觀原因：壓頭心軸與氣門導桿不對中；壓裝氣缸向下行程過大。

2.3 臨時改進措施

1）對供應商供貨質量嚴加控制，對所有進場鎖片100%檢測。

2）對進場鎖片進行消磁處理。

3）對設備料座及壓頭等關鍵部件定期進行消磁處理。

4）設置雙工位進行檢測壓裝質量，并作檢驗合格記號。

5）制作專用檢具，檢測壓裝質量。

設備經維修調整后，鎖片壓裝突出問題得到改善。設備維修前后統計的故障率對比見表1和表2。

表1 設備維修前鎖片壓裝故障率統計 （%）

表2 設備維修后鎖片壓裝故障率統計 （%）

3  氣門鎖片壓裝機的工作原理及鎖片壓裝失效分析

3.1 鎖片特殊性

此款發動機為直列四缸，16氣門控制，單次壓裝同側4個氣門，分4次壓裝完畢。ISF 2.8L發動機的鎖片較小（見11）；鎖片體的厚度僅為1.6L汽油機鎖片的1/6，高度僅為1.6L汽油機鎖片的4/5。

11 ISF 2.8L氣門鎖片與其他鎖片比較

3.2 鎖片壓裝機的工作原理

1）鎖片壓裝機動作順序如圖12所示。

12 鎖片壓裝機的動作順序示意

2）壓裝動作分解（見圖13）。壓頭取料完畢后，運行至壓裝初始位置等待壓裝；當發動機缸蓋及輔助動作準備完畢時，進行鎖片壓裝至氣門鎖片夾緊點；壓頭繼續下行至壓裝下行點；壓頭反向動作，上行至氣門鎖片夾緊點；鎖片與料座分離，同時彈簧上座將鎖片束縛在彈簧上座內，壓裝完成，等待進行下一個壓裝循環。

13 一次壓裝動作分解示意

3.3 鎖片壓裝機失效分析

（1）使用故障樹（FTA）分析 對鎖片壓裝不合格進行FTA分析，如圖14所示[3]。

14 鎖片壓裝不合格FTA分析示意

（2）失效分析及相應處理 對失效進行分析并采取相應措施。

1）正確的鎖片壓裝尺寸如圖15所示。在壓裝到位時，壓頭夾爪的夾緊點距離鎖片頂部應滿足：L＜5-4.5＋0.8=1.3（mm）。

15 正確的鎖片壓裝尺寸

2）鎖片突出。原因分析：當壓頭上升，卡爪即將脫離鎖片的瞬間，鎖片會有打開的趨勢，從而使鎖片頂死在氣門導管孔圓槽與彈簧上座之間（見圖16），導致彈簧上座無法向上繼續運動收緊鎖片，從而發生鎖片突出現象。采取的臨時措施是：調整壓裝深度，增加壓頭氣缸行程，或增高氣門頂升高度。

16 壓裝突出原因分析

3）鎖片與彈簧上座平齊。原因分析：壓頭壓裝深度不夠，使鎖片沒有進入氣門導桿孔圓槽（見圖17），此時壓頭上升，導致彈簧上座無法完全上升到正常的高度。

17 壓裝平齊原因分析

采取的臨時措施是：調整壓裝深度，增加壓頭氣缸行程，或增高氣門頂升高度。

造成上述鎖片壓裝質量缺陷的主要設備故障有：鎖片壓裝與彈簧上座平齊；鎖片壓裝突出（高于彈簧上座）；鎖片壓裝料裝反（鎖片反裝）；鎖片未取上料；鎖片未正確分料。

4  鎖片壓裝機的改造方案及預防措施

4.1 采取的相應措施

（1）壓頭部分  更換壓頭材質，避免壓頭變形和損傷，增加設備剛性；修整壓頭端面，從而縮短壓頭內卡爪卡緊點到彈簧上座的距離，盡可能使鎖片在上座內打開，從而減少鎖片突出現象發生。改善卡爪圓弧輪廓，使壓頭取料時，鎖片滑入卡爪更順暢，避免取料過程中壓傷鎖片；盡可能降低卡緊點位置，使鎖片在彈簧上座中打開，從而減少鎖片突出現象發生。更換壓頭內心軸彈簧，使心軸彈簧強度大于料座內彈簧強度，提高取料成功率。

（2）料座部分  更換料座材質，避免料座變形和損傷，增加設備剛性，修改料座開口形狀，更改為類花生仁形，使鎖片在料座中的姿態更穩定。減小料座內心軸與鎖片支撐平臺之間的間隙，避免取料過程中鎖片薄邊落入間隙中受到損傷。重新加工料座上激光對射開關孔，避免開關誤報警造成頻繁停機。對各個料座接料時的伺服位置進行精調，減少落料不準造成的停機現象；對各個料座的高度進行精調，保證所有料座處于同一水平上。

（3）其他部分  增加各個氣門頂桿高度調節功能，使各氣門的壓裝深度可以單獨進行調整。更換料道末端擋隔料裝置，避免擋隔料氣缸不到位造成的停機；精調料道間隙（0.02mm以內），減少料道內卡料造成的停機；精調壓頭與氣門相對位置，保證壓頭內心軸與氣門導桿對中。

4.2 改造方案

在現有壓裝方式的基礎上，采取以下改造方案進一步完善設備。

1）增加氣缸以實現壓頭內卡爪自主打開功能。

2）降低卡爪卡緊點（距鎖片厚邊＞2mm）。

3）增加料座吹氣扶正鎖片功能。

4）縮小料座與料道間隙，間隙初步定為1mm。

5）取消料座上圖18所示的激光檢測。

18 料座激光檢測鎖片狀態

6）按照鎖片理論偏轉極限值加大料座落口尺寸。

7）恢復料道最末端矩形導軌的結構和強度。

8）分料器插銷結構改為彈簧軟性接觸鎖片，改善前后對比如圖19所示。

a）改善前（硬接觸）

b）改善后（彈簧軟接觸）

分料器插銷硬接觸鎖片

4.3 預防措施

在鎖片壓裝機上采取以下預防措施。

1）根據設備的頻發故障及設備失效模式與影響分析（FMEA），制定設備點檢表和TPM表單。

2）編制消磁作業指導書，定期對設備的關鍵部位進行消磁處理。

3）制作專用量檢具，檢測鎖片壓裝質量。

4.4 制訂設備FMEA

針對此臺設備改善制定設備FMEA，見表3。上述改造完成后，設備正常運行。經現場統計，鎖片壓裝一次合格率達到98%以上，符合設備的要求。改造前后鎖片壓裝故障統計對比如圖20和表4所示。

表3 鎖片壓裝機FMEA

注：表中空白表示無需采取措施干預。

改造前后故障統計對比

表4 改造前后故障統計具體數據對比 （%）

5  結束語

在鎖片較小的現狀下，設備通過改造，滿足了生產的需要（生產節拍：75s，設備故障率＜2%），并且使此臺設備與同類發動機廠的相關設備比較處于先進的水準。為ISF 2.8L發動機生產線的產能提高奠定了基礎；也為ISF 2.8L發動機的裝配質量提供了有利的保障；利用通用的故障樹分析方法和制定設備FMEA來解決和預防設備故障，使得問題簡單化，以便于問題的進一步解決。

文章來源：伺服壓力機www.rfcv.cn