1、活塞旋轉(zhuǎn)式清洗機(jī)改進(jìn)洪圣(上海科爾本施密特活塞有限公司摘要進(jìn)口旋轉(zhuǎn)式活塞清洗機(jī),在完成整個(gè)清洗流程后存在幾個(gè)潛在隱患:工位器具與清 洗設(shè)備不匹配,加工時(shí)頻繁上下料造成產(chǎn)品磕碰傷;進(jìn) /出料口為同一個(gè),影響操作同步 性;清洗后,活塞需由人工用高壓空氣吹干,該環(huán)節(jié)屬人為控制,對(duì)后道工序質(zhì)量產(chǎn)生 很大影響,缺乏可控性。由現(xiàn)場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)細(xì)節(jié)的觀察及結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),提出改進(jìn)想法。 通過對(duì)新型清洗一體機(jī)的改進(jìn),避免多處隱患,保證生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量,提高清洗通用 性,降低活塞的制造成本。關(guān)鍵詞:活塞清洗;旋轉(zhuǎn)清洗;活塞清洗一體機(jī)The Improved Design of Piston Turning ove

2、rWashing MachineHong Sheng(Kolbenschmidt Shanghai Piston Co., Ltd.Abstract: The imported turning over washing machine has some problem after the whole production process: 1、 working position apparatus are not match with washing machine, each time the operator has to load and unload pistons so that t

3、he piston will be damaged. 2、 The inlet and outlet are the same which will influence the operation synchronization. 3、 After washing, each piston need to be dried by manual with high pressure air. This process is controlled by manual and there s potential risk. After discussion, we give this improve

4、ment suggestion to solve these problems to control the piston quality and increase production efficiency, reduce the cost.0 引言鋁活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要運(yùn)動(dòng)磨損件之一。活塞的主要作用是承受缸中氣體壓力所產(chǎn) 生的作用力,并將此力通過活塞銷傳給連桿,以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。活塞與活塞環(huán)、活塞銷、 連桿、連桿軸瓦等組成活塞連桿組;活塞的頂部與缸蓋、缸壁共同組成燃燒室 1。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失中,主要有機(jī)械摩擦損失和驅(qū)動(dòng)附件損失等,其中機(jī)械摩擦損失所 占比例最大。尤其是活塞與缸套之間的摩擦,因

5、其接觸面積大、活塞運(yùn)動(dòng)速度高且變化幅 度大, 致使其造成的功率損失在全部摩擦損失中所占比例可達(dá) 1/3, 特殊情況下甚至?xí)哂?1/3。因此改善活塞與氣缸之間的摩擦狀況,降低摩擦損失,也就是說如何改善活塞與缸套 的潤(rùn)滑性,已成為減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的非常重要的研究課題。活塞裙部噴涂石墨就是解決這個(gè)課題的一項(xiàng)重要手段,石墨具有良好的潤(rùn)滑性,抗壓 強(qiáng)度高,耐高溫氧化,還有良好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和較低的摩擦系數(shù)(一般- 1 -為 0.11 。 所以, 活塞裙部噴涂石墨后, 即可改善活塞初期的磨合性能和冷啟動(dòng)的抗拉強(qiáng)度, 又可起減磨作用,降低活塞與氣缸的摩擦功,活塞表面噴涂石墨就是用粘結(jié)劑將石

6、墨均勻 地粘結(jié)在活塞的裙部,利用石墨具有的自潤(rùn)滑性,在活塞運(yùn)動(dòng)中起潤(rùn)滑作用,來減小摩擦 力,同時(shí)也避免了因潤(rùn)滑不足而造成的磨合不好以及活塞的拉缸現(xiàn)象。另外,在發(fā)動(dòng)機(jī)磨 合初期由于石墨層的自身潤(rùn)滑性也極大提高了缸套與活塞的抗疲勞性。因此噴涂石墨技術(shù) 不僅能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功損失,同時(shí)也能顯著提高活塞正常的使用壽命。為增強(qiáng)粘合性,在噴涂石墨前,必須對(duì)活塞進(jìn)行噴涂前處理。這一工序非常關(guān)鍵,因 為該工序處理的好壞,關(guān)系到噴涂的粘合效果。噴涂前處理主要是將活塞經(jīng)過多工序的清 洗、除油后,再對(duì)活塞表面進(jìn)行磷化,使活塞表面形成一層粗糙的帶有微觀孔洞的表面。 當(dāng)石墨噴涂到該表面上以后,石墨顆粒可以滲入到表面

7、微觀孔洞內(nèi)部,即使活塞經(jīng)過長(zhǎng)時(shí) 間的磨合后,將表面的石墨層磨掉一部分,微觀孔洞內(nèi)的石墨仍然能起到潤(rùn)滑作用。現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家的活塞生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)不再進(jìn)行黑色磷化,而是采用印刷石墨的技術(shù)(目 前該技術(shù)在我國也已普遍使用 , 直接將活塞清洗干凈后, 采用配制好的石墨乳劑進(jìn)行印刷, 然后進(jìn)行固化。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)活塞的清洗提出了很高的要求,德國采用純凈水清洗,根據(jù)現(xiàn) 場(chǎng)的情況,效果要比直接噴涂石墨為好 2。由于對(duì)活塞性能的要求很高, 所以需要利用完全滿足以上各項(xiàng)要求的材料來制造活塞。 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞普遍用鋁合金制造,為了提高活塞性能,與過去的活塞相比,現(xiàn)今的活 塞更輕,熱膨脹系數(shù)更小,熱傳導(dǎo)性更好。此外活塞的設(shè)

8、計(jì)也有改變,裙部更短用料減少 (俗稱輕型活塞 ,鏜銷孔表面積減少。然而發(fā)動(dòng)機(jī)的每一次改進(jìn),也在不斷增加活塞的摩 擦力和磨損,所以為了應(yīng)對(duì)增加的摩擦力并提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能還需要對(duì)活塞進(jìn)行相關(guān)的表面 處理(清洗;印刷石墨;環(huán)化等來提升活塞多方面的性能及作用。為了滿足各類活塞客戶對(duì)提高功率和降低燃油率的需求,延長(zhǎng)活塞使用壽命,保護(hù)發(fā) 動(dòng)機(jī),活塞的石墨減摩涂層是十分必要的。活塞在機(jī)加工完成后,表面會(huì)仍殘留有冷卻液 及鋁屑,為了確保石墨涂層的粘結(jié)度,石墨涂層印刷前的清洗顯得尤為重要 3。一、 進(jìn)口清洗機(jī)(改進(jìn)前的設(shè)備原理本機(jī)為自動(dòng)多槽超聲波清洗設(shè)備, 活塞有序排放在清洗籃內(nèi), 清洗進(jìn) /出料口為同一個(gè), 由

9、 1名操作工完成活塞的上下料,清洗籃在水槽內(nèi)的搬運(yùn)由一個(gè)機(jī)械手臂完成,機(jī)械手臂 由電機(jī)驅(qū)動(dòng),各個(gè)清洗籃筐在水槽內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)以提高清洗質(zhì)量,各程序由 PLC 控制。 進(jìn)口清洗機(jī)示意圖: - 3 - 1 進(jìn)口清洗機(jī)缸體排列示意 二、 問題描述 本公司所使用的進(jìn)口清洗設(shè)備,在經(jīng)過清洗后經(jīng)常會(huì)發(fā)生如下問題:1. 上料時(shí),需由操作工將活塞放入清洗籃筐,容易造成工件磕碰傷;2. 清洗后活塞需由人工用高壓空氣吹干,為人工控制,缺乏可控因素。對(duì)后續(xù)的石墨印刷工序?qū)a(chǎn)生較大的質(zhì)量隱患。石墨印刷時(shí),要求活塞表面干燥,無油跡或水跡,否 則將造成石墨脫落,對(duì)活塞的功能性造成影響。三、 原因分析(一 各 類磕碰傷活塞在清

10、洗工序,上下料造成人為磕碰傷產(chǎn)生。圖 2 手工擺放轉(zhuǎn)移活塞(二 清 洗后活塞干燥不徹底活塞干燥由人工手動(dòng)高壓空氣吹干,系人為保證,存在風(fēng)險(xiǎn)。而每一班要吹三千多只 活塞,長(zhǎng)期操作難免出現(xiàn)差錯(cuò)。吹干過程要求將活塞環(huán)槽和裙部印刷區(qū)域上的水都吹干,否則在下道工序石墨印刷時(shí), 將造成石墨無法完全粘附在活塞表面,活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)里會(huì)造成石墨脫落的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。- 4 - 圖 3 手工高壓空氣吹干活塞四、 確定主因(一 確 定活塞磕碰傷的主因1. 清洗設(shè)備與清洗工序前后道所使用的籃筐不匹配,多次上下料造成人為碰傷。2. 清洗設(shè)備壓頭易磨損造成清洗過程中活塞頂面碰傷。(二 確 定活塞干燥不徹底的主因活塞干燥由人為保證

11、,故存在風(fēng)險(xiǎn),如能改進(jìn)為設(shè)備保證,人為監(jiān)控將更加安全可靠。 表 1 清洗設(shè)備各個(gè)缸體的組成與設(shè)定 - 5 - 五、 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)分析 (一 活 塞清洗物流狀態(tài)分析1. 18個(gè) /框 16個(gè) /框物流環(huán)節(jié)多余步驟 圖 4 18個(gè) /框示意圖 5 16個(gè) /框示意每次上下料需要將 16個(gè) /框的活塞轉(zhuǎn)移至 18個(gè) /框:(1物流上形成不必要的浪費(fèi),每次轉(zhuǎn)移所需時(shí)間大約為 45s 。取消后可以降低操作所需時(shí)間,提高人機(jī)作業(yè)率。(2由于轉(zhuǎn)移需要人為操作,必定會(huì)造成更多的磕碰傷。降低人為引起磕碰傷的發(fā)生概率,從而提高產(chǎn)品整體質(zhì)量2. 16個(gè) /框:“一物流”流轉(zhuǎn)方式直接將流轉(zhuǎn)下來的框體送入清洗設(shè)備中清洗

12、(二 試 驗(yàn)論證1. 18個(gè) /框 -16個(gè) /框通過對(duì) 10,000個(gè)活塞進(jìn)行跟蹤,上、下料過程中的磕碰傷比例約為 0.06%2. 16個(gè) /框“一物流”通過對(duì) 10,000個(gè)活塞進(jìn)行跟蹤,上、下料過程中的磕碰傷比例約為 0%(三 實(shí) 際觀察通過實(shí)際觀察可以得到結(jié)論,越多的物流轉(zhuǎn)移步驟將造成更多的人為磕碰傷產(chǎn)生。 (四 判 斷 多余的操作步驟必然引起更多的活塞磕碰,該問題是按照比例線性增加的,如果想減 少磕碰傷的數(shù)量,必須精簡(jiǎn)操作步驟,減少不必要的物流環(huán)節(jié)。六、 對(duì)于活塞清洗設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)(一 三 大改進(jìn)項(xiàng)目:1. 活塞擺放籃筐的改進(jìn):與前道工序相同2. 清洗設(shè)備旋轉(zhuǎn)籃筐的改進(jìn):適合 16個(gè)

13、 /框尺寸3. 清洗設(shè)備增加真空泵:3.1真空干燥原理:a 真空干燥:又名解析干燥,是一種將物料臵于負(fù)壓條件下,并適當(dāng)通過加熱達(dá)到負(fù) 壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)蒸發(fā)水汽 , 或者通過降溫使得物料凝固后通過溶點(diǎn)來干燥物料的 干燥方式。 物料內(nèi)水分在負(fù)壓狀態(tài)下溶點(diǎn)沸點(diǎn)都隨著真空度的提高而降低, 同時(shí)輔 以真空泵間隙抽濕降低水汽含量, 使得物料內(nèi)水等溶液獲得足夠的動(dòng)能脫離物料表 面。 真空干燥由于處于負(fù)壓狀態(tài)下隔絕空氣使得部分在干燥過程中容易氧化等化學(xué) 變化的物料更好的保持原有的特性, 也可以通過注入惰性氣體后抽真空的方式更好 的保護(hù)物料。b 沸點(diǎn)干燥法:干燥過程中,液體水分汽化有軸蒸發(fā)和沸騰兩種方式。水在沸騰

14、時(shí)的 汽化速度比在蒸發(fā)時(shí)的汽化速度快得多,水分蒸發(fā)變成蒸汽可以在任何溫度下進(jìn) 行。水分沸騰變成蒸汽,只能在特定溫度下進(jìn)行,但是當(dāng)降低壓強(qiáng)的時(shí)候,水的沸 點(diǎn)也降低。例如,在 19.6kPa 氣壓下,水的沸點(diǎn)即可降到 60°C 。真空干燥機(jī)就是 在真空狀態(tài)下,提供熱源,通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等傳熱方式供給物料中水分足夠的 熱量,使蒸發(fā)和沸騰同時(shí)進(jìn)行,加快汽化速度。同時(shí),抽真空又快速抽出汽化的蒸 汽, 并在物料周圍形成負(fù)壓狀態(tài), 物料的內(nèi)外層之間及表面與周圍介質(zhì)之間形成較 大的濕度梯度,加快了汽化速度,達(dá)到快速干燥的目的。3.2 真空干燥優(yōu)點(diǎn):a 干燥后的工件表面溫度控制在 40左右,屬于低溫

15、干燥,避免工件高溫后不能回 復(fù)到原有加工尺寸精度的缺陷。b 真空干燥具有設(shè)備具有占地面積小、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。 耗電量只是相同規(guī)格烘干機(jī)的 50%左右。c 與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥法相比:當(dāng)工件有內(nèi)腔時(shí),內(nèi)腔內(nèi)的空氣是高濕高溫氣體,一旦內(nèi) 腔開口向下擺放時(shí), 由于工件在干燥后會(huì)有一個(gè)冷卻過程, 內(nèi)腔內(nèi)的高濕高溫氣體 會(huì)在工件上冷凝成細(xì)微水滴, 不能起到完全干燥的效果, 這就是國際上采用真空泵 干燥工件的最主要原因。3.3設(shè)備結(jié)構(gòu):真空干燥設(shè)備主要由“真空泵、真空密閉室、閥組”組成。真空泵能將真 空密閉室抽成真空狀態(tài),在真空室內(nèi)的工件壓力就會(huì)降低,水的沸點(diǎn)就降低,當(dāng)水汽化時(shí)產(chǎn)生的水汽,被真空泵抽吸外排,使工件能

16、徹底干燥。(一 工 藝流程示意圖 (二 改 進(jìn)后活塞清洗設(shè)備優(yōu)點(diǎn)1. 進(jìn)料時(shí)無需重新對(duì)籃筐進(jìn)行裝料操作,減低人為磕碰傷的產(chǎn)生;2. 由于節(jié)約了裝料時(shí)間,平均每次清洗循環(huán)操作人員將得到額外 45s 的時(shí)間進(jìn)行其他操作。3. 增加真空泵,使活塞干燥由設(shè)備保障,進(jìn)而保證后道石墨印刷工序的質(zhì)量。 (三 改 進(jìn)示意圖 圖 6 新清洗機(jī) CAD 俯視圖圖 7 新清洗機(jī) CAD 正視圖七、 實(shí)際應(yīng)用設(shè)備改進(jìn)后,在使用中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過真空泵后的活塞表面仍殘留有水跡。進(jìn)一步研究真空 泵的讀數(shù),發(fā)現(xiàn)真空泵內(nèi)的壓力值無法達(dá)到要求,即真空干燥設(shè)備內(nèi)的真空度不夠。 根據(jù) Antoine 公式,水的沸點(diǎn)與氣壓關(guān)系如下:In(P

17、=9.3876-3826.36/(T-45.47【 T 在 290500K 之間】第四個(gè)熱水漂洗缸的溫度在 75左右,經(jīng)過風(fēng)刀后,溫度約為 50,此時(shí),查表得到 真空泵內(nèi)壓強(qiáng)應(yīng)該是:12.332KPa 。但是,查看真空泵的壓力讀數(shù),顯示未達(dá)到上述壓力, 說明設(shè)備的真空度未達(dá)到要求。車間對(duì)真空泵進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)如下圖所示,當(dāng)真空干燥劑開始工作時(shí),左右兩扇門關(guān) 閉時(shí),存在漏氣的情況。因此,車間與設(shè)備供應(yīng)商討論,在關(guān)門的地方安裝密封條,保證 真空干燥機(jī)的密閉性。改進(jìn)后,連續(xù)觀察 3個(gè)班次,共計(jì)約 9, 000個(gè)活塞,未發(fā)現(xiàn)活塞表面留有水跡,石墨 粘結(jié)度全部合格。 圖 8 真空泵工作狀態(tài)示意圖 八、 效

18、果對(duì)比 圖 9 真空泵非工作狀態(tài)示意圖 對(duì) 10000 個(gè)活塞跟蹤觀察后，得出以下結(jié)論： 1. 磕碰傷比率明顯下降： a 原先上/下料方式造成磕碰傷比例：0.06%; b 改進(jìn)后磕碰傷比例：接近于 0%。 2. 沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)活塞存在由于清洗后不干燥而引起的粘結(jié)度不良。 后續(xù)應(yīng)用 九、 1. 籃筐種類：不同型號(hào)活塞的直徑是不同的，所以對(duì)于原來的籃筐要做一定的修改，包 括籃筐內(nèi)撐等部件都要重新設(shè)計(jì)。如圖 10/11 分別適用于不同的柴油機(jī)活塞。 圖 10 8 個(gè)/框活塞-1 - 11 - 圖 11 8 個(gè)/框活塞-2 2. 設(shè)備布局改進(jìn)：如圖 12，是目前的設(shè)備布局。該布局中，清洗工序結(jié)束后，需將活塞 移至石墨間內(nèi)，中間環(huán)節(jié)存在被污染的可能，對(duì)活塞的清潔度有影響。因此，可對(duì)清 洗設(shè)備和石墨間做如下改動(dòng)，如圖 12、圖 13、圖 14 所示，清洗機(jī)出料口直接伸入石 墨間內(nèi)。 圖 12 目前設(shè)備布局 圖 13 新設(shè)備布局-1 圖 14 十、 結(jié)束語 新設(shè)備布局-2 (一 通過對(duì)工位器具的統(tǒng)一，減少了在上、下料過程中多余的一次動(dòng)作。不僅避免了操作 過程中人為因素產(chǎn)生的產(chǎn)品磕碰傷，而且提高了人機(jī)利用率，降低了工作強(qiáng)度。 (二 與原有設(shè)備相比，增加真空泵后，使活塞清洗后的干燥過程由人為控制變?yōu)樵O(shè)備控制， 增加了可靠性，避免活塞清洗后因?yàn)楦稍锊煌耆ū砻鏆埩粲兴E）而產(chǎn)生的后續(xù)石