程 宏 喻擎天 陳方清

(上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司武漢工廠,湖北 武漢 430056)

0 引言

軸叉是等速傳動(dòng)軸中主要的零部件之一，是連接減速器的重要原件，與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋一起將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。目前軸叉加工的關(guān)鍵工藝如搓齒、清洗、中頻、車床、磨床、探傷和上油會(huì)采用專用的機(jī)械設(shè)備，但生產(chǎn)線無(wú)法滿足長(zhǎng)短軸叉兼容，影響到工廠設(shè)備利用率。具體而言，首先長(zhǎng)軸叉與短軸叉不同，長(zhǎng)軸叉長(zhǎng)度均在350-700 cm之間，現(xiàn)有清洗機(jī)采用機(jī)械夾緊步進(jìn)式輸送，其夾緊輸送過(guò)程中，因長(zhǎng)軸叉重心偏高，容易導(dǎo)致長(zhǎng)軸叉倒料，造成零件損傷，無(wú)法正常加工；其次，根據(jù)清洗的工藝要求，為保證其加工質(zhì)量，清洗之后需要進(jìn)行風(fēng)切烘干，而現(xiàn)有的機(jī)械夾緊步進(jìn)式清洗機(jī)使用時(shí)，因傳送帶上的雜質(zhì)以及清洗劑凝固容易造成軸叉碗口磨損和氣缸損壞。這些問(wèn)題都是傳動(dòng)軸生產(chǎn)企業(yè)面臨的一大難題，尤其是加工過(guò)程中倒料和長(zhǎng)短軸叉兼容性問(wèn)題。

目前許多學(xué)者對(duì)軸叉工藝進(jìn)行了研究，如詹書進(jìn)發(fā)明了一種三銷軸叉加工工藝，通過(guò)球道內(nèi)腔夾具、中心鉆工裝、第一中心架、第二中心架進(jìn)行一次夾裝定位，整過(guò)程無(wú)需換刀，避免了換機(jī)床、換刀造成的誤差[1]；田華設(shè)計(jì)了一種三銷軸叉的仿形感應(yīng)器，能將同一類型的感應(yīng)器系列化，縮短制作周期，便于批量生產(chǎn)及維護(hù)[2]。然而上述研究主要集中在軸叉生產(chǎn)工藝上，針對(duì)單獨(dú)工序設(shè)備研究較少。并且現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的清洗機(jī)研究主要集中在小型易碎、水果蔬菜、設(shè)備外觀等方面，但無(wú)法滿足軸叉生產(chǎn)使用。因此，需要針對(duì)軸叉特性設(shè)計(jì)專用的清洗機(jī)。

根據(jù)對(duì)軸叉的研究，設(shè)計(jì)了一種適用于長(zhǎng)短軸叉的高效清洗機(jī)設(shè)備，不僅解決了現(xiàn)有清洗機(jī)無(wú)法兼容長(zhǎng)短軸叉的問(wèn)題，而且該清洗機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清洗效率高，在軸叉清洗方面有良好應(yīng)用前景。

1 軸叉清洗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作流程

1.1 整體結(jié)構(gòu)

軸叉清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括機(jī)架、傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、噴淋清洗機(jī)構(gòu)、風(fēng)切系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)由伺服馬達(dá)循環(huán)步進(jìn)輸送，其中工裝采用快插切換式工裝，可更換不同節(jié)型的工裝對(duì)工件實(shí)施有效的定位與輸送；噴淋清洗系統(tǒng)由儲(chǔ)液槽、噴淋泵、過(guò)濾系統(tǒng)、液位裝置、噴嘴與管路連接而成，能夠?qū)S叉進(jìn)行清洗操作；風(fēng)切系統(tǒng)采用潔凈過(guò)濾高壓空氣的形式，空氣經(jīng)壓縮后，再經(jīng)風(fēng)刀對(duì)工件切水，風(fēng)壓可達(dá)0.03 MPa，流量可達(dá)7-10 m3/min。管路、風(fēng)刀及風(fēng)切室均采用不銹鋼制作；烘干系統(tǒng)繼續(xù)利用高壓風(fēng)機(jī)提供的潔凈空氣吹干工件表面液體，風(fēng)干溫度為常溫。高壓風(fēng)機(jī)功率為5.5 kW。在整個(gè)軸叉清洗過(guò)程中，清洗液的利用率提高了75%，加工效率提高55%。

1.快插切換式工裝 2.傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu) 3.噴淋清洗機(jī)構(gòu) 4.噴嘴 5.風(fēng)切系統(tǒng) 6.烘干系統(tǒng)1 7.烘干系統(tǒng)2 8.電機(jī) 9.液位裝置 10.儲(chǔ)液槽 11.過(guò)濾系統(tǒng) 12.噴淋泵 13.管路 14.機(jī)架

圖1 一種適用于長(zhǎng)短軸叉的高效清洗機(jī)裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Schematic diagram of an efficient cleaning machine for long and short tulip

1.2 工作流程

軸叉清洗機(jī)工作時(shí)，工作流程為機(jī)械手上料——噴淋清洗——風(fēng)切——烘干——烘干——機(jī)械手下料。上料機(jī)械手將工件抓取搬運(yùn)至上料工位工裝上，輸送電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)，工件傳輸至噴淋清洗工位，氣動(dòng)門關(guān)閉，對(duì)工件進(jìn)行噴淋沖洗；清洗完成后，進(jìn)入風(fēng)切工位，利用高壓風(fēng)機(jī)提供的潔凈空氣處理工件表面大部分的水分；然后進(jìn)入烘干工位，對(duì)工件進(jìn)行熱風(fēng)干燥，去除工件表面殘留水分；最后輸送至下料工位完成整個(gè)清洗工作。

軸叉清洗機(jī)工作時(shí)保證節(jié)拍在20 s，各工位的節(jié)拍需一致，清洗后軸叉表面及其內(nèi)腔干凈，無(wú)油漬和鐵屑?xì)埩?，外表面大部分風(fēng)干。

2 主要系統(tǒng)及工作單元的設(shè)計(jì)

一種適用于長(zhǎng)短軸叉的高效清洗機(jī)裝置主要包括機(jī)架、以及沿著工作方向的傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、噴淋清洗機(jī)構(gòu)、風(fēng)切系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.1 傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu),由快換工裝限制工件的位置，由伺服馬達(dá)循環(huán)步進(jìn)輸送。其中工裝采用快插切換式工裝，可更換不同節(jié)型的工裝對(duì)工件實(shí)施有效的定位與輸送。

出料位裝有2對(duì)光電開關(guān)，分別感應(yīng)出料位和滿料位，當(dāng)出料位的工件未離開或出現(xiàn)堆料狀況時(shí)，完成工序后的輸送自動(dòng)停止運(yùn)行，當(dāng)2對(duì)光電開關(guān)分別感應(yīng)到和感應(yīng)不到后自動(dòng)回復(fù)運(yùn)行。

2.2 快插切換式工裝

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有軸叉清洗機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用機(jī)械夾緊步進(jìn)式輸送，因長(zhǎng)軸叉重心偏高，容易導(dǎo)致長(zhǎng)軸叉倒料，本文設(shè)計(jì)了一種快插式定位工裝，可根據(jù)不同節(jié)型的工件快速更換工裝，安裝和拆卸都無(wú)需工具，該工裝采用螺釘緊固，只需插入到底旋轉(zhuǎn)即可完成安裝，取出則反之?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際換型7 s，現(xiàn)操作性能高，使用性強(qiáng)?？觳迩袚Q式工裝如圖2所示。

快插切換式工裝四周設(shè)有環(huán)形限位結(jié)構(gòu)，對(duì)工件外形進(jìn)行限位，確保工件定位穩(wěn)定，同時(shí)，該工裝能適用GI和AR兩種節(jié)型?？紤]到軸叉工藝要求，需對(duì)此工裝端面倒角進(jìn)行深入研究，工裝端面倒角分別采用6°、8°、10°、12°、14°，現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)GI3-26、GI3-29和GI3300測(cè)試100根軸叉，對(duì)軸叉碗口及表面磨損度進(jìn)行測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng)?shù)菇谴笥?0°時(shí)，三種節(jié)型的軸叉磨損數(shù)量較6°和8°時(shí)的減少，同時(shí)，考慮工裝加工的經(jīng)濟(jì)因素，采用快插切換式工裝10°倒角。使用至今，軸叉客戶抱怨為零。

2.3 噴淋清洗機(jī)構(gòu)

高壓噴淋清洗機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)液箱、噴淋泵、過(guò)濾系統(tǒng)、液位裝置、管路和噴嘴等結(jié)構(gòu)組成。儲(chǔ)液箱內(nèi)設(shè)有高、低液位限位裝置，保持原設(shè)備的結(jié)構(gòu)和控制不變；噴淋泵采用原設(shè)備水泵，在總管上分成幾組噴淋管,每組噴淋管都上下左右全方位噴洗，噴嘴排布合理，保證沒(méi)有死角，根據(jù)工件勻均排布，如圖3所示；過(guò)濾系統(tǒng)沿用原過(guò)濾系統(tǒng)不變，清洗過(guò)程中的過(guò)濾系統(tǒng)，可保持清洗液干凈并延長(zhǎng)使用時(shí)間；液位裝置保持原設(shè)備的結(jié)構(gòu)和控制不變。

圖2 快插切換式工裝主視圖

表1 快插切換式工裝倒角大小與軸叉磨損數(shù)量表

圖3 噴淋工位結(jié)構(gòu)圖

噴淋清洗機(jī)構(gòu)利用快插切換式工裝實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)清洗，輸送鏈的噴淋段定位處有特制的型腔清洗，輸送鏈的兩側(cè)各設(shè)置兩排固定噴嘴均勻排部，工件柄部區(qū)域?qū)ｉT增加兩排噴嘴，對(duì)工件進(jìn)行全方位噴淋清洗，工作壓力0.2-0.4 MPa。為了防止竄液現(xiàn)象，在清洗與風(fēng)切之間采用硅膠皮和毛刷排相結(jié)合的辦法。

2.4 風(fēng)切系統(tǒng)

該裝置通過(guò)快插切換式工裝實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)風(fēng)切。通過(guò)氣缸帶動(dòng)環(huán)形風(fēng)刀升降，對(duì)工件進(jìn)行移動(dòng)切水，以節(jié)約空氣用氣量。此工序是在工件到位后啟動(dòng)，設(shè)定的時(shí)間到達(dá)后停止。

2.5 烘干系統(tǒng)

烘干系統(tǒng)有兩個(gè)工位，當(dāng)工件到達(dá)烘干工位1，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，延時(shí)到達(dá)后，停止送風(fēng)并輸送至干燥工位2。烘干工位1通過(guò)風(fēng)機(jī)加熱包將熱風(fēng)吹到工件表面，達(dá)到去除工件表面殘留水分的目的；烘干工位2功能和1相同，為滿足在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到徹底風(fēng)干而增設(shè)的。當(dāng)工序完成后輸送至下料工位。

2.6 控制系統(tǒng)

該清洗機(jī)采用可編程控制器作為中心控制，使電器系統(tǒng)的運(yùn)行更加可靠，工藝調(diào)整更為可靠方便，設(shè)計(jì)上采取程序互鎖，無(wú)論手動(dòng)操作還是自動(dòng)運(yùn)行都具備完善的保護(hù)功能，從而保護(hù)由于錯(cuò)誤操作而損壞機(jī)體，保證設(shè)備正常運(yùn)行。配有獨(dú)立電箱并防塵防水，有良好的接電裝置，為保證設(shè)備正常運(yùn)行和維修，設(shè)計(jì)中有故障部位顯示，使維修更方便更快捷。

(1)控制系統(tǒng)：設(shè)備采用西門子S7-1200 帶網(wǎng)關(guān)功能的 PLC，具有MES信號(hào)通訊功能，PLC程序輸入可根據(jù)需要控制工件運(yùn)行狀態(tài)、溫度等。電氣控制元件采用電壓DC24 V，帶過(guò)載保護(hù)裝置。

(2)觸摸屏采用西門子品牌。

(3)設(shè)有報(bào)警：電機(jī)過(guò)載報(bào)警，溫度超過(guò)報(bào)警，液位過(guò)低報(bào)警，電導(dǎo)率超出范圍報(bào)警。

(4)清洗機(jī)工作電壓380 V，50 Hz。

(5)電控箱主開關(guān)無(wú)暴露線管。

3 應(yīng)用案例

經(jīng)過(guò)研發(fā)制作，觀察現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)不同節(jié)型GI3-26、GI3-29和GI3300各1000根，利用專有設(shè)備測(cè)試軸叉清洗度，與專家給出的清潔度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得到表2軸叉清潔度分布表。

表2 軸叉清潔度分布表

專家制定規(guī)則清潔度0.6 mg為優(yōu)秀，2 mg為良好，6 mg為中等，8 mg為差。通過(guò)表2可知，不同節(jié)型清潔度優(yōu)秀的占比分別為89.3%、90.5%和87.6%；良好占比為6.7%、7.2%和5.4%。該設(shè)備設(shè)計(jì)階段，專家預(yù)計(jì)軸叉清洗清潔度良好以上為90%，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)對(duì)比可知，3種節(jié)型軸叉清潔度良好以上均達(dá)到目標(biāo)。因此，該設(shè)備滿足使用要求。

4 清洗機(jī)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)傳動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)快插切換式工裝，既能保證長(zhǎng)短軸叉不同節(jié)型共同使用，又避免了傳輸過(guò)程中倒料現(xiàn)象；

(2)利用快插切換式工裝實(shí)現(xiàn)了工件定點(diǎn)清洗、定點(diǎn)風(fēng)切和定點(diǎn)烘干功能；

(3)該裝置能實(shí)現(xiàn)軸叉生產(chǎn)線一物流，具有可操作推廣性。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

該裝置可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸叉自動(dòng)化生產(chǎn)，釋放該工序的操作人員，節(jié)省人員成本，按裝置生產(chǎn)時(shí)的人均成本每人年均7萬(wàn)計(jì)算，三班三人總共21萬(wàn)，則該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益為2.2萬(wàn)元。

5 結(jié)論

該軸叉清洗機(jī)研制成功解決了現(xiàn)有清洗機(jī)無(wú)法兼容長(zhǎng)短軸叉、倒料等問(wèn)題，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種快插切換式工裝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取倒角為10°的快插切換式工裝，能滿足工藝要求以及經(jīng)濟(jì)條件，減少了軸叉碗口和表面磨損現(xiàn)象，為清洗機(jī)定點(diǎn)清洗、定點(diǎn)風(fēng)切和定點(diǎn)功能提供了可靠的技術(shù)支持。該裝置在原有的機(jī)架上改造，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，為發(fā)展傳動(dòng)軸制造提供了方便，有利于推廣到其它行業(yè)使用。