乘用車發動機出水管壓裝專機優化改造分析

徐國慶 周海軍

(廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 高要 526108)

汽車工業的迅速發展，對發動機零件的設計和制造提出了更高的要求，高集成、高可靠性、低成本是其顯著的特點。為了實現該目的，大量采用壓管工藝，應用于汽車發動機的出水管、節溫器罩、油底殼等鋁合金零件，以實現減少發動機總成裝配零件，減小發動機的體積和重量的目標。

圖1 為某汽車公司全球供應的多款乘用車發動機使用的出水管(Outlet -water)組件產品成品圖，此類產品亦是筆者公司的主力產品，應用于1.6～2.0 L 的多款汽車發動機。此產品安裝在發動機上，是連接在發動機與車頭前部的水箱散熱器和冷卻水儲液罐之間的一個專門的功能部件。出水管的主要功能是分流，冷卻流經發動機缸體和缸蓋之間的水道而產生的熱水，按照功能要求流到車頭前部的風扇水箱散熱器，實現降低水溫的冷卻功能，以及與駕駛室相連，按需要(冬季)實現對駕駛室內的供熱的功能。出水管上安裝有溫度傳感器，可以實現對發動機的出水水溫進行監控，使發動機處在一個適合的溫度之內，是發動機的整個冷卻循環系統的一個重要的組成部件。

零件是典型的壓鑄件，材料為日本標準材料牌號ADC12(對應中國標準材料牌號為YL113)，輪廓尺寸210 mm×125 mm×95 mm，重量0.68 kg。此產品是系列產品的基本型號，屬同一款毛坯，根據功能需要增加壓裝不同的管件，成為不同的零件組件，適應不同排量發動機的功能要求，客戶需求產量為120 萬件/年。生產線分為CNC 加工生產線和總成裝配生產線兩部分，總成零件的工藝流程為:熔煉→壓鑄→除澆口及毛刺→CNC 加工→清洗→壓裝→試漏→包裝→入庫。

1 零件壓裝工藝分析

如圖1 所示，出水管零件需要壓裝的配件共3 個，有2 個φ19 mm 的直管配件和1 個φ35 mm 的直管配件。出水管零件φ19 mm 部位的尺寸為mm，直管配件配合部尺寸為，配合面長度為17 mm;出水管零件φ35 mm 部位的尺寸為mm，直管配件配合部尺寸為，配合面長度為27 mm。為保證壓裝后的后續試漏工序的密封效果質量，壓裝前需要在管壓入端的圓周配合部位手工均勻涂膠，密封膠牌號1373B。壓裝后放置8 h 后，密封膠干透凝固后，方可進行清洗和試漏工序的操作。零件的2 -孔平行，垂直于底部大平面，孔與底部大平面空間角度17°～19°，零件底部大平面的平面度要求為0.05 mm，有比較嚴格的密封要求，產品在196 kPa 的空氣壓力下，不允許泄漏。產品冷熱循環前后，管的拔出力＞1470 N。產品加熱到120 ℃，管的拔出力＞785 N。

由于3 個配件均為直管配件，形狀比較簡單，壓裝方式和受力狀態相比較良好，從質量和經濟性考慮，零件的壓裝工藝初始方案為2 臺壓裝機，1 臺壓裝2 -φ19 mm 管，1 臺壓裝φ35 mm 管，1 名操作員工開2 臺壓裝機，可以比較圓滿地達到零件設計的技術和質量要求。由于壓裝2 -φ19 mm 和壓裝φ35 mm 管的專機為2 臺，將會造成員工工作過程中，由于移動距離過大容易疲勞，導致勞動效率降低;如果采用2 名操作員工，又會出現單位時間工序內，人力成本升高的弊端。經過技術和經濟性的反復評估，以及參照過往的壓裝工藝經驗，將壓裝2 -φ19 mm 管和壓裝φ35 mm 管，集成在1 臺專機內，分2 個操作工位，這樣既保證了專機結構空間的緊湊，又方便員工操作，整個氣動液壓控制和電氣控制等集成在一起通過PLC 進行控制，實現設計所需的技術要求的功能，比單獨的2 臺專機具有更好的經濟性。

2 壓裝專機設計方案

2.1 壓裝專機結構設計

根據出水管零件壓裝工藝分析，將壓裝2 -φ19 mm 管和壓裝φ35 mm 管，集成在1 臺專機內，分2 個操作工位。專機按照一般操作習慣采用配件垂直向下壓裝的受力方向的框式龍門結構，通過6 根立柱組成，實現2 個框式龍門合并的結構，分2 個操作工位的功能。具體專機結構(局部)圖片見圖2。

壓裝專機的構成由底座、6 立柱機架、左工位壓裝夾具、左工位壓裝組件、右工位壓裝夾具、右工位壓裝組件，以及液壓站組成。整個自動化電器控制系統采用PLC 控制，在機器的左右手位，分別布置了左右2個工位控制面板;在控制器面板上，布置了手動調節鈕和指示燈，設計了自動和手動2 種工作模式。自動模式用于正常生產，手動模式可對所有程序的每個動作進行單獨調節，方便出現異常狀態時，對設備進行調試維修。2 個工位可分別獨立工作，互不干擾。

工件的夾具設計裝夾方案，采用了隨行夾具的方案，就是在工件和夾具之間，增加了一個過渡板作為隨行夾具，隨行夾具過渡板仿造工件外形，采用一面兩銷定位，兩個內六角螺釘壓緊的設計，隨行夾具過渡板與壓裝夾具，也采用一面兩銷定位，液壓轉角缸壓緊的結構設計。這樣設計減少了工件與壓裝夾具裝夾的次數，內六角螺釘壓緊和液壓轉角缸同時壓緊的設計，也改善了工件壓裝的受力情況，對減小工件裝夾底部大平面的壓裝變形和壓劃傷，有極大的改善效果，特別是工件上壓裝配件越多，改善效果越明顯。隨行夾具過渡板經過熱處理，用于裝夾的上下大平面，經過磨制后具有光潔的表面，使隨行夾具過渡板具有較長的壽命和較好的表面粗糙度。隨行夾具與安裝工件的圖片見圖3。

由于零件產量很大，為使設備在各種異常情況下工作可靠，保證工件壓裝的質量，設計了一些防錯功能。①壓裝夾具設置了感應器，當沒有安裝工件時，啟動自動工作程序后，程序將自動進行工件檢測，當檢測不到工件信號時，設備將無法運行自動程序進行工作，同時顯示報警提醒操作工，防止壓裝出現漏工序操作。②為了保證壓裝過程中的意外發生，在專機前方操作位，安裝了安全光幕，防止壓裝過程中，員工的肢體進入設備的運行空間而發生意外。③隨行夾具過渡板與壓裝夾具之間設置了氣檢裝置，保證隨行夾具的安全，避免出現由于隨行夾具安裝不到位，啟動操作所造成的壓裝夾具和隨行夾具損壞的情況的發生。

2.2 專機的壓裝夾具設計和液壓/氣壓系統設計

整個專機設備是由2 臺獨立的壓裝部分(左工位壓裝2 -φ19 mm 管，右工位壓裝φ35 mm 管)組合而成，各自擁有獨立的壓裝夾具和控制操作系統，2 個部分互不干擾，可獨立工作。

左工位壓裝2 -φ19 mm 管，2 -φ19 mm 管的安裝方向垂直于工件底部定位安裝面，工作時壓裝力垂直于隨行夾具定位面，隨行夾具與壓裝夾具采用一面兩銷的定位方式直接進行壓裝。夾具具體結構見圖2。

右工位壓裝φ35 mm 管，φ35 mm 管與零件底部定位安裝面有空間角度17°～19°，壓裝夾具的設計需要旋轉2 個空間角度，使φ35 mm 管壓裝力垂直于底部大平面，為保證壓裝的精度，在工件下部設計了壓裝工件受力的獨立的支撐位，使工件以及隨行夾具的定位銷不受φ35 mm 管壓裝力的影響，而造成定位銷變形。其工作原理如下:啟動φ35 mm 管自動壓裝程序后，旋轉壓緊油缸，將工件壓緊可靠地固定在隨行夾具上，壓力繼電器檢測到壓力后，氣動夾具帶動壓裝夾具動作，使工件接觸下部的獨立的支撐位，實現工件壓裝過程中，φ35 mm 管壓裝力由獨立的支撐位承受，可以避免定位銷造成變形，影響壓裝精度。

壓裝專機的液壓/氣壓系統設計采用1 臺液壓站提供能源，氣動和液壓相結合的控制方式。由于壓裝過程中受力比較大，工件在夾具上固定和壓緊采用液壓轉角缸實現，使壓裝受力過程更可靠。為了使壓裝的效率和質量達到最優的效果，對各個影響壓裝速度的流量和影響壓裝質量的壓力，都設計成可以調節的方式，方便在調試使用過程中進行優化，是本臺專機液壓控制系統設計的特點。

3 生產加工過程中遇到的問題及專機優化改造分析

3.1 生產加工過程中的問題

壓裝專機設備在產品投入量產的生產過程中，生產了約一年的時間后，陸續出現了一些問題，其主要體現在以下幾個方面:

(1)在工件壓裝生產過程中，偶爾會出現重復壓管的現象，造成工件和配件報廢，有時甚至導致專機設備的壓裝配件夾具損壞而停產修理的情況發生，存在著不可預知的安全和質量隱患。

(2)零件總成在國外客戶的裝配線上，曾經出現發動機試車過程中，φ35 mm 直管脫落，導致客戶庫存和貨運途中的產品約6 萬件需要甄別的情況，給公司造成了比較大的經濟損失。

3.2 問題產生的原因分析及解決方案

(1)針對在工件壓裝生產過程中出現重復壓管的現象，通過在生產現場花了大量時間觀察，經過分析后，操作員工為長期操作的熟練員工，排除了員工不熟練的因素，從人體工程學角度分析，此為人工操作所難以避免出現的現象，必須從專機設備的設計方面加以考慮和解決。

為防止在壓裝工序出現重復壓裝損壞設備和報廢工件，在每個壓裝配件的位置設置了紅外線檢測功能裝置。當啟動自動工作程序后，程序將自動開啟紅外線檢測進行工件是否已進行了壓裝的檢測;當已經壓裝的配件擋住了紅外線信號時，系統將出現報警，程序將無法啟動專機設備進行壓裝工作，保證了不會出現配件重復壓裝、造成專機設備損壞和工件報廢的情況。通過增加了紅外線檢測功能的設計，從根本上解決了重復壓裝所造成的安全和質量隱患。

(2)針對零件總成的φ35 mm 直管在客戶處脫落的情況，與客戶溝通將不良品寄回筆者公司，對不良品進行分析。經測量后，直管配件的裝配位置的尺寸符合圖紙要求，出水管零件孔尺寸超差，尺寸為，孔的形狀為橢圓形。經分析和不良現象的加工再現以及后續裝配試漏的情景再現，判斷出工件重復裝夾加工了2 次，由于存在裝夾和加工誤差，所以造成了零件孔的形狀為橢圓形，后續壓裝和試漏工序均無法發現此狀態的不良品，經過測試此狀態φ35 mm 壓裝的壓入力僅為100 N。找到不良現象產生的原因后，需要對現有的壓裝設備進行優化和改造，使之具備識別此種不良現象而報警的功能。

為識別此種不良現象，需要對壓裝過程中的壓入力進行控制，通過實驗確認最大壓入力和最小壓入力。在壓裝油缸活塞桿和壓頭之間，安裝壓力傳感器，通過PLC 電器系統對壓力傳感器拾取的壓入力的信號進行處理，并將處理后的信號實時轉化成壓入力數據，顯示在位于操作面板上的壓入力顯示屏上，方便操作員工觀察每個工件的具體的壓入力數據，并可根據技術要求在顯示屏上設定具體的壓入力報警的上限和下限，對壓入力超出技術要求的情況，進行報警提醒，并將具體壓入力數據在顯示屏上顯示出來，從而實現設備對此種不良的識別。為保證設備使用的過程中，壓入力數據設定的安全性，設置了一定的操作權限，設備操作工只具有查看的權限，設備設計和維修人員才具有修改權限，可以修改壓入力報警的上限和下限的設定數據，操作時需要輸入設定的密碼，才可進入壓入力數據設定界面。經過反復實驗，φ35 mm 直管和2 -φ19 mm 直管的壓入力數據相同，最小壓入力為800 N，最大壓入力為4500 N，壓裝壓入力超出此范圍，設備將報警識別出異常，有效地控制了工件壓裝過程的過盈量，避免了不合格的產品零件和壓裝配件直管混入合格產品中所可能產生的質量隱患，實現了不合格品零件和配件的自動識別功能，保證了壓裝的質量。

4 結語

φ35 mm 直管和2 -φ19 mm 直管壓裝專機設備，經過優化改造后重新投入生產中，增加了紅外線檢測功能和不合格品零件和配件的壓裝過程質量的自動識別功能，有效地避免了生產中潛在的質量隱患所可能產生的經濟損失，降低了人為因素對產品質量的影響。此優化改造方案對公司后續類似產品壓裝專機的設計方案和相關類似問題的處理，有一定的參考作用。

［1］成大先.機械設計手冊［M］.4 版.北京:化學工業出版社，2002.