一種生產線用缸體夾具的設計與實現

齊 彥 汪 韜 康西英

(北京機床研究所有限公司, 北京 100102)

汽車產業是國民經濟發展的支柱型產業，是顯示一個國家工業發展水平的重要標志，發動機缸體作為汽車五大部件之一，其生產效率和加工質量直接關系到整車的生產性能和質量，因此，發動機缸體的加工一直備受各大廠家的高度重視[1]。據國內外資料來看，汽車發動機缸體的生產形式大致有如下幾種：在傳統組合機床自動線基礎上進行柔性化改造，通過柔性化改造以提高組合機床的自動化程度，尤其在加載了計算機數控系統之后，自動線的柔性化程度大大提高；隨著加工中心的問世及普及，由于加工中心可裝若干把刀具，并能自動換刀，在一次裝夾中可完成銑、鏜、鉆、鉸和锪等工序，可用于加工各種箱體類、板類復雜零件[2]，更適用于復雜零件加工的高效自動化。因此，以加工中心為主，以普通機床及組合機為輔的準柔性生產線得以運用；為提高生產效率，縮短重復工作時間，對于多型號、大批量生產適用的柔性傳輸生產線和柔性制造系統不斷迭代而生。

發動機缸體的加工技術大致經歷了由剛性自動化到數控加工中心、再到柔性制造生產線、柔性制造系統和敏捷柔性生產線制造。敏捷柔性自動線的問世，大大提高了適應市場的能力，因而得到了廣泛的應用。敏捷柔性自動線依靠其良好的適應市場能力和適度的投資范圍，很受發達國家青睞。雖然我國在汽車發動機基礎理論及相關技術研究方面取得了較大進步，但是，生產設備基本靠進口，工藝標準依賴國外，從根本上沒有形成自主制造技術。為提高制造能力，相關理論研究和技術改進亟待進一步開展。

缸體作為一種典型的箱體零件，各面的加工一般采用銑削的加工方式，孔系加工一般采用鉆、擴、鉸、鏜和攻絲等加工方式[3]。隨著技術的進步，對于缸體零件的加工已逐步實現生產線作業完成。在生產線加工過程中，為了提高工作效率，提高產線加工的通用性，同時為了方便工件定位，減少定位誤差，因此，夾具的設計就很有必要。

1 設備組成

轎車用缸內直噴汽油發動機缸體柔性生產線，是1條半自動柔性生產線，該生產線由1臺打標機和6臺單工位加工中心組成，夾具系統帶有定位檢測功能，物流系統包括回轉平臺、翻轉裝置、送料滑板、非機動輥道等。該產線由6臺μ2000/500H臥式加工中心組成，整線加工CPK≥1.67。機床配置特點：電主軸直驅控制，伺服軸雙驅同步控制，刀具中心內冷，大流量工件冷卻及噴淋，自動冷卻排屑系統，凸輪或換刀機構，刀對刀時間(包含松緊刀)為4.5 s。機床主要參數：X/Y/Z軸行程:750 mm /700 mm /700 mm;X/Y/Z軸快速進給速度：40 m/min；主軸轉速：8 000 r/min；X/Y/Z軸定位為0.006 mm；X/Y/Z軸重復定位精度為0.004 mm。

本機床選用日本FANUC 公司生產的0i-M 控制系統、αi系列伺服單元及伺服電機，該系統體積小、可靠性高，其所驅動的伺服單元參數均以數字信息存于系統中，因此在實際使用中，除調試簡單外，伺服的穩定性較好，維護簡單。主要電氣配置如表1。

表1 電氣配置

換刀類型采用隨機式換刀，刀具和刀套之間沒有固定的對應關系，系統記憶刀具號，而不記憶刀套號。刀庫是由I/O LINK 型β放大器控制1個伺服電機進行分度，其功能是將被指定刀號的刀具分度到換刀位置[4]，分度方式為就近找刀。開機后，必須進行刀庫的手動回零。當刀庫旋轉不在位時(如在刀庫轉動中急停時)，可通過回零來校正刀庫位置。刀庫回零方法為：在回零方式下，按下刀庫回零鍵，刀庫開始回零，回到零點后，操作面板上的“刀庫回零”燈亮。

2 產線工藝規劃

柔性生產線總體工藝路線為：毛坯上料；編碼刻字；OP10加工前、后面孔系及后面過渡基準孔；OP20加工頂、底面孔系及底面基準孔；OP30加工前、后面及排氣面孔系；OP40加工前、后面及進氣面孔系；OP50加工頂、底面及進、排氣面油孔及斜孔孔系；OP60加工頂面及底面螺栓孔孔系及瓦蓋面。其中OP20、OP30、OP40、OP50、OP60序夾具采用間接方式實現工件定位(初限位托板落下工件定位和抬起工件脫銷方式等)，不允許人工手持工件直接裝入定位銷定位。夾具有防止缸體錯裝和裝夾不到位功能[5]，只能讓產品以唯一的狀態正確進入夾具。設備操作工位處應有工件正確安裝姿態的指示銘牌。每套夾具只裝夾1個工件，在夾具上設置可檢測的坐標原點，并在夾具上刻印原點坐標值。

6臺設備前有一條非機動輥道，操作者推送工件到下一工位，再推進到該工位夾具托板上，因為每套夾具設計有導向裝置，所以，推進過程不會造成太大偏離，托板落下完全能實現精準定位。OP10、OP30和OP40這三序工件擺放姿態相同，而且從定位到夾壓，剛性較好。OP50、OP60兩序采用彎板形式，定位、夾緊等方式，與OP30、OP40完全相同，所以這五序相對剛性好，不存在夾壓變形問題，只有OP20定位夾緊方式變化較大。本文著重介紹OP20設計原理及工藝路線規劃。

3 夾具設計

由于該缸體零件形狀復雜，體積較大，材料為HT250精鑄件，外形尺寸大致為367.5 mm×410 mm ×320 mm，因此，所設計的夾具外形尺寸為902 mm×570 mm×360 mm；并且由于該缸體零件多處是薄壁[6]，從上機夾壓到加工都存在變形問題，所以，輔助支撐位置的選擇，夾壓力量的給定和切削參數的設置是決定零件合格與否的關鍵因素。根據零件特點，夾具設計采用一面兩銷定位方式，如圖1所示，采用B面作為定位面和該面上兩個φ10.5H7銷孔定位。

配合一個圓柱銷和一個菱形銷，其中菱形銷短軸與銷的連心線方向相同[7]，以消除兩個定位孔中心距誤差造成的過定位影響。并且選擇了6點輔助支撐，如圖2所示，上面4點液壓夾緊(1、2、3、4點)，通過一路油液控制4點壓力。側面4點輔助支撐(5、6、7、8點)，下面2點輔助支撐(9、10點)。設計過程中，考慮到工件是通過托盤經過滑軌輸送到工作臺上，為了保證工件裝夾過程更加準確、平滑，特意將定位銷頂部設計成圓帽形(如圖3所示)。這種沒有棱角的設計可以有效減小接觸面的摩擦力，保證定位更加精準。

4 試切驗證

4.1 工藝路線排程

夾具設計后，便在加工中心上進行試切操作。刀具主要選用美國肯納公司的高精度和高剛性的鉆頭、立銑刀、面銑刀、鏜刀、鉸刀及一些復合刀和非標專用刀等。根據加工內容和產線節拍要求[8]，各工位所用刀具數量及生產節拍分別如表2所示。

表2 各工位生產節拍

4.2 OP20加工工藝

依據加工需要，OP20的加工工藝卡如表3所示。表中1301、2201、7100等代號為OP20加工內容的編號。

表3 OP20加工工藝卡

續表

續表

加工工藝總的原則：先面后孔，先粗后精，1個面上的加工內容要1次完成，而且相同加工內容也要盡可能1次完成，既要減少轉臺回轉次數，同時也要爭取把刀具換刀次數降到最低[9]，為提高加工效率、滿足節拍要求提供有效的保障。

4.3 難點攻克

具備良好的理論基礎是實際加工過程中的必要條件，依據缸體工件結構特點設計好夾具后，最重要的環節就是試切驗證夾具設計過程中出現的問題。在實際加工過程中，卻發現缸體頂部變形比較嚴重，為解決此問題，曾嘗試減少頂部油缸壓力、增加兩側油缸壓力等方法[10]，檢測變形程度都沒有得到很好的效果。使用三坐標測量儀檢測得到部分檢測結果如表4所示，可見特征2100(底面)對A面(即圖2中的A面)的垂直度實測值MEAS為0.090 mm，距離上限0.1 mm只有0.010 mm的余量，十分危險。

表4 更改油路前檢測結果 mm

表4中：NOMINAL為標稱值；TOL為公差；MEAS為實測值；DEV為偏差；OUTTOL為超差。平面度1為特征2100(底面)的平面度；垂直度3為特征2100(底面)對A面(即圖2中的A面)的垂直度；垂直度4為特征2102(圖1中定位孔)對B面(圖1中B面)的垂直度。

最終，通過計算和試驗，4處壓點采用兩種油壓既能壓緊工件又不至于使工件變形[11]，也就是圖2中1和2油缸走一條管路，3和4油缸走另一條管路，兩條管路壓力不一致。3,4號油缸送氣壓力大于1,2號油缸，由于薄壁工件存在薄弱環節，容易夾壓變形，通過上述方法更改油路后，檢測結果如表5，特征2100(底面)對A面的垂直度實測值MEAS為0.017 mm，達到圖紙要求[12]，相較之前有很大進步。

表5 更改油路后檢測結果 mm

通過這一設計的小小改進，不僅解決了夾壓變形的問題，更提高了夾具的定位精度，為工件的加工提供了有力保障。并根據加工部位和加工內容的不同特點，分別設置合理的切削速度和進給量等切削參數，既保證了加工速度，又滿足了節拍的要求。

4.4 加工程序

以T20號刀加工為例，設置主軸轉速1 250 r/min，進給速度600 mm/min，按照代碼指令進行加工。在編程過程中注意主軸轉速指令可以用S 代碼后接最多5 位數字直接給出[13]。而且，主軸轉速可以在其規定范圍內按1 r/min 的級差命令。加工程序代碼如下：

%

O1020(T20/18/REAM H6301)

G28G91Z0G49

IF[#4120EQ20]GOTO100

T20

M06

N100M01

G90G53G49Z0

G90G57G00B0.

#501=1250(SPEED)

#511=600(FEED)

G90G57G43G00X-287.0Y75.0Z540.0H20M23S#501T21

G0Z221.0

G01Z207.5(210.)F#511

G90G53G49G00G80Z0

G91G30X0Y0M24

M06

#540=5021

M99

%

5 結語

本文介紹了發動機缸體生產形式及技術歷程，著重對轎車用缸內直噴汽油發動機缸體柔性生產線加工過程中OP20工序的夾具設計、難點攻克及解決、電氣控制等方面內容進行分析，通過實際操作驗證，夾具設計效果良好，電氣配合無縫銜接，并且在實際切削過程中得到了很好的驗證與應用，為產線加工保駕護航，極大地提高了生產效率。