汽車發動機缸體斜油孔加工工藝??

單艷芬 肖鐵忠 黃 娟

(①常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇常州213025；②四川工程職業技術學院四川省裝備制造業機器人應用技術工程實驗室，四川德陽618000)

汽車發動機是汽車的五大部件之一，其品質直接影響整車的動力及燃油性能[1-3]。而發動機的機械加工將直接確定發動機的品質，故企業針對發動機的加工均有研制各自的工藝及裝備以保證其質量[4-5]。目前，國內針對發動機這類大批量生產的部件，主要有兩種工藝方案[6-7]:一是“專用機床+加工中心”的“剛柔”結合的生產線；二是完全由加工中心組成的“柔性”生產線。據市場調查反饋顯示[8-10]:純加工中心組成的生產線雖然具備較強的加工變型產品的能力，但是因為加工效率低，無法滿足大批量生產的需求。故目前針對大批量生產，因“剛柔”結合生產線既具有一定加工變型產品的能力，又具有較高的生產效率而逐漸成為市場的主流發展方向。重慶某企業汽車發動機缸體加工生產線要求具備25萬件以上的生產能力，屬于大批量生產，經全面綜合考慮，采用“剛柔”結合的生產線方案。其中，缸體筒大側面斜油孔加工屬于其中一道關鍵工序，采用專用機床方案，提出了一次裝夾同時完成5個斜油孔加工的工藝方案，既保證生產線的生產節拍，也提升了合格率及自動化程度，為同類產品工藝及裝備的研制提供了成功的參考案例。

1 工藝要求及現有工藝存在的問題

1.1 工藝要求

發動機缸體斜油孔的加工技術要求如圖1所示。

由圖1可知，缸體滑動軸承座上共有5個直徑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 孔中心軸線與水平面呈 48°56′角；(3)單臺設備生產綱領達到25萬件/年以上，合格率達到99.9%以上；(4)實現除人工上下料之外的所有加工自動化。

1.2 現有工藝存在的主要問題

針對本工序的5孔，企業采用柔性生產線，即用加工中心進行鉆削，主要存在如下問題:(1)由于沒有合理的專用夾具，上下料輔助時間很長，且是單刀加工，使得單臺設備生產綱領在5萬件/年左右；(2)由于受人為因素、刀具導向裝置等影響，合格率長期維持在80%左右，高的廢品率給企業帶來較大的經濟損失。針對前述不足，需要重新設計合理的工藝及裝備以解決問題。

2 工藝方案及整體布局設計

近年來，機械加工行業有向柔性生產線發展的趨勢，即在生產線中大量使用加工中心，以應對不同的變型產品[11-12]。重慶某機械制造企業也組建了一條發動機缸體柔性加工生產線，在缸體斜油孔鉆削工序中也采用了加工中心設備，經使用后主要存在如下問題:(1)由于沒有自動化專用夾具、專用刀具等，只能單刀單孔加工，使得生產效率很低、工人勞動強度大，此工序需投入5臺加工中心才能滿足生產綱領要求；(2)缺乏必要的導向鉆模板，使得加工起鉆時容易引偏，由于是深長孔加工，鉆削過程中刀具缺乏相應的支撐，存在斷刀現象，最終導致廢品率一直維持在20%左右，給企業造成極大的經濟損失。可知，此類工藝方案對大量生產產品不合適，故提出了組建“剛柔混合”生產線的工藝方案，即在關鍵工序中使用專用機床以解決柔性生產線存在的短板問題。

本工序要求工件生產綱領達到25萬件/年以上，產品合格率達到99.9%以上，實現除人工上下料之外的所有加工的自動化。因采用工序集中原則的專用機床方案具有生產效率高、加工精度高、合格率高及自動化程度高等優點，成為本工序最佳工藝方案之一。本文設計了如圖2所示專用機床工藝方案，采用專用夾具、多軸專用主軸箱、專用刀具、專用導向模板方案，實現一次裝夾同時完成5孔鉆削加工。其具體工藝過程如下:機床工作時，工人按正確的姿態將工件搬送至左夾具體內，按下夾緊按鈕，在左夾具體內完全定位的工件被夾緊，數控滑臺拖著專用主軸箱向左進給，在導向模板、專用刀具的配合下，一次完成5斜油孔的鉆削加工，完成后自動退刀，夾具松開工件，人工更換工件，如此循環往復完成工件本工序的加工。斜油孔中心軸線與水平面的角度由工件加工姿態即在左夾具體內正確定位保證。

3 專用夾具設計

3.1 專用夾具結構設計

箱體類工件一般采用“一面兩孔”的方案進行完全定位。本工序缸體定位方案如圖3所示，由2×φ12N6的銷孔及缸體頂面對工件進行完全定位，圖中“”為定位符號，其尺寸及形位精度由前序保證。為簡化機床結構并保證斜油孔軸線與水平面角度，夾具定位平面設計成斜面，專用夾具結構如圖4所示，夾具主要由左、右夾具體、定位機構、夾緊機構、導向機構等組成。

由圖4a、b可知，兩定位支撐板3及兩浮動定位銷11、12與工件的一面兩孔相配合構成夾具的定位機構對工件正確定位；工件正確定位后，由夾具的夾緊機構2、13對其進行夾緊，防止加工過程中正確定位位置發生變化。夾緊位置如圖4b、d所示。在左夾具體后端及右夾具體左端(圖4a)分別設置限位擋板14及輔助支撐板7。

由于在圓柱面上起鉆，容易引偏，從而出現竄孔及打偏現象；且深徑比達到13.4，加工時和容易出現斷刀現象。針對這些問題，設計了導向及強度增強系統。導向系統主要由兩套導向機構組成，即活動模板9及鉆頭導向套6。加工時，主軸箱、活動模板由活動導桿10及固定導桿15進行導向，直至其運動至起鉆位置，如圖4a所示，此時，鉆頭導向套6對鉆頭導向并增加強度，正確起鉆并完成深孔鉆削。

為了防止加工時產生的振動相互傳遞并影響工件加工精度，將工件與刀具系統做成相互獨立的模塊，即左夾具體安裝工件、右夾具體支撐導向系統及刀具系統。

3.2 夾具工作原理

根據工藝要求及工藝方案，設計了如圖4所示的專用夾具，其工作原理為:加工前，浮動定位銷11、12在氣缸作用下(如圖4d)沒入定位支撐板3定位平面以下，按圖4a所示的姿態，人工將工件在定位支撐板及輔助支撐板導向下推入左夾具體內，由限位擋板限定位置，浮動定位銷插入工件定位孔內，夾緊機構按圖4b、4d夾緊工件，主軸箱、活動模板向左運動，活動導桿插入右夾具體右端孔內，活動模板在彈簧的壓力下貼緊右夾具體，鉆頭導向套前端靠近斜油孔起鉆位置，鉆頭在鉆頭導向套的導引下對工件進行起鉆，防止起鉆時引偏，起鉆后，在鉆頭導向套的導向及強度增強下完成5斜油孔的鉆削加工，解決鉆孔過程出現竄孔及斷刀問題。

4 生產節拍驗證

針對本工序，企業提出了25萬件/年的生產任務要求，其工作制度為:320日/年，3班/日，8小時/班，生產效率90%，設備負荷率85%，故其所需生產節拍為:320×3×8×0.9×0.85×60/250 000=1.41 min/件。實際加工時，工進時間為t1=80 mm/(0.1 mm/r×1 200 r/min)=0.67 min，輔助時間為0.5 min，故其實際生產節拍為1.17 min/件，即實際生產節拍小于生產所需節拍，滿足企業生產需要。

5 結語

(1)以某汽車發動機缸體5斜油孔加工為研究對象，在分析工藝要求及現有生產線存在問題的基礎上，針對現有工藝缺陷，提出了一次裝夾多軸同時加工的工藝方案。

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

(3)根據工藝及加工姿態要求，確定了專用夾具定位夾緊方案、導向方案及其整體結構，并詳細闡述了其工作原理。

(4)實際生產表明:采用此工藝及裝備后，單臺設備實際年生產在30萬件左右，合格率由80%左右提升至99.9%以上，基本未出現起鉆引偏、竄孔及斷刀現象。