汽車發動機缸體自動清洗專用機床設計*

王 剛，肖鐵忠

(四川工程職業技術學院交通工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

近年來，隨著技術的發展及汽車尾氣排放標準的進一步提高，對汽車零部件的加工質量要求也越來越高[1-2]。缸體是發動機最重要的組成零件之一,也是發動機總裝的基礎零件[3],其清潔度直接影響發動機的可靠性及裝配質量[4]。缸體表面粘連的雜質會影響定位及加工精度，其上細小的切屑或鑄造型砂也將直接影響發動機的總成裝配，使發動機性能達不到設計技術要求并影響使用壽命[5]。由于發動機型號不同，缸體等零部件的尺寸、形狀及結構等也有區別，這要求清洗設備具有一定的柔性才能滿足使用要求。作者與重慶某汽車發動機生產企業自主研發了用于缸體清洗的專用設備。設備主要由工件傳輸線、旋轉變位機、可換定位機構、上下料機構等組成，能依次完成缸體頂面、底面、端面及定點清洗，具有高可靠性、高精度及高清潔度等優點。

1 缸體清潔要求及工藝分析

1.1 缸體清潔度及控制要求

缸體毛坯清潔度會影響整個機械加工過程及加工后的清潔度，裝配前的缸體清潔度更是直接影響發動機的總成性能，故要想得到高性能的發動機需對缸體生產全過程的清潔度進行必要的控制[6]。針對缸體清潔度問題，不同制造商會采取不同的措施控制清潔度[7]，具體控制措施見表1、表2。

表1 毛坯清潔度控制措施

表2 機加后清潔度控制措施

1.2 清洗工藝分析

針對缸體機械加工后油道交叉孔及曲軸孔邊緣毛刺，油道孔、水道孔及螺紋孔等的切屑自動清潔問題，一般是先將缸體在浪涌水箱內對其表面進行刷洗，再至定點清洗工位，利用工位上的高壓水對工件內部進行清洗，然后將工件運送至定點吹干工位，對工件的重點部位及孔道進行預干燥，最后進行干燥及密封測試[8-9]。

針對其中定點清洗工位，主要采用六自由度機器人加變位機的工藝方案或者專用清洗機床方案[10]。機器人+變位機工藝方案可對各種發動機缸體、缸蓋等零部件進行清洗，具有較高的柔性。但目前主機廠對此方案所涉及的動作均采用手動示教編程，無針對這一工藝過程軌跡自動規劃及編程的成熟技術，存在加工效率低、精度差等問題，且由于清洗過程需要較好的密封性，此方案所占空間較大[11]；而專用機床在旋轉變位機、可換定位機構及上下料機構等的配合下，也具有較大的柔性，可根據提供的圖紙進行精密編程，實現整個清洗過程的全自動化，具有較高的生產效率及加工精度[12]。本文在綜合考慮生產效率、密封性、自動化程度及清潔度等問題的基礎上，選擇設計專用清洗設備對缸體進行定點清洗。

2 機床整體布局方案及工作原理

2.1 機床整體布局方案

根據前述工藝方案，本文設計了如圖1所示的缸體清洗專用機床整體方案。機床采用立式結構，設備主要由床身、立柱、旋轉變位機、專用夾具、可換定位機構、輥道運輸線、“十字”數控滑臺、自動上下料機構及高壓水槍等組成。即在床身的前端設置旋轉變位機，變位機上設置專用夾具，對帶著工件的可換定位機構進行定位及夾緊；在床身的后端設置立柱，立柱上設置 “十字”數控滑臺，數控滑臺上設置專用高壓水槍夾持機構，可根據需要更換刀具，數控滑臺帶著水槍對工件進行定點定位清洗；可換定位機構及工件由輥道傳送線運送至上下料位置；在旋轉變位機后方，立柱下方中間位置設置上下料機構，實現工件的自動上下料；機床設置整體防護罩、液壓系統等。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖

2.2 機床工作原理

機床的工作原理為：輥道運輸機構將缸體運送至專用機床的前端，其下輥道下降，使工件進入可換定位機構，對缸體進行正確定位；上下料機構將可換定位機構及缸體一起拖至旋轉變位機內，旋轉變位機內的夾緊機構將可換定位機構及工件夾緊；“十字”滑臺帶著高壓水槍與旋轉變位配合完成缸體的定點定位清洗，完成缸體清洗后，旋轉變位機夾緊機構松開，上下料機構將缸體推出旋轉變位機至輥道運輸線，其下輥道機構上升，將缸體抬升至輥道運輸線平行位置，運送至下一工序，如此循環，自動完成缸體的清洗。如需清洗其他類型缸體或零部件，只需更換可換定位機構即可。

3 機床關鍵零部件設計

3.1 專用夾具結構設計

由前述布局方案可知，專用夾具由旋轉變位機、可換定位機構、夾緊機構及上下料機構等組成，設計的專用具體結構如圖2所示。由圖可知，利用缸體底面的兩個銷孔及底面形成“一面兩孔”對缸體進行定位，即利用可換定位機構上的兩個定位銷4及4個缸體定位支撐板28對缸體進行正確定位；當可換定位機構及缸體進入旋轉變位機后，利用定位擋板22及定位導向板17對其進行定位，利用夾緊氣缸9及“Z”型夾緊板對其進行夾緊，保持正確定位位置不變。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖1、14.旋轉變位機底板 2、16.Z型夾緊板 3、17.旋轉變位機定位導向板 4.缸體定位銷 5.缸體側向定位導向板 6、28.缸體定位支撐板 7.缸體 8、29.可換定位機構底板 9.夾緊氣缸 10.夾緊氣缸桿 11.輥道運輸線 12.定位導向機構 13.輔助支撐導向板 15.旋轉擺頭 18、20.上下料機構旋轉氣缸 19.上下料機構直線運動氣缸 21.上下料氣缸桿 22.定位擋板 23.夾緊板 24.上下料機構橫桿 25.上下料回轉桿 26.滾筒 27.上下料機構拉桿圖2 專用夾具結構

根據設計，專用夾具工作原理為：人工將缸體按照正確的清洗姿態放置于輥道運輸線11上，由其將缸體運送至旋轉變位機正前方，其下輥道機構下降，缸體也隨之下降，缸體在側向定位導向板5的作用下，使可換定位機構定位支撐板28上的定位銷自動插入缸體底面的兩個定位孔，對缸體進行正確定位；上下料機構將可換定位機構及缸體一起拖進旋轉變位機內，由定位導向板17及定位擋板22對其進行定位；可換定位機構運動至定位位置后，氣缸18氣缸桿向后運動使上下料機構回轉，直至與立柱平行；夾緊氣缸9氣缸桿上升，將可換定位機構整體抬升，在“Z”型夾緊板的共同作用下將缸體夾緊；旋轉變位機旋轉擺頭15根據清洗工藝及程序要求帶著缸體進行變位，完成缸體的自動清洗工序；完成缸體清洗后，旋轉變位機旋轉至水平位置，夾緊氣缸向下運動，松開工件及可換定位機構，氣缸18氣缸桿向前運動使上下料機構旋轉至水平位置，氣缸19氣缸桿向前伸出，在定位導向機構17、13、12的作用下將缸體準確推出旋轉變位機至輥道運輸線11上，其下輥道上升，將缸體底面抬升至與輥道平行位置，運送至下一道工序，如此循環，完成工件的自動清洗。

3.2 上下料機構設計

在考慮自動化、配合專用夾具上下料及干涉等因素的前提下，設計了如圖3所示的上下料結構。由圖可知，上下料機構主要由拉桿、氣缸及回轉機構等組成。其工作原理：開始清洗時，氣缸7的氣缸桿將拉桿1帶著可換定位機構推出旋轉變位機至輥道運輸線上，自動上料，氣缸7的氣缸桿將拉桿1帶著可換定位機構及缸體一起拉進旋轉變位機，拉桿上的圓柱銷2插入“L”型回轉塊的“U”型槽內，如圖3b所示，氣缸6的氣缸桿向左運動，使“L”型回轉塊繞支撐板13上的鉸鏈14逆時針回轉，進而使拉桿1繞著鉸鏈19逆時針回轉，使拉桿與機床立柱平行；待機床完成缸體的清洗后，氣缸桿的氣缸桿向右運動，進而使拉桿順時針運動至水平位置，拉桿上的拉鉤插進可換定位板，在氣缸7的作用下將缸體推出旋轉變位機。

(a) 主視圖

(b) 左視圖1、21.拉桿 2、20.圓柱銷 3、18.U型插座 4、17.橫桿 5、16.拉桿直線運動氣缸桿 6、11.拉桿回轉運動氣缸 7、10.拉桿直線運動氣缸 8.緩沖擋板 9、12.床身立柱 13.支撐板 14、19.鉸鏈 15.“L”型回轉塊 22.拉鉤圖3 上下料機構

4 效果驗證

針對某型汽車發動機缸體加工后的自動清洗，制造了如圖4所示的專用清洗設備。設備經實際應用顯示，清洗后缸體的清潔度均達到或高于企業要求。按照企業現有工作制度：8小時/班，2班/日，290日/年，生產效率85%，設備負荷率85%，機床的清洗節拍為1.5 min/件，可知單臺設備的生產綱領為：8×2×280×0.85×0.85×60/1.5=13萬件。而企業要求的單臺設備年生產綱領為10萬件，可知設計的設備滿足企業生產節拍需要。即設計的工藝及裝備滿足企業生產效率及清潔度要求。

圖4 機床實物

5 結束語

(1)針對某發動機缸體機械加工后清潔度存在的問題及控制要求，提出了專用機床+旋轉變位機+可換定位機構的工藝及設備自動清洗方案；

(2)在充分考慮清洗及上下料方便、自動化等基礎上，確定了采用“十字”數控滑臺拖動清洗水槍、旋轉變位機對工件自動定位夾緊、變位及上下料機構自動上下料的立式專用機床整體布局方案；

(3)根據專用機床整體布局方案，設計了旋轉變位機、可換定位機構、導向機構、定位夾緊機構及上下料機構等的結構；

(4)實際生產表明：單臺設備實際年生產綱領達到13萬件左右，生產效率及清潔度均達到設計要求。