發(fā)動(dòng)機(jī)缸體預(yù)加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝分析

吳嘉明

(南京工程學(xué)院康尼機(jī)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南京 211167)

0 引言

乘用車缸體材料有鑄鐵和鋁合金之分，加工過程也各有其特點(diǎn)，鋁合金缸體因重量輕、導(dǎo)熱性好、機(jī)械加工性能更好而被廣泛應(yīng)用。通常缸體與曲軸箱需組合加工曲軸孔及相關(guān)孔系，組合前以毛坯基準(zhǔn)加工工藝基準(zhǔn)，本著粗精加工分開的原則[1-2]把與曲軸箱組合前的加工內(nèi)容作為一個(gè)獨(dú)立預(yù)加工分段通過外協(xié)配套加工，有利于更合理、更經(jīng)濟(jì)地組織生產(chǎn)。

由于加工成本及技術(shù)能力等方面因素影響目前預(yù)加工自動(dòng)化程度偏低，人工參與的作業(yè)較多；工序較分散，工件多次裝夾；設(shè)備能力偏弱，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不高，為應(yīng)對(duì)年產(chǎn)幾十萬量級(jí)的生產(chǎn)，如何提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平、提升設(shè)備能力、保證各環(huán)節(jié)質(zhì)量穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本是企業(yè)需要考慮的問題。基于上述訴求，確定了縮短工序、提升能力、穩(wěn)定質(zhì)量、降低成本的設(shè)計(jì)原則。

1 零件工藝分析

缸體為A380鋁合金材料壓鑄件，Si含量較高，切削性能較好，直列四缸結(jié)構(gòu)，整體尺寸不大于380×200×380 mm，缸孔嵌鑄鐵缸套，如圖1所示。缸體毛坯加工基準(zhǔn)[3-4]分別為頂面3個(gè)光滑φ6 mm凸點(diǎn)、一四缸孔橫向內(nèi)壁定位點(diǎn)及二三缸孔縱向分中定位點(diǎn)，機(jī)加工內(nèi)容包括與下箱體合箱前的工序，除OP10工序須完成的作為后續(xù)加工工藝基準(zhǔn)的側(cè)面4個(gè)搭子面和兩工藝孔構(gòu)成的一面兩銷外，缸體6個(gè)面均有加工內(nèi)容，與曲軸箱接合面(底面)為成品狀態(tài)；與缸蓋接合面(頂面)加工除精銑面外內(nèi)容。加工類型包括工藝定位孔、螺釘過孔、螺紋孔、油孔以及面的粗精銑，其中側(cè)面工藝孔要求為φ14+0.025，位置度φ0.1，CPK1.67。

1.四缸孔定位 2.二/三缸孔定位 3.一缸孔定位 4.頂面凸點(diǎn) 5.側(cè)面工藝定位面 6.側(cè)面工藝孔 7.側(cè)面工藝定位面圖1 鋁合金缸體

制定加工方案的原則是采用加工中心且盡可能工序集中，減少工件裝夾次數(shù)，減少輔助時(shí)間。如利用臥式加工中心的第四軸功能每道工序可加工3個(gè)面的內(nèi)容，6個(gè)面的內(nèi)容裝夾兩次就能完成，如采用可安裝兩套夾具的雙交換臺(tái)臥式加工中心，缸體經(jīng)兩次裝夾所有工序就可以在一臺(tái)設(shè)備上完成，最大限度縮短產(chǎn)線長度[5-6]。經(jīng)過對(duì)所有加工內(nèi)容的具體排布分析，按下述夾具設(shè)計(jì)的工件姿態(tài)加工，就可以完成所有內(nèi)容的加工，滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃要求[7]。

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)要求復(fù)制現(xiàn)有加工方式，可以靈活配置機(jī)床數(shù)量，同時(shí)雙交換臺(tái)機(jī)床的特點(diǎn)是工件裝卸時(shí)間包含在另一工位上機(jī)加工時(shí)間內(nèi)，不單獨(dú)占用時(shí)間，加工節(jié)拍縮短。

2 生產(chǎn)線排布與自動(dòng)物流

生產(chǎn)線如圖2所示，包括如下工序流程：打碼(追溯記錄用二維碼和明碼)，機(jī)加，清洗，檢漏，檢查。除毛坯上線和成品下線檢查由人工操作外，各工序自動(dòng)執(zhí)行、工序間自動(dòng)物流輸送。

1.上料工位 2.打標(biāo)機(jī) 3.交換臺(tái)臥加 4.機(jī)器人 5.清洗機(jī) 6.檢漏機(jī) 7.終檢圖2 缸體預(yù)加工線布局圖

(1)打碼：包括明碼和二維碼，后續(xù)工序零件識(shí)別用，包含加工時(shí)間、班次、序號(hào)、零件類別型號(hào)等信息，二維碼自動(dòng)生成，在機(jī)加上料時(shí)讀碼識(shí)別加工順序，在出現(xiàn)加工缺陷時(shí)可完全追溯問題工件而無遺漏，檢漏工序讀碼與檢漏數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)記錄。

蔣介石又訓(xùn)斥道：“日本人快要投降了，各地的漢奸也將要宣判處理，這里哪有什么敵偽人員藏在黃炎培家里呢？這兩天，參政會(huì)的那些參政員抓住這個(gè)事情大做文章，又攻擊我，又攻擊政府，鬧得會(huì)也無法開。你給黨國抹了黑，給我抹了黑！”

缸體毛坯由工人用平衡吊具頂面朝下放至輸送滾道上，行至打碼工位時(shí)被氣缸托起以毛坯定位基準(zhǔn)定位來保證打碼位置的一致性，采用激光打碼，打碼后隨即用讀碼器作讀碼校驗(yàn)，如正常讀出則放行流至機(jī)加工待上料區(qū)，否則進(jìn)入返修通道。

(2)機(jī)加工：采用FANUC機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)工位夾具上工件自動(dòng)裝卸，鑒于兩工位工件的安裝姿態(tài)不一致，需分別從缸體的底面和頂面?zhèn)茸ト「卓祝柙跈C(jī)床邊設(shè)置周轉(zhuǎn)臺(tái)，作為兩個(gè)工序間的轉(zhuǎn)換。OP10工序裝料時(shí)機(jī)器人從待上料區(qū)抓取工件裝入夾具，該工作臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)入加工位開始OP10的加工，同時(shí)OP20夾具轉(zhuǎn)至裝料位，機(jī)器人從周轉(zhuǎn)臺(tái)抓取上個(gè)節(jié)拍OP10加工完卸料放上的缸體，繼續(xù)進(jìn)行OP20的加工，兩工序都完成的產(chǎn)品再由機(jī)器人抓到清洗機(jī)入口等待清洗。

一旦出現(xiàn)因刀具異常出現(xiàn)的嫌疑工件則由機(jī)器人自動(dòng)放入待處理滾道由人工判斷處理。

(3)清洗：機(jī)加工后的缸體上會(huì)殘留切削液和鋁屑，會(huì)直接影響檢漏工序的準(zhǔn)確性，螺孔內(nèi)的切屑還會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)造成螺釘緊固異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞缸體，深油孔內(nèi)殘留切屑更會(huì)造成整車售后故障，因此工件在機(jī)加工完畢后需經(jīng)過清洗。清洗機(jī)內(nèi)采用數(shù)控步伐式輸送形式，工件到位位置較準(zhǔn)確，便于對(duì)各個(gè)面的孔系定點(diǎn)脈沖式清洗[8]，可根據(jù)需要調(diào)整步距。清洗過程共分粗洗、精洗、吹干、烘干等工步，清洗后的溫度烘干是為了提高工件清潔度和干燥度。

(4)檢漏 ：每個(gè)缸體的水道、高壓油道及曲軸箱腔體均須進(jìn)行氣密性檢查，工件送至檢漏工位后檢漏工裝自動(dòng)堵住密封面，用科斯莫多通道差壓式檢漏儀按順序?qū)Ω左w3個(gè)腔體作檢測(cè)，經(jīng)過充氣、保壓平衡、檢測(cè)、放氣過程，最終得出泄漏值，與二維碼一一對(duì)應(yīng)按execl格式存儲(chǔ)記錄。檢漏合格則流至人工檢查區(qū)，否則進(jìn)入不合格品區(qū)并做不合格標(biāo)識(shí)[9-10]。

經(jīng)過清洗的缸體流至檢漏機(jī)入口，由氣動(dòng)機(jī)械手抓入檢漏機(jī)工裝定位壓緊，先讀碼確認(rèn)二維碼后檢測(cè)，而后按預(yù)設(shè)通道流至人工檢查區(qū)處理。

3 設(shè)備及刀具選型

(1)HCN系列臥式加工中心是 Mazak 公司開發(fā)的高性能臥式雙交換臺(tái)加工中心，充分體現(xiàn)了先進(jìn)機(jī)床的高效高精度特點(diǎn)。通過采用高轉(zhuǎn)速主軸(12 000 rpm)、高進(jìn)給(60 m/min)、高速換刀(2.1 s)、托盤快速交換(7 s)等技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)刀具技術(shù)，適合鋁合金箱體類零件的高效率生產(chǎn)。

機(jī)床采取一系列措施提高剛性，保持精度：機(jī)床鑄件均采用有限元技術(shù)作優(yōu)化設(shè)計(jì)，主軸和絲桿采用內(nèi)部油冷卻控溫，關(guān)鍵部件有熱變形校正傳感器，導(dǎo)軌采用高剛性精密滾柱直線形式。

機(jī)床具備一系列工作穩(wěn)定性保障功能：工作臺(tái)配有外接液壓源供夾具夾緊用，另有氣源用于夾具定位面氣密檢測(cè)；刀庫位40把，換刀時(shí)主軸內(nèi)有氣封防止雜物進(jìn)入而損傷刀柄配合面影響刀柄夾持精度；主軸具備內(nèi)冷功能，便于使用內(nèi)冷絲錐等刀具；針對(duì)細(xì)長刀具配有刀具長度檢測(cè)裝置可有效追溯控制問題工件。

(2)基于鋁合金材料較好的切削性能，各刀具的選擇以在保證精度要求前提下高效率加工為原則，充分利用機(jī)床系統(tǒng)高精度高剛性和新材料刀具特性，面銑刀和鉸刀采用PCD刃口，銑刀線速度可達(dá)1800 m/min[11]，鉸刀刃口增加擠壓刃帶，鉸孔時(shí)復(fù)合擠壓作用，可使加工精度和表面質(zhì)量較長周期保持穩(wěn)定，刀具壽命大大延長(20 000件)，達(dá)到成本控制和質(zhì)量控制的雙贏效果。小孔加工普及采用內(nèi)冷刀具，在提高切削效率的同時(shí)，降低刀具異常折損概率，可有效控制外部質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了后續(xù)清洗工序(如螺紋孔)的壓力。

4 夾具設(shè)計(jì)

預(yù)加工共分兩道工序，兩套夾具分別安裝在雙交換工作臺(tái)上，第一道工序OP10需要加工側(cè)面工藝定位面以及底面內(nèi)容，工件要以頂面朝前、后端面朝下的豎立姿態(tài)安裝，如圖3所示。夾具體為帶加強(qiáng)筋的T形鋼板裝配式結(jié)構(gòu)，便于加工液壓內(nèi)油道，定位元件布置在豎板上，對(duì)應(yīng)缸體頂面3個(gè)毛坯基準(zhǔn)凸點(diǎn)設(shè)定位支承，支承面有氣密檢測(cè)孔；一、四缸孔側(cè)壁分別設(shè)油缸加斜楔漲緊；二、三缸孔間缸壁用液壓對(duì)中兩爪夾緊分中定位。

1.輔助支承 2.夾緊油缸 3.分中定位 4.定位支承 5.缸孔定位 6.氣密檢測(cè) 7.夾具體 8.液壓閥組圖3 OP10夾具

由于缸孔在夾具上的定位動(dòng)作與頂面定位點(diǎn)貼合動(dòng)作方向垂直，相互間會(huì)產(chǎn)生干擾，因此在設(shè)計(jì)夾緊動(dòng)作順序時(shí)需特別處理：

(1)工件安裝由機(jī)器人執(zhí)行，裝料工裝板上的氣動(dòng)手指撐緊一、四缸孔來抓取工件，放料時(shí)工裝板上的彈簧機(jī)構(gòu)頂住工件與定位支承保持貼合狀態(tài)；

(2)二、三缸孔間液壓爪分中定位；

(3)一、四缸孔側(cè)壁漲緊定位；

(4)對(duì)應(yīng)頂面三點(diǎn)夾緊油缸動(dòng)作夾緊工件；

(5)機(jī)器人頂緊松開退出；

(6)頂面和后端面的液壓輔助支承動(dòng)作，防止加工時(shí)產(chǎn)生變形和振動(dòng)；

(7)輔助夾緊油缸動(dòng)作。

至此完成工件定位夾緊動(dòng)作，夾具等待交換加工。

OP20工序以O(shè)P10工序加工的側(cè)面工藝面基準(zhǔn)為定位面，加工頂面及前后端面內(nèi)容，缸體橫臥姿態(tài)，側(cè)面工藝面朝下、頂面朝外安裝，標(biāo)準(zhǔn)的“一面兩銷”定位方式，液壓夾緊，為降低工件安裝難度、保證加工精度、保護(hù)定位孔不被破壞而影響后續(xù)缸體與下缸體合箱以后的加工，定位銷采用KOSMEK液壓擴(kuò)徑定位銷，裝料時(shí)定位銷與定位孔間有1 mm間隙，工件就位后自動(dòng)張開，方便采用機(jī)器人自動(dòng)上下料。

為確保每個(gè)工件與夾具支承面貼合，設(shè)有定位面接觸氣密檢測(cè)，工件如裝夾異常則發(fā)信號(hào)要求重新安裝直至正確；機(jī)床工作臺(tái)配有側(cè)面三點(diǎn)基準(zhǔn)，方便夾具安裝的同時(shí)還能保證重復(fù)定位精度。

5 結(jié)束語

生產(chǎn)線路線清晰，布局緊湊，物流順暢，生產(chǎn)線頭線尾安排工人操作，其余大部分工作均由設(shè)備、機(jī)器人、機(jī)械手或滾道自動(dòng)完成，在出現(xiàn)異常時(shí)人工干預(yù)。各工序中二維碼識(shí)別的應(yīng)用使得生產(chǎn)線信息可實(shí)時(shí)在生產(chǎn)線電子看板上展現(xiàn)，加工數(shù)量、故障點(diǎn)一目了然。生產(chǎn)線投入使用后整體運(yùn)行可靠，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率達(dá)到預(yù)期效果。