在線測量和自動漲刀在汽車發動機柔性生產線上的應用

王云德，杜 喬

（格勞博機床（大連）有限公司 研發設計部，大連 116600）

0 引言

最近二十年來，由于整體社會對汽車的需求量不斷增大，中國汽車產業的迅速發展，隨著市場競爭的日趨激烈和市場需求的日益多樣化，汽車新產品的更新速度不斷加快，原有單一品種、大批量生產的缸體剛性生產線已不能適應生產的需要[1]，而缸體作為汽車發動機的五大核心部件之一，其制造工藝一直是發動機生產中的重點和難點，其加工精度和一致性的好壞對汽車性能的影響很大，缸體屬于多面多孔的箱體類零件，結構和形狀復雜，壁薄多筋、壁厚不均、剛度低，對尺寸、粗糙度、幾何形狀及其相互位置都有較高的精度要求[2]如何能夠利用自動化程度高的柔性加工生產線，縮短節拍，提高汽車發動機的產量和質量是十分關鍵的。缸孔現有的機械加工設備，由于節拍短，產量高，刀具磨損很快，刀具直徑調整時間周期短，人工勞動強度大，對于上述問題，現有技術的解決方案是，操作者利用量規在生產線上抽樣檢查，當工件接近公差下線時，需要停機人工調刀，當刀具調整完成后，重新啟動生產線，上述方案缺陷是：抽樣檢查會出現漏檢現象，導致殘次品的出現，另外，停機人工調刀，降低生產效率，人工調刀易出現較大誤差，降低調刀質量。本文著重介紹對于發動機缸孔的自動化加工流程，包括利用Marposs設備進行的在線測量和通過西門子系統信息的反饋，當被測量的缸孔孔徑接近公差下限時，利用Mapal鏜刀的直徑可調節功能，通過系統計算，將鏜刀移動到調刀位置進行漲刀，將刀具直徑調整到孔徑公差接近上限，繼續進行加工生產，實現在整條生產線不停頓的情況下，保證缸孔直徑的加工在允許的公差帶內，保證了缸體的生產質量，為日益崛起的中國汽車制造業提供了有力的保障和支持。

1 自動化生產線的排序

為了優化自動化生產線的性能和合理安排工序，這里把缸孔精加工序和缸孔檢測量工序順序排列，并通過桁架機械手進行工件輸送，如圖1所示，圖中左側工位為缸孔加工工位的機床，負責缸孔的精加工以及其他加工內容，為保證產能，此工位一共兩臺機床分別位于機械手兩側，由機械手負責把未加工的工件放到中間上料裝置，通過上料裝置把工件輸送到機床內，然后再通過中間上料架把完成加工的工件從機床內取出，通過機械手輸送到測量工位，圖中右側工位為測量工位，把缸體孔徑的測量數據記錄并反饋整條生產線系統。

圖1 自動線布局圖

2 Marposs測量設備

Marposs測量設備，是利用氣壓式測量探頭，如圖2所示，在每個被測量的缸孔內，測量3個截面的孔徑尺寸，然后取平均值記錄。氣壓式測量探頭的檢測原理是，利用特定的兩個量規，孔徑分別是和來校準氣壓式測量探頭的測量氣壓值，這兩個測量的氣壓值也反映了缸孔加工尺寸的極限值φ74.945±0.015，即公差。而認為在這區間內的缸孔孔徑與氣壓值是成線性關系的，D=-kP+A。

其中D是缸孔直徑，P是測量的氣壓值。

圖2 氣壓式檢測探頭

3 帶鏜刀頭鎖緊卡爪的夾具

此工位的夾具采用傳統的一面兩銷結構，缸體底面作為定位面[3]，如圖3所示，軸向和徑向推靠裝置保證消除定位銷與銷孔之間的間隙，防掉料裝置保證機床斷電情況下工件不會由于重力作用脫落，保證機床的安全可靠性，上端的四個輔助支撐保證缸孔加工工程中的剛性以及避免缸孔在加工過程中的振動，保證了缸孔加工的位置度和光潔度，且整個夾具可繞A軸旋轉，用于自動漲刀和加工缸體其他部分，并且此夾具采用雙工作臺，利用雙主軸機床，每次可以同時加工兩個工件，大大降低節拍。

圖3 帶鏜刀頭鎖緊卡爪的夾具

而位于夾具外側的鏜刀頭鎖緊卡爪裝置是專門為調整鏜刀直徑設置的，此裝置為彈簧復位，鏜刀頭驅動的楔形結構，具體點說，當主軸帶著鏜刀移動到調到位置，如圖4所示，左側為鏜刀頭鎖緊卡爪位置時，主軸沿軸向進給，當右側鏜刀頭前端接觸到推桿時，推桿的楔形結構會使卡爪繞銷釘旋轉，此裝置共3個卡爪，當鏜刀頭繼續向前移動時，卡爪慢慢抱緊鏜刀頭的，鏜刀頭前端為齒輪狀，而三個卡爪也為齒輪狀，當鏜刀沿軸向移動到設定值時，卡爪與鏜刀頭前端成嚙合狀態，當鏜刀直徑調整完成時，主軸帶著鏜刀沿反方向后退，當鏜刀頭前端慢慢離開推桿時，被壓縮的彈簧開始復位，使得在鏜刀后退的過程中，卡爪慢慢打開，回到初始的打開狀態。

圖4 自動漲刀原理圖

4 Mapal直徑可調鏜刀

精鏜自動補償是一項已誕生多年的成熟技術，在發動機主要零部件的孔加工中得到了較為廣泛的應用。以缸體為例，在其加工中，缸孔精鏜是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位誤差,將直接影響到發動機的質量[4]，本文介紹的缸孔精加工機床采用HSK100標準刀柄，鏜刀直徑設置為φ74.945±0.01，刀片為正六方形CBN材料，沿鏜刀圓周方向分布3處，內部結構如圖5所示，鏜刀頭前端是齒輪狀可旋轉調整頭，調整頭與鏜刀桿內部的傳動軸為螺紋連接，當調整頭旋轉時，傳動軸沿軸向移動，而傳動軸和傳動柱為楔形連接，當傳動軸向刀柄方向移動時，傳動柱在楔形面的推動下推動刀片的安裝架向外沿徑向移動，即實現了漲刀功能。刀片的安裝架在彈簧力的作用下，使得刀片始終緊緊靠向傳動軸，保證整體刀具的剛性，刀片為可拆裝式六刃加工刀片，大大提高了刀具的使用壽命。當鏜刀進入漲刀程序時，系統會根據孔徑的測量值，計算出漲刀量，即刀片的徑向移動位移。直徑可調式鏜刀利用傳動軸的軸向進給實現刀片的徑向移動，由于楔形結構連接，所以傳動軸的軸線位移與刀片的徑向位移存在線性關系，又因為傳動軸的軸向位移是由于傳動軸和鏜刀前端的調整頭螺紋連接構成，所以刀片的徑向位移與鏜刀前端的調整頭旋轉角度成線性關系。最終，系統會根據漲刀量，計算出鏜刀調整頭旋轉角度，即調刀旋轉角度。當主軸帶著鏜刀進入鏜刀頭鎖緊卡爪時，鏜刀頭前端固定，主軸在調刀程序驅動下，主軸回轉角度為調刀旋轉角度，即實現自動漲刀。此漲刀過程大致需要3至5秒，當刀具磨損的工程中，此漲刀工藝可以重復使用，直到鏜刀的調整行程到達極限，大大調高了生產效率。

5 結束語

通過對整條生產線的成功優化，并對汽缸體缸孔進行加工實驗，經過實測，缸孔的尺寸精度與形位精度均達到了圖紙設計指標，機床在客戶端投入使用一年多以來，各項性能均保持良好，保證了年產量任務和產品質量，而這種優化的生產線工藝也同時應用在長春某知名汽車缸體生產線項目，汽車發動機缸體生產線的生產節拍為0.5min/件，缸體年生產量達到70萬件，隨著技術的更加成熟，這種優化的柔性生產線還會在未來服務更多汽車動力企業。

圖5 直徑可調鏜刀