汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體斜油孔加工工藝??

單艷芬 肖鐵忠 黃 娟

(①常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇常州213025；②四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)618000)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的五大部件之一，其品質(zhì)直接影響整車(chē)的動(dòng)力及燃油性能[1-3]。而發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械加工將直接確定發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)，故企業(yè)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加工均有研制各自的工藝及裝備以保證其質(zhì)量[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)這類(lèi)大批量生產(chǎn)的部件，主要有兩種工藝方案[6-7]:一是“專(zhuān)用機(jī)床+加工中心”的“剛?cè)帷苯Y(jié)合的生產(chǎn)線(xiàn)；二是完全由加工中心組成的“柔性”生產(chǎn)線(xiàn)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查反饋顯示[8-10]:純加工中心組成的生產(chǎn)線(xiàn)雖然具備較強(qiáng)的加工變型產(chǎn)品的能力，但是因?yàn)榧庸ば实停瑹o(wú)法滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的需求。故目前針對(duì)大批量生產(chǎn)，因“剛?cè)帷苯Y(jié)合生產(chǎn)線(xiàn)既具有一定加工變型產(chǎn)品的能力，又具有較高的生產(chǎn)效率而逐漸成為市場(chǎng)的主流發(fā)展方向。重慶某企業(yè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工生產(chǎn)線(xiàn)要求具備25萬(wàn)件以上的生產(chǎn)能力，屬于大批量生產(chǎn)，經(jīng)全面綜合考慮，采用“剛?cè)帷苯Y(jié)合的生產(chǎn)線(xiàn)方案。其中，缸體筒大側(cè)面斜油孔加工屬于其中一道關(guān)鍵工序，采用專(zhuān)用機(jī)床方案，提出了一次裝夾同時(shí)完成5個(gè)斜油孔加工的工藝方案，既保證生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)節(jié)拍，也提升了合格率及自動(dòng)化程度，為同類(lèi)產(chǎn)品工藝及裝備的研制提供了成功的參考案例。

1 工藝要求及現(xiàn)有工藝存在的問(wèn)題

1.1 工藝要求

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體斜油孔的加工技術(shù)要求如圖1所示。

由圖1可知，缸體滑動(dòng)軸承座上共有5個(gè)直徑5 mm深度67 mm的孔需要加工，其主要工藝要求有:(1)各孔中心軸線(xiàn)間的尺寸精度為±0.2 mm，表面粗糙度Ra=6.3 μm；(2)5 孔中心軸線(xiàn)與水平面呈 48°56′角；(3)單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)綱領(lǐng)達(dá)到25萬(wàn)件/年以上，合格率達(dá)到99.9%以上；(4)實(shí)現(xiàn)除人工上下料之外的所有加工自動(dòng)化。

1.2 現(xiàn)有工藝存在的主要問(wèn)題

針對(duì)本工序的5孔，企業(yè)采用柔性生產(chǎn)線(xiàn)，即用加工中心進(jìn)行鉆削，主要存在如下問(wèn)題:(1)由于沒(méi)有合理的專(zhuān)用夾具，上下料輔助時(shí)間很長(zhǎng)，且是單刀加工，使得單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)綱領(lǐng)在5萬(wàn)件/年左右；(2)由于受人為因素、刀具導(dǎo)向裝置等影響，合格率長(zhǎng)期維持在80%左右，高的廢品率給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)前述不足，需要重新設(shè)計(jì)合理的工藝及裝備以解決問(wèn)題。

2 工藝方案及整體布局設(shè)計(jì)

近年來(lái)，機(jī)械加工行業(yè)有向柔性生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展的趨勢(shì)，即在生產(chǎn)線(xiàn)中大量使用加工中心，以應(yīng)對(duì)不同的變型產(chǎn)品[11-12]。重慶某機(jī)械制造企業(yè)也組建了一條發(fā)動(dòng)機(jī)缸體柔性加工生產(chǎn)線(xiàn)，在缸體斜油孔鉆削工序中也采用了加工中心設(shè)備，經(jīng)使用后主要存在如下問(wèn)題:(1)由于沒(méi)有自動(dòng)化專(zhuān)用夾具、專(zhuān)用刀具等，只能單刀單孔加工，使得生產(chǎn)效率很低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，此工序需投入5臺(tái)加工中心才能滿(mǎn)足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求；(2)缺乏必要的導(dǎo)向鉆模板，使得加工起鉆時(shí)容易引偏，由于是深長(zhǎng)孔加工，鉆削過(guò)程中刀具缺乏相應(yīng)的支撐，存在斷刀現(xiàn)象，最終導(dǎo)致廢品率一直維持在20%左右，給企業(yè)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。可知，此類(lèi)工藝方案對(duì)大量生產(chǎn)產(chǎn)品不合適，故提出了組建“剛?cè)峄旌稀鄙a(chǎn)線(xiàn)的工藝方案，即在關(guān)鍵工序中使用專(zhuān)用機(jī)床以解決柔性生產(chǎn)線(xiàn)存在的短板問(wèn)題。

本工序要求工件生產(chǎn)綱領(lǐng)達(dá)到25萬(wàn)件/年以上，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.9%以上，實(shí)現(xiàn)除人工上下料之外的所有加工的自動(dòng)化。因采用工序集中原則的專(zhuān)用機(jī)床方案具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、合格率高及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，成為本工序最佳工藝方案之一。本文設(shè)計(jì)了如圖2所示專(zhuān)用機(jī)床工藝方案，采用專(zhuān)用夾具、多軸專(zhuān)用主軸箱、專(zhuān)用刀具、專(zhuān)用導(dǎo)向模板方案，實(shí)現(xiàn)一次裝夾同時(shí)完成5孔鉆削加工。其具體工藝過(guò)程如下:機(jī)床工作時(shí)，工人按正確的姿態(tài)將工件搬送至左夾具體內(nèi)，按下夾緊按鈕，在左夾具體內(nèi)完全定位的工件被夾緊，數(shù)控滑臺(tái)拖著專(zhuān)用主軸箱向左進(jìn)給，在導(dǎo)向模板、專(zhuān)用刀具的配合下，一次完成5斜油孔的鉆削加工，完成后自動(dòng)退刀，夾具松開(kāi)工件，人工更換工件，如此循環(huán)往復(fù)完成工件本工序的加工。斜油孔中心軸線(xiàn)與水平面的角度由工件加工姿態(tài)即在左夾具體內(nèi)正確定位保證。

3 專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)

3.1 專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體類(lèi)工件一般采用“一面兩孔”的方案進(jìn)行完全定位。本工序缸體定位方案如圖3所示，由2×φ12N6的銷(xiāo)孔及缸體頂面對(duì)工件進(jìn)行完全定位，圖中“”為定位符號(hào)，其尺寸及形位精度由前序保證。為簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)并保證斜油孔軸線(xiàn)與水平面角度，夾具定位平面設(shè)計(jì)成斜面，專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)如圖4所示，夾具主要由左、右?jiàn)A具體、定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。

由圖4a、b可知，兩定位支撐板3及兩浮動(dòng)定位銷(xiāo)11、12與工件的一面兩孔相配合構(gòu)成夾具的定位機(jī)構(gòu)對(duì)工件正確定位；工件正確定位后，由夾具的夾緊機(jī)構(gòu)2、13對(duì)其進(jìn)行夾緊，防止加工過(guò)程中正確定位位置發(fā)生變化。夾緊位置如圖4b、d所示。在左夾具體后端及右?jiàn)A具體左端(圖4a)分別設(shè)置限位擋板14及輔助支撐板7。

由于在圓柱面上起鉆，容易引偏，從而出現(xiàn)竄孔及打偏現(xiàn)象；且深徑比達(dá)到13.4，加工時(shí)和容易出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了導(dǎo)向及強(qiáng)度增強(qiáng)系統(tǒng)。導(dǎo)向系統(tǒng)主要由兩套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，即活動(dòng)模板9及鉆頭導(dǎo)向套6。加工時(shí)，主軸箱、活動(dòng)模板由活動(dòng)導(dǎo)桿10及固定導(dǎo)桿15進(jìn)行導(dǎo)向，直至其運(yùn)動(dòng)至起鉆位置，如圖4a所示，此時(shí)，鉆頭導(dǎo)向套6對(duì)鉆頭導(dǎo)向并增加強(qiáng)度，正確起鉆并完成深孔鉆削。

為了防止加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)相互傳遞并影響工件加工精度，將工件與刀具系統(tǒng)做成相互獨(dú)立的模塊，即左夾具體安裝工件、右?jiàn)A具體支撐導(dǎo)向系統(tǒng)及刀具系統(tǒng)。

3.2 夾具工作原理

根據(jù)工藝要求及工藝方案，設(shè)計(jì)了如圖4所示的專(zhuān)用夾具，其工作原理為:加工前，浮動(dòng)定位銷(xiāo)11、12在氣缸作用下(如圖4d)沒(méi)入定位支撐板3定位平面以下，按圖4a所示的姿態(tài)，人工將工件在定位支撐板及輔助支撐板導(dǎo)向下推入左夾具體內(nèi)，由限位擋板限定位置，浮動(dòng)定位銷(xiāo)插入工件定位孔內(nèi)，夾緊機(jī)構(gòu)按圖4b、4d夾緊工件，主軸箱、活動(dòng)模板向左運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)導(dǎo)桿插入右?jiàn)A具體右端孔內(nèi)，活動(dòng)模板在彈簧的壓力下貼緊右?jiàn)A具體，鉆頭導(dǎo)向套前端靠近斜油孔起鉆位置，鉆頭在鉆頭導(dǎo)向套的導(dǎo)引下對(duì)工件進(jìn)行起鉆，防止起鉆時(shí)引偏，起鉆后，在鉆頭導(dǎo)向套的導(dǎo)向及強(qiáng)度增強(qiáng)下完成5斜油孔的鉆削加工，解決鉆孔過(guò)程出現(xiàn)竄孔及斷刀問(wèn)題。

4 生產(chǎn)節(jié)拍驗(yàn)證

針對(duì)本工序，企業(yè)提出了25萬(wàn)件/年的生產(chǎn)任務(wù)要求，其工作制度為:320日/年，3班/日，8小時(shí)/班，生產(chǎn)效率90%，設(shè)備負(fù)荷率85%，故其所需生產(chǎn)節(jié)拍為:320×3×8×0.9×0.85×60/250 000=1.41 min/件。實(shí)際加工時(shí)，工進(jìn)時(shí)間為t1=80 mm/(0.1 mm/r×1 200 r/min)=0.67 min，輔助時(shí)間為0.5 min，故其實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍為1.17 min/件，即實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍小于生產(chǎn)所需節(jié)拍，滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)需要。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)以某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體5斜油孔加工為研究對(duì)象，在分析工藝要求及現(xiàn)有生產(chǎn)線(xiàn)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有工藝缺陷，提出了一次裝夾多軸同時(shí)加工的工藝方案。

(2)為防止加工時(shí)的振動(dòng)相互傳遞影響加工精度，根據(jù)工藝方案確定了夾具與床身相分離，即在機(jī)床左端設(shè)置左夾具體、右端設(shè)置床身及5軸主軸箱、中間設(shè)置右?jiàn)A具體的整體布局方案。

(3)根據(jù)工藝及加工姿態(tài)要求，確定了專(zhuān)用夾具定位夾緊方案、導(dǎo)向方案及其整體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了其工作原理。

(4)實(shí)際生產(chǎn)表明:采用此工藝及裝備后，單臺(tái)設(shè)備實(shí)際年生產(chǎn)在30萬(wàn)件左右，合格率由80%左右提升至99.9%以上，基本未出現(xiàn)起鉆引偏、竄孔及斷刀現(xiàn)象。