發動機機體和氣缸蓋加工生產線裝備先進技術及應用

陳秋杰，祁小玲，丁澤，馬偉

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

陳秋杰

1 序言

機體、氣缸蓋是發動機的核心零部件，其生產線裝備投資大、周期長，設備選擇要兼顧產品加工質量、生產效率和運維成本。先進技術的應用是提高機體、氣缸蓋加工質量和效率，降低生產線運維成本的關鍵因素[1，2]。下面介紹發動機機體、氣缸蓋生產線裝備選擇總體原則，重點闡述機體缸孔、主軸承孔，氣缸蓋燃燒室面、導管座圈孔、凸輪軸孔加工裝備先進技術及應用，以及機體、氣缸蓋生產線輔助裝備關鍵技術及應用。

2 生產線裝備選擇總體原則

早期的發動機機體、氣缸蓋加工生產線，以組合機床、組合機床自動線為主。例如，某型號發動機機體加工生產線，主要由12段組合機床自動線組成；氣缸蓋加工生產線由7段組合機床自動線組成。組合機床自動線具有節拍短、效率高和成本低的優點，但加工內容固定，無法適應當前產品改進甚至更新換代速度越來越快的實際需求[3]。

現在規劃機體、氣缸蓋加工生產線，裝備多采用加工中心+專用機床模式，其中加工中心占比應達到60%以上，既能實現柔性化生產，基本滿足產品改進及更新換代需求，又能保證機體、氣缸蓋關鍵加工部位質量及其穩定性。例如，某型號發動機機體生產線主要由50多臺加工設備組成，其中加工中心30多臺，專用機床10多臺，加工中心占比71%；氣缸蓋加工生產線主要由40多臺設備組成，其中加工中心近30臺，專用機床10多臺，加工中心占比73%。

3 發動機機體加工裝備先進技術及應用

重點介紹發動機機體加工生產線專用機床先進技術。機體加工專用機床主要用于部分粗加工，以及缸孔、主軸承孔精加工。

3.1 機體粗加工裝備

機體部分粗加工工序可采用轉臺式多動力頭技術及應用這種技術的專用機床，可在一臺機床上完成多個部位加工。例如：采用5個動力頭轉臺式專用機床，配合工件夾具伺服滑臺沿X軸移動，可在1臺設備上、1個整線循環節拍內完成粗鏜、半精鏜機體主軸承孔，銑主軸承孔兩側開檔面，銑卡瓦槽，鉆斜油孔等多個加工內容，設備加工效率高、投入成本低且占地面積小，利于整線設備布局。轉臺式多動力頭技術及應用這種技術的專用機床，在氣缸蓋加工生產線上也有類似應用。

3.2 機體精鏜缸孔裝備

機體精鏜缸孔加工工序多采用專用機床，一般布置2～3個鏜頭單元。采用機械手自動更換缸孔鏜桿技術，在加工過程中可快速更換鏜桿。一方面實現了機外調整刀具，加工工件、調整刀具同時進行，調整刀具不占用加工時間，大大提高了設備利用率；另一方面更換不同結構、直徑規格的鏜桿，可實現不同結構、直徑規格的機體加工。機體精鏜缸孔機床方案如圖1所示。

圖1 機體精鏜缸孔機床方案

2～3個鏜頭單元之間間距采用液壓驅動自動變距技術，可實現不同缸心距機體加工。精鏜缸孔專用機床配置U軸+接觸式/非接觸式在線測量系統，可實現缸孔孔徑在線測量與補償加工，保證缸孔加工質量，提高缸孔鏜刀壽命及設備利用率。液壓驅動變距鏜頭單元如圖2所示。

圖2 液壓驅動變距鏜頭單元

機械手更換鏜桿、鏜頭單元自動變距、在線測量與補償加工等技術應用，保證了缸孔加工質量穩定，效率高、成本低，同時實現了專機柔性化，滿足了結構相近的同系列、不同品種機體缸孔加工的需求。

3.3 機體精鏜主軸承孔裝備

機體精鏜主軸承孔工序多采用專用機床。根據主軸承孔加工精度要求，精鏜主軸承孔專用機床可采用U軸+接觸式/非接觸式在線測量系統，實現主軸承孔孔徑在線測量與補償加工。以常見的直列6缸發動機機體為例，精鏜主軸承孔專用機床可配置2套U軸，其中1套U軸實現7個主軸承孔按統一的補償值進行補償加工，另1套U軸實現止推面加工。帶U軸主軸承孔鏜桿方案如圖3所示，帶2套U軸的主軸承孔鏜床與鏜桿如圖4所示。

圖3 帶U軸主軸承孔鏜桿方案

圖4 帶2套U軸的主軸承孔鏜床與鏜桿

精鏜主軸承孔專用機床的直線鏜桿一般設置前端、中間和后端3個支撐，鏜桿與鏜頭采用浮動聯接裝置進行聯接。直線鏜桿3支撐結構如圖5所示。

圖5 直線鏜桿3支撐結構

在加工中心上采用直線鏜桿加工主軸承孔時，若機床、夾具精度足夠高，機床主軸、直線鏜桿之間也可采用硬聯接。采用硬聯接時，機體后端（齒輪室端）可不設置主軸承孔鏜桿支撐套，便于在加工中心上同時加工主軸承孔、齒輪室端銷孔等孔系，利于保證主軸承孔、齒輪室端銷孔等孔系相對位置精度。加工中心使用直線鏜桿時，配置直線鏜桿庫，可實現鏜桿自動存儲、加工區域外調整刀 具等。

4 加工氣缸蓋裝備先進技術及應用

重點介紹發動機氣缸蓋加工生產線專用機床先進技術。氣缸蓋加工專用機床主要用于燃燒室面、導管座圈孔和凸輪軸孔加工等。

4.1 精銑氣缸蓋燃燒室面裝備

精銑氣缸蓋燃燒室面工序專用機床應采用剛性足夠高的主軸，以承受較大的刀盤質量，保證銑削過程穩定。以常見的9～13L發動機氣缸蓋為例，精銑燃燒室面專用機床主軸前端軸承直徑一般為200mm，可采用直徑為400mm的精銑刀盤一次走刀完成燃燒室面加工。

根據實際工藝需求，精銑燃燒室面專用機床可配備在線測量系統，設置相應的測量、補償策略，實現精確控制銑面厚度。

4.2 加工氣缸蓋導管座圈孔裝備

加工氣缸蓋導管座圈孔工序專用機床一般為雙主軸或3主軸結構。每個主軸上配置2套U軸系統，其中1套U軸系統實現導管孔鉸刀伸出導套外、縮回導套內；另1套U軸系統實現座圈錐面車刀脹開、縮回，實現座圈錐面車削加工。加工導管座圈專用機床配備高精度的滑塊式車削鏜頭，通過機床Z軸、U軸聯動，加工出不同直徑、角度的座圈錐面。

加工導管座圈孔專用機床配置的滑塊式車削鏜頭（見圖6），通常有2個滑塊對側布置，用于加工座圈錐面。根據不用的工藝要求，通常有2種加工方式。第1種方式為一個滑塊上的車刀頭完成座圈錐面半精加工，另一個滑塊上的車刀頭完成座圈錐面精加工；第2種方式為2個滑塊上的車刀頭均同時進行座圈錐面半精加工、精加工。

圖6 滑塊式車削鏜頭

加工導管座圈孔專用機床雙主軸或3主軸之間間距采用伺服驅動自動變距，可實現不同缸心距缸蓋導管座圈孔加工。雙主軸伺服變距導管座圈孔加工專機如圖7所示。

圖7 雙主軸伺服變距導管座圈孔加工專機

U軸與Z軸聯動實現不同角度座圈加工、主軸伺服變距等技術應用，在保證氣缸蓋導管座圈加工質量穩定、效率高和成本低的基礎上，實現了專機柔性化，滿足了結構相近的同系列、不同品種氣缸蓋導管座圈加工需求。

4.3 加工凸輪軸孔裝備

專用機床采用直線鏜桿加工氣缸蓋凸輪軸孔。由于氣缸蓋凸輪軸孔長徑比較大，直線鏜桿一般設置前端、中間和后端4～5個支撐，鏜桿與鏜頭采用浮動聯接裝置進行聯接。以常見的直列6缸發動機氣缸蓋為例，在前端（第1擋外側）、第1/2擋之間、第3/4擋之間、第5/6擋之間及后端（第7擋外側）共設置5個支撐，以保證凸輪軸孔跳動、孔徑等加工精度要求。

凸輪軸孔專用加工機床采用夾具移動結構，工件一次裝夾后，夾具由滑臺輸送至不同的加工工位完成凸輪軸孔、惰輪軸銷孔等加工，利于保證凸輪軸孔、惰輪軸銷孔相對位置精度要求。凸輪軸孔加工專用機床局部如圖8所示。

圖8 凸輪軸孔加工專用機床局部

5 輔助裝備先進技術及應用

5.1 桁架機械手

生產線通常采用桁架機械手輸送工件，根據生產節拍、設備數量不同，可采用單個或兩個H型機械手、I型機械手。為滿足不同產品柔性化生產需求，桁架機械手可配備零點快換機構，同時通過二維碼或RFID芯片實現機械手更換防錯。

5.2 機器人、AGV及視覺檢測設備

機器人搬運、AGV輸送、視覺檢測技術及裝備在加工生產線中的應用日益廣泛。以某型號發動機機體、氣缸蓋生產線為例，機體、氣缸蓋采用3D視覺引導6軸工業機器人自動上料，集成2D視覺檢測技術，實現錯漏加工在線檢測。氣缸蓋凸輪軸座、凸輪軸蓋，機體缸套、主軸承蓋等零件由AGV自動輸送至設備上料工位，機器人自動抓取零件進行裝配。機器人裝配在加工生產線上的應用如圖9所示。

圖9 機器人裝配在加工生產線上的應用

5.3 機體、氣缸蓋清洗設備

機器人清洗技術及設備因其柔性化優勢，正在逐步取代常規的通過式、定點式清洗機。機器人清洗機通常有兩種應用形式，第一種為清洗機型機器人抓取工件，在清洗室完成工件清洗、吹風等，該形式一般用于質量較輕的機體、氣缸蓋；另一種為搬運機器人在清洗室外將工件搬運至清洗、吹風等工位，清洗工位采用小型清洗機器人持噴嘴對工件各個部位進行清洗，該形式適用于重型柴油機機體、氣缸蓋。圖10為機器人夾持工件的柔性清 洗機。

圖10 機器人夾持工件的柔性清洗機

6 結束語

本文介紹了早期機體、氣缸蓋加工生產線裝備選擇特點，以及當前機體、氣缸蓋加工生產線裝備選擇總體原則。重點介紹了機體缸孔、主軸承孔，氣缸蓋燃燒室面、導管座圈孔和凸輪軸孔加工專用裝備先進技術及應用，以及機體、氣缸蓋加工生產線輔助裝備關鍵技術及應用，為發動機機體、氣缸蓋加工生產線裝備規劃及選擇提供了參考。