旋铆技术在拖拉机悬挂系统上的研究与应用

刘卫国，谢富明，韩永江

(中国一拖集团有限公司第三装配厂，河南洛阳 471003)



旋铆技术在拖拉机悬挂系统上的研究与应用

刘卫国，谢富明，韩永江

(中国一拖集团有限公司第三装配厂，河南洛阳 471003)

摘要：分析拖拉机悬挂杆件万向球关节现有压装工艺存在的问题，提出采用旋铆技术进行球头压合的新工艺，以实现提高部件压合品质及可靠性的目的。

关键词：拖拉机悬挂杆件；万向球关节；旋铆技术

0引言

拖拉机悬挂系统作为拖拉机挂接农具的执行元件，具有受力大、强度要求高的特点。为保证其与农机具的灵活连接，一般悬挂杆件端部均设计为万向球关节(简称球头)结构。提升臂作为拖拉机悬挂重要组成部分，现阶段我国多数制造企业使用专用工装配合标准压床，将提升臂杆件与球头冷压合装配在一起。此种压合装配方式不仅质量较难控制，而且很难保证球头与提升臂间的间隙，提升臂球头脱落、损坏一直占据拖拉机悬挂杆件故障的前列；加之一旦球头损坏，提升杆件一般均无法修复，即便通过焊接简单修复，其可靠性也较损坏前大大降低，这将直接造成悬挂杆件的报废、失效，见图1。因此，改进提升臂球头压装方式，以达到降低球头脱落、损坏故障率的目的。

1目前国内企业对提升臂及球头采用的压合方式及主要存在问题

目前多数企业提升臂球头装配采用带唇口的球头座，将球头放入球头座后，在保证球头能够运转自如的前提下用标准压床配合压头将球头座唇口压合，以保证球头的运动自由度和所需的强度。

1.1提升臂球头压合后球头与球窝配合间隙标准确定

1.2压合过程工艺描述

如图2所示，将提升臂焊合件穿过球头限位销放置在压装支座3上；取一球头穿过球头限位销放入提升臂球窝内，旋转球头保证球头能够运转自如的前提下使用标准压床配合压头1将球头座唇口压合,直至球头与球窝无轴向间隙。活动球头，保证球头在球窝内轴向无晃动，径向运作自如。

1.3球头压合过程受力分析

如图3所示，球头收口压头压合面为52.5°圆锥面[图3(a)]，球头压合过程中，下压力F作用与圆锥面上，产生垂直于锥面的分力F1及平行于锥面的分力F2[图3(b)]；作用力F1作用于球窝唇口使其产生塑性变形收口压合；作用力F2作用于压头与唇口接触面用于抵消压合过程接触面之间产生的摩擦阻力，保证压头持续下压。收口所需的下压力F随下压过程唇口变形量及压合接触面的变大而持续变大，直至唇口与球面贴合。

1.4该压合方式主要存在问题

(1)该压合方式球头座唇口压合后，由于压头压合面呈圆锥面，压合点位置为球面与球座内壁相切点位置，导致压合点上下球面无法贴合[见图3(c)中A向局部放大图]，这直接造成球头座唇口受力不均，局部压强过大，加剧了唇口翻边的磨损，易造成故障。

(2)为保证球头表面的防腐镀锌层，压合均采用冷压，压合过程中工件与压装模具之间为相对滑动，压合面粗糙且球头座唇口变形后易产生撕裂及裂纹，导致球窝收口局部屈服强度较低，较难保证压合性能。

(3)在压合过程中压床的进给量较难控制，球头与提升臂球窝的配合间隙无法保证。进给量大了，球头卡死；进给量小了，球头旷动量大，部件耐冲击性差。

提升臂与球头连接采用压床直接进行压装。采用该种压装方式，提升臂与球头在夹具上固定好之后，压床下压时提升臂很难保证受力均匀。压床压力太大容易将球头压死，球头不能在提升臂里灵活转动甚至卡死；压床压力太小又会造成球头与提升臂的轴向间隙过大，在后续的使用过程中容易造成球头脱落。标准压床在调节压力大小时缺少微调节功能，而且压装方式单一，提升臂包裹球头位置受力方向难以改变，导致压装后使用效果较差。因上述原因，直接造成提升臂球头故障率居高不下。为此，采用合理的结构及压装工艺对于提高该类部件可靠性、有效降低故障率具有积极的现实意义。

2“旋铆”技术的引入及对比试验

2.1旋铆过程工艺描述

将提升臂焊合件穿过球头限位销放置在定位夹具上；取一球头穿过球头限位销放入提升臂球窝内，旋转球头保证球头能够运转自如的前提下操纵液压旋铆机，设备自动将球头座唇口铆合，直至下压力(或位移)达到设定值。检测铆合后球头与球窝的配合间隙是否为0.08～0.34 mm。

2.2旋铆过程受力分析

如图4所示，球窝收口过程是随着滚轮下压滚轮与口壁之间接触点位置由点接触逐渐向线接触过渡的过程。铆合过程中，滚轮围绕球头轴线高速旋转，且为了防止口壁与滚轮之间的摩擦力，滚轮在下压过程中可实现自转。球头铆合过程中，极限下压力F′只需大于球窝唇口塑性变形所需压力。

2.3旋铆工艺主要优点

(1)旋铆过程收口变形顺从金属自然流向，不会降低材料的缺口冲击韧性和延展性；

(2)旋铆过程轴向预压力较小，仅为锤击、冲压等铆接方式的1/10～1/15；

(3)旋铆头在工件表面做纯滚动而无滑动，铆口成型后的表面粗糙度仅取决于铆头；

(4)旋铆过程铆头进给量可以通过压力或位移双层控制(压力通过压力传感器控制，位移通过光栅尺控制)，控制精度较高，可以有效地控制铆合间隙。

鉴于旋铆工艺以上优点及其在汽车装配工艺中的成熟运用，经过项目组对铆合工艺方案的评审及论证，决定引进提升臂球窝收口铆合工艺方案。

3铆合工艺效果验证

为了验证提升臂球头铆合工艺与压合工艺对配合间隙的保证能力，特针对提升臂球头采用铆合工艺及压合工艺处理，对处理后的球头配合间隙进行了专项检测，检测数据记录见表1，数据统计分布见图5。

表1提升臂球头铆合及压合后的球头配合间隙检测数值

(1)依据表1检测数据可知：采用压床配专用压头压合球头工艺方案压合间隙合格率为：h1=100%×27/60=45%；采用旋铆工艺铆合球头配合间隙合格率为：h2=100%×59/60=98.3%。

(2)由图5可知：采用旋铆压合的提升臂球头配合间隙相比采用压床压合收口配合间隙有很大改善。通过两种工艺对比可知，使用旋铆机旋铆的提升臂与球头收口位置表面均匀光滑，质量很好，而压装的效果明显较差；实际中用手轴向晃动旋铆后的球头，可知旋铆后的球头间隙相对压装后的球头间隙显然小了很多。旋铆工艺可以达到在保证提升臂与球头相对转动灵活的前提下，尽可能减小两者之间的间隙，从而解决球头脱落问题。

4旋铆技术在拖拉机悬挂系统上的应用前景分析

拖拉机悬挂系统杆件端部一般均设计为万向球关节结构，悬挂杆件都是由杆件本体及两端的万向球关节结构组成，两端关节满足使用中对杆件自由度的要求，杆件本体承担主要的受力。为利于生产，一般先将球关节与球头座组成球头座合件后再与悬挂杆件焊接在一起，目前国内一般采用先加工出带唇口的球头座，将球头放入球头座后，在保证球头能够运转自如的前提下用压床将球头座唇口压倒，以保证球头的运动自由度和所需的强度。然而，采用冷压方式的结果是导致球头座唇口变形后易产生撕裂及裂纹，很难保证压合性能，从而易引发悬挂杆件球头的脱落。

旋铆技术的引用，于拖拉机悬挂系统万向球关节结构质量的保证是不言而喻的，其最关键的过程在于2个铆头的运动。当工件进行铆接时，2个铆头开始在需要被铆接的位置高速旋转，直至旋铆结束。旋铆过程一般分为2种运动：一种是铆头自身的圆周运动，一种是铆头竖直方向的直线进给运动。该2种运动同时进行是旋铆效果的根本保证。经过旋铆后的悬挂杆件收口位置受力均匀，表面光滑，很大程度上提高了被铆接件收口位置的品质与质量，最关键的是旋铆后球头轴向间隙较之前冷压后的间隙明显变小，很好地解决了万向球关节结构球头脱落这一问题 ，提高了拖拉机悬挂杆件的使用寿命及可靠性。

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【5】沈则方,高翔,周小健.拖拉机悬挂机构参数的优化设计[J].中国制造业信息化,2010,(2):43-46.

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Research and Application of Spin Riveting Technology in Tractor Suspension System

LIU Weiguo, XIE Fuming, HAN Yongjiang

(The Third Assembly Plant of China YTO Group Corporation, Luoyang Henan 471003,China)

Keywords:Tractor suspension bar; Universal ball joint structure; Spin riveting technology

Abstract:In order to improve the press quality and reliability of the components, spin riveting technology was proposed to press the ball by analyzing the problems existing in the pressing technology of the universal ball joint of the tractor suspension system.

收稿日期：2016-04-20

作者简介：刘卫国，男，本科，从事产品设计工作。E-mail：464208321@qq.com。

中图分类号:S219.02

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)05-057-04