發動機缸體預加工自動生產線工藝分析

吳嘉明

(南京工程學院康尼機電產業技術研究院，南京 211167)

0 引言

乘用車缸體材料有鑄鐵和鋁合金之分，加工過程也各有其特點，鋁合金缸體因重量輕、導熱性好、機械加工性能更好而被廣泛應用。通常缸體與曲軸箱需組合加工曲軸孔及相關孔系，組合前以毛坯基準加工工藝基準，本著粗精加工分開的原則[1-2]把與曲軸箱組合前的加工內容作為一個獨立預加工分段通過外協配套加工，有利于更合理、更經濟地組織生產。

由于加工成本及技術能力等方面因素影響目前預加工自動化程度偏低，人工參與的作業較多；工序較分散，工件多次裝夾；設備能力偏弱，產品質量穩定性不高，為應對年產幾十萬量級的生產，如何提高生產自動化水平、提升設備能力、保證各環節質量穩定性、降低生產成本是企業需要考慮的問題。基于上述訴求，確定了縮短工序、提升能力、穩定質量、降低成本的設計原則。

1 零件工藝分析

缸體為A380鋁合金材料壓鑄件，Si含量較高，切削性能較好，直列四缸結構，整體尺寸不大于380×200×380 mm，缸孔嵌鑄鐵缸套，如圖1所示。缸體毛坯加工基準[3-4]分別為頂面3個光滑φ6 mm凸點、一四缸孔橫向內壁定位點及二三缸孔縱向分中定位點，機加工內容包括與下箱體合箱前的工序，除OP10工序須完成的作為后續加工工藝基準的側面4個搭子面和兩工藝孔構成的一面兩銷外，缸體6個面均有加工內容，與曲軸箱接合面(底面)為成品狀態；與缸蓋接合面(頂面)加工除精銑面外內容。加工類型包括工藝定位孔、螺釘過孔、螺紋孔、油孔以及面的粗精銑，其中側面工藝孔要求為φ14+0.025，位置度φ0.1，CPK1.67。

1.四缸孔定位 2.二/三缸孔定位 3.一缸孔定位 4.頂面凸點 5.側面工藝定位面 6.側面工藝孔 7.側面工藝定位面圖1 鋁合金缸體

制定加工方案的原則是采用加工中心且盡可能工序集中，減少工件裝夾次數，減少輔助時間。如利用臥式加工中心的第四軸功能每道工序可加工3個面的內容，6個面的內容裝夾兩次就能完成，如采用可安裝兩套夾具的雙交換臺臥式加工中心，缸體經兩次裝夾所有工序就可以在一臺設備上完成，最大限度縮短產線長度[5-6]。經過對所有加工內容的具體排布分析，按下述夾具設計的工件姿態加工，就可以完成所有內容的加工，滿足設計規劃要求[7]。

根據生產綱領要求復制現有加工方式，可以靈活配置機床數量，同時雙交換臺機床的特點是工件裝卸時間包含在另一工位上機加工時間內，不單獨占用時間，加工節拍縮短。

2 生產線排布與自動物流

生產線如圖2所示，包括如下工序流程：打碼(追溯記錄用二維碼和明碼)，機加，清洗，檢漏，檢查。除毛坯上線和成品下線檢查由人工操作外，各工序自動執行、工序間自動物流輸送。

1.上料工位 2.打標機 3.交換臺臥加 4.機器人 5.清洗機 6.檢漏機 7.終檢圖2 缸體預加工線布局圖

(1)打碼：包括明碼和二維碼，后續工序零件識別用，包含加工時間、班次、序號、零件類別型號等信息，二維碼自動生成，在機加上料時讀碼識別加工順序，在出現加工缺陷時可完全追溯問題工件而無遺漏，檢漏工序讀碼與檢漏數據對應記錄。

蔣介石又訓斥道：“日本人快要投降了，各地的漢奸也將要宣判處理，這里哪有什么敵偽人員藏在黃炎培家里呢？這兩天，參政會的那些參政員抓住這個事情大做文章，又攻擊我，又攻擊政府，鬧得會也無法開。你給黨國抹了黑，給我抹了黑！”

缸體毛坯由工人用平衡吊具頂面朝下放至輸送滾道上，行至打碼工位時被氣缸托起以毛坯定位基準定位來保證打碼位置的一致性，采用激光打碼，打碼后隨即用讀碼器作讀碼校驗，如正常讀出則放行流至機加工待上料區，否則進入返修通道。

(2)機加工：采用FANUC機器人實現在兩個工位夾具上工件自動裝卸，鑒于兩工位工件的安裝姿態不一致，需分別從缸體的底面和頂面側抓取缸孔，需在機床邊設置周轉臺，作為兩個工序間的轉換。OP10工序裝料時機器人從待上料區抓取工件裝入夾具，該工作臺自動轉入加工位開始OP10的加工，同時OP20夾具轉至裝料位，機器人從周轉臺抓取上個節拍OP10加工完卸料放上的缸體，繼續進行OP20的加工，兩工序都完成的產品再由機器人抓到清洗機入口等待清洗。

一旦出現因刀具異常出現的嫌疑工件則由機器人自動放入待處理滾道由人工判斷處理。

(3)清洗：機加工后的缸體上會殘留切削液和鋁屑，會直接影響檢漏工序的準確性，螺孔內的切屑還會在發動機裝配時造成螺釘緊固異常，嚴重時會損壞缸體，深油孔內殘留切屑更會造成整車售后故障，因此工件在機加工完畢后需經過清洗。清洗機內采用數控步伐式輸送形式，工件到位位置較準確，便于對各個面的孔系定點脈沖式清洗[8]，可根據需要調整步距。清洗過程共分粗洗、精洗、吹干、烘干等工步，清洗后的溫度烘干是為了提高工件清潔度和干燥度。

(4)檢漏 ：每個缸體的水道、高壓油道及曲軸箱腔體均須進行氣密性檢查，工件送至檢漏工位后檢漏工裝自動堵住密封面，用科斯莫多通道差壓式檢漏儀按順序對缸體3個腔體作檢測，經過充氣、保壓平衡、檢測、放氣過程，最終得出泄漏值，與二維碼一一對應按execl格式存儲記錄。檢漏合格則流至人工檢查區，否則進入不合格品區并做不合格標識[9-10]。

經過清洗的缸體流至檢漏機入口，由氣動機械手抓入檢漏機工裝定位壓緊，先讀碼確認二維碼后檢測，而后按預設通道流至人工檢查區處理。

3 設備及刀具選型

(1)HCN系列臥式加工中心是 Mazak 公司開發的高性能臥式雙交換臺加工中心，充分體現了先進機床的高效高精度特點。通過采用高轉速主軸(12 000 rpm)、高進給(60 m/min)、高速換刀(2.1 s)、托盤快速交換(7 s)等技術，結合先進刀具技術，適合鋁合金箱體類零件的高效率生產。

機床采取一系列措施提高剛性，保持精度：機床鑄件均采用有限元技術作優化設計，主軸和絲桿采用內部油冷卻控溫，關鍵部件有熱變形校正傳感器，導軌采用高剛性精密滾柱直線形式。

機床具備一系列工作穩定性保障功能：工作臺配有外接液壓源供夾具夾緊用，另有氣源用于夾具定位面氣密檢測；刀庫位40把，換刀時主軸內有氣封防止雜物進入而損傷刀柄配合面影響刀柄夾持精度；主軸具備內冷功能，便于使用內冷絲錐等刀具；針對細長刀具配有刀具長度檢測裝置可有效追溯控制問題工件。

(2)基于鋁合金材料較好的切削性能，各刀具的選擇以在保證精度要求前提下高效率加工為原則，充分利用機床系統高精度高剛性和新材料刀具特性，面銑刀和鉸刀采用PCD刃口，銑刀線速度可達1800 m/min[11]，鉸刀刃口增加擠壓刃帶，鉸孔時復合擠壓作用，可使加工精度和表面質量較長周期保持穩定，刀具壽命大大延長(20 000件)，達到成本控制和質量控制的雙贏效果。小孔加工普及采用內冷刀具，在提高切削效率的同時，降低刀具異常折損概率，可有效控制外部質量風險，同時也減輕了后續清洗工序(如螺紋孔)的壓力。

4 夾具設計

預加工共分兩道工序，兩套夾具分別安裝在雙交換工作臺上，第一道工序OP10需要加工側面工藝定位面以及底面內容，工件要以頂面朝前、后端面朝下的豎立姿態安裝，如圖3所示。夾具體為帶加強筋的T形鋼板裝配式結構，便于加工液壓內油道，定位元件布置在豎板上，對應缸體頂面3個毛坯基準凸點設定位支承，支承面有氣密檢測孔；一、四缸孔側壁分別設油缸加斜楔漲緊；二、三缸孔間缸壁用液壓對中兩爪夾緊分中定位。

1.輔助支承 2.夾緊油缸 3.分中定位 4.定位支承 5.缸孔定位 6.氣密檢測 7.夾具體 8.液壓閥組圖3 OP10夾具

由于缸孔在夾具上的定位動作與頂面定位點貼合動作方向垂直，相互間會產生干擾，因此在設計夾緊動作順序時需特別處理：

(1)工件安裝由機器人執行，裝料工裝板上的氣動手指撐緊一、四缸孔來抓取工件，放料時工裝板上的彈簧機構頂住工件與定位支承保持貼合狀態；

(2)二、三缸孔間液壓爪分中定位；

(3)一、四缸孔側壁漲緊定位；

(4)對應頂面三點夾緊油缸動作夾緊工件；

(5)機器人頂緊松開退出；

(6)頂面和后端面的液壓輔助支承動作，防止加工時產生變形和振動；

(7)輔助夾緊油缸動作。

至此完成工件定位夾緊動作，夾具等待交換加工。

OP20工序以OP10工序加工的側面工藝面基準為定位面，加工頂面及前后端面內容，缸體橫臥姿態，側面工藝面朝下、頂面朝外安裝，標準的“一面兩銷”定位方式，液壓夾緊，為降低工件安裝難度、保證加工精度、保護定位孔不被破壞而影響后續缸體與下缸體合箱以后的加工，定位銷采用KOSMEK液壓擴徑定位銷，裝料時定位銷與定位孔間有1 mm間隙，工件就位后自動張開，方便采用機器人自動上下料。

為確保每個工件與夾具支承面貼合，設有定位面接觸氣密檢測，工件如裝夾異常則發信號要求重新安裝直至正確；機床工作臺配有側面三點基準，方便夾具安裝的同時還能保證重復定位精度。

5 結束語

生產線路線清晰，布局緊湊，物流順暢，生產線頭線尾安排工人操作，其余大部分工作均由設備、機器人、機械手或滾道自動完成，在出現異常時人工干預。各工序中二維碼識別的應用使得生產線信息可實時在生產線電子看板上展現，加工數量、故障點一目了然。生產線投入使用后整體運行可靠，加工質量穩定，生產效率達到預期效果。