發(fā)動機活塞連桿擰緊的自動化工藝設(shè)計

梅 杰 溫 武 李進都

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

近年來，隨著汽車消費市場需求的個性化及多樣化，汽車裝配作業(yè)也從傳統(tǒng)的單一品種、大批量生產(chǎn)向多品種、中小批量轉(zhuǎn)化，裝配生產(chǎn)的批量性特點趨于復(fù)雜，安裝零件的品種、數(shù)量進一步增多，對零部件的接收、保管、供給、裝配作業(yè)指導(dǎo)等都提出了新的要求。市場的變化，必將使裝配生產(chǎn)方式產(chǎn)生新的變革。裝配線要向柔性線方向發(fā)展，以滿足多品種生產(chǎn)和自動化裝配的要求。設(shè)備要向微機控制、數(shù)字化、高精度、適應(yīng)性強、自動化方向發(fā)展，1臺專機應(yīng)能適應(yīng)3～5種產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，以適應(yīng)多品種生產(chǎn)的要求。在發(fā)動機總成及零部件的聯(lián)接中，螺栓聯(lián)接以其構(gòu)造簡單，維修拆裝方便，工作安全可靠，聯(lián)接強度、剛度和自鎖性能好等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，而各個總成和各種零配件的組裝聯(lián)接對螺栓的要求也各有不同。因此，各個汽車生產(chǎn)廠家根據(jù)其零部件的設(shè)計要求，都嚴格規(guī)定了各總成部件中主要螺栓聯(lián)接件中擰緊力矩的大小、擰緊方法以及螺栓材料、硬度等方面的技術(shù)要求，并在汽車維修使用技術(shù)說明書中作了明確的規(guī)定和說明。其中連桿螺栓作為發(fā)動機總成中的關(guān)鍵聯(lián)接零件和其特殊的工作環(huán)境，在材質(zhì)和裝配工藝上的要求格外嚴格。在螺栓的擰緊力矩、擰緊方法等方面嚴格操作，就能減少失誤，保證質(zhì)量。否則輕則將造成螺栓松動、斷裂、瓦蓋松脫，發(fā)動機異響，工作不正常;重則將造成連桿扭曲，斷軸杵缸，甚至發(fā)動機報廢的嚴重事故。

1 國內(nèi)外活塞連桿擰緊設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，發(fā)動機裝配線正由剛性裝配線向柔性裝配線快速發(fā)展，柔性裝配線的特點是裝配節(jié)拍可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整，可以實現(xiàn)多品種混流生產(chǎn)并適應(yīng)生產(chǎn)綱領(lǐng)的變化。在裝配作業(yè)時，裝配對象和裝配工人保持相對靜止狀態(tài)，對保證裝配的高質(zhì)量及采用專門的裝配設(shè)備提供了方便的條件，便于實現(xiàn)裝配的自動化。

自動擰緊機是集機械傳動、電氣傳動、氣動技術(shù)、電子技術(shù)、自動檢測于一體的機電一體化設(shè)備。擰緊機顧名思義就是擰緊工件的設(shè)備單元，主要應(yīng)用在螺栓/螺母擰緊方面。1臺機器有成百上千個零件采用螺栓緊固的方法裝配，在大批生產(chǎn)中又是由多人在不同的工位里完成的。為了提高生產(chǎn)效率、保證精確控制螺栓的擰緊力矩——自動擰緊機便誕生了。擰緊機采用伺服電動轉(zhuǎn)矩緊固器，控制器體積小、功能強大并有自檢功能。其緊固功能分為扭矩法與角度法控制2種:扭矩法是最常用的螺栓擰緊控制方法，通過扭矩扳手顯示的扭矩值來控制被連接件的預(yù)緊力的方法，操作簡單直觀。角度控制法是把螺栓一直擰到預(yù)定扭矩后再轉(zhuǎn)過一個預(yù)定的角度的控制方法。這是根據(jù)螺母或螺栓擰緊時的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長量和被擰緊件松動量度的總和大致成比例關(guān)系，因而可采用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來達到預(yù)定預(yù)緊，用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來達到預(yù)定預(yù)緊力的方法。

1．1 國外的活塞連桿擰緊機（圖1、圖2）

國外的擰緊機設(shè)計注重人機工程學(xué)，對可靠性、擰緊精度及安全性要求苛刻，加上國外發(fā)動機裝配線的產(chǎn)能節(jié)拍相對較長，擰緊操作時主要是靠操作者半自動化擰緊完成。國外較多發(fā)動機的連桿蓋與連桿體的角度為90°，裝配過程中利用結(jié)構(gòu)特性先將活塞連桿用氣動工具預(yù)裝在發(fā)動機缸體中后，再把發(fā)動機立起來底面朝上，擰緊機在發(fā)動機上方擰緊連桿螺栓，一般是2軸擰緊機按順序擰緊。

1．2 國內(nèi)的活塞連桿擰緊機（圖3、圖4）

目前國內(nèi)一些發(fā)動機廠為節(jié)約投資采用關(guān)鍵的擰緊頭，采用2軸半自動擰緊機的居多，擰緊機的設(shè)計較為簡單，符合人機工程學(xué)，電動軸的精度選擇符合質(zhì)量要求，操作中人為因素對質(zhì)量有一定的影響。

國內(nèi)較多發(fā)動機的連桿為斜型連桿，在擰緊過程中要保持一定的角度。裝配完活塞連桿后，即可進行連桿擰緊，不需要對發(fā)動機進行多余的翻轉(zhuǎn)。

2 自動化工藝設(shè)計

2．1 改造前狀態(tài)（圖5）

（1）根據(jù)產(chǎn)品特性，發(fā)動機保持立式的姿態(tài)進行擰緊活塞連桿總成，擰緊方式采用半自動雙軸擰緊機，同時擰緊其中1缸的2顆連桿螺栓，擰緊過程中人為操作對質(zhì)量隱患影響較大，同時會引起PLC與位置傳感器

防錯功能失效隱患;（2）在活塞連桿擰緊操作過程中，連桿螺母一次擰緊合格率難以達到99．9%;（3）隨著發(fā)動機產(chǎn)能的不斷提升，生產(chǎn)節(jié)拍時間的不斷縮短，2軸半自動擰緊機的擰緊節(jié)拍已無法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需要。

2．2 自動化工藝設(shè)計

2．2．1 工藝路線變更

（1）在上一工位，人工預(yù)裝活塞連桿，采用小扭力氣動工具預(yù)緊連桿螺栓;（2）增加全自動4軸擰緊設(shè)備，將之前的2軸擰緊機作為備用工具;（3）取消之前的2軸擰緊機操作者;（4）其他工藝操作不變。

2．2．2 工藝流程與節(jié)拍（表1）

2．2．3 設(shè)備構(gòu)造及特點

2．2．3．1 功能描述

表1 工藝流程與節(jié)拍

（1）工藝 設(shè)備全自動擰緊活塞連桿螺栓，共分2次進行擰緊;擰緊方式為扭力加轉(zhuǎn)角法，每次同步擰緊2個缸的4顆連桿螺栓;第一次擰完后，旋轉(zhuǎn)曲軸180°完成另外2個缸的連桿螺栓擰緊操作，生產(chǎn)節(jié)拍保持在42 s內(nèi);設(shè)備有輔助支撐缸體的機構(gòu)，在擰緊過程中可保證擰緊的平穩(wěn)性，另對擰緊角度有監(jiān)控，可防止螺栓拉伸。（2）質(zhì)量 在擰緊操作過程中，當同一工件在本工位發(fā)生連續(xù)3次不合格時，此循環(huán)停止并報警;當出現(xiàn)擰緊不合格情況時，僅是不合格螺栓對應(yīng)的擰緊軸退出并重新擰緊。急停后，任何未完成的擰緊過程繼續(xù)重新擰緊，同時上傳擰緊數(shù)據(jù);對于已判定為不合格的工件進入本工位時，設(shè)備不操作，工件自動流入下一工位。設(shè)備帶有防錯功能，可記錄螺栓的擰緊情況，逐個顯示擰緊結(jié)果:已擰緊/未擰緊、合格/不合格、螺栓數(shù)量等。（3）安全 設(shè)備上有輪廓門，能實現(xiàn)檢查裝配托盤方向功能，配有安全圍欄及安全門鎖等，充分保證在生產(chǎn)過程中的安全性。

2．2．3．2 設(shè)備構(gòu)造（圖 6）

設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)主要分6個部分。

（1）旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在垂直方向上的運動由氣缸驅(qū)動，THK導(dǎo)軌導(dǎo)向，兩端有限位及位置檢測，工作位置有液壓緩沖，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與曲軸的嚙合、轉(zhuǎn)動角度也有位置檢測，角度精準度由變頻器控制電動機的高低速來控制，所有的擋停機構(gòu)均有位置調(diào)節(jié)能力，可精密調(diào)節(jié)工裝的擋停位置，可以設(shè)定輸出最大轉(zhuǎn)矩。此外，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上還有工件壓緊裝置，在工作時防止工件在擰緊力的作用下移動。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由變頻電動機驅(qū)動，位于軌道的正上方，待工件到達工作位置時，氣缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)下降將曲軸套入孔內(nèi)，到達位置后電動機啟動，使與曲軸的鍵槽嚙合，并轉(zhuǎn)至1、4缸的下止點，待1、4缸擰緊后電動機再次啟動，旋轉(zhuǎn)曲軸180°，使2、3缸位于下止點，2、3缸擰緊完成后氣缸縮回，嚙合部分自動退出曲軸小端。

（2）擰緊升降機構(gòu) 擰緊升降機構(gòu)在垂直方向上的運動由一只氣缸驅(qū)動一套擰緊機構(gòu)（2只擰緊軸），分別負責1、2缸和3、4缸螺栓的擰緊，THK導(dǎo)軌導(dǎo)向，兩端有限位及位置檢測，工作位置有液壓緩沖，所有的擋停機構(gòu)均有位置調(diào)節(jié)能力，可精密調(diào)節(jié)工裝的擋停位置。

（3）擰緊機構(gòu) 擰緊機構(gòu)沿水平方向移動，由氣缸驅(qū)動一組擰緊軸，分別負責1、2缸和3、4缸螺栓的擰緊，THK導(dǎo)軌導(dǎo)向，兩端有限位及位置檢測，工作位置有液壓緩沖，所有的擋停機構(gòu)均有位置調(diào)節(jié)能力，可精密調(diào)節(jié)工裝的擋停位置。擰緊升降機構(gòu)與擰緊機構(gòu)組合在一起，形成2套方向相反的擰緊設(shè)備，可同時擰緊1、4缸和2、3缸的連桿螺栓，以提高工作效率。

（4）頂升機構(gòu) 頂升機構(gòu)由2只氣缸同時驅(qū)動，4支導(dǎo)桿與直線軸承做導(dǎo)向，兩端有限位及位置檢測，所有的擋停機構(gòu)均有位置調(diào)節(jié)能力，可精密調(diào)節(jié)工裝的擋停位置，與托盤的配合采用一面兩銷定位。

（5）阻擋及保護機構(gòu) 阻擋機構(gòu)采用普通的氣缸阻擋機構(gòu)，保護機構(gòu)為一固定在輸送線外側(cè)的裝置，用于防止發(fā)動機在擰緊軸推力作用下翻出托盤。

（6）護欄機構(gòu) 護欄機構(gòu)采用側(cè)面放置氣路元件，在托盤入口處有發(fā)動機姿態(tài)判斷機構(gòu)，防止因姿態(tài)錯誤造成設(shè)備損傷。

3 結(jié)語

發(fā)動機活塞連桿擰緊的自動化工藝設(shè)計解決了因人工操作存在的質(zhì)量隱患，提高了生產(chǎn)效率，具備良好的防錯能力，確保了擰緊過程中的平衡性，提高了在線質(zhì)量控制水平。在現(xiàn)代化的發(fā)動機裝配線，活塞連桿的全自動擰緊工藝的應(yīng)用屬創(chuàng)新案例，具備較好的可拓展性，能更好地適應(yīng)混線大批量生產(chǎn)現(xiàn)狀。在發(fā)動機制造領(lǐng)域，我們應(yīng)大力推廣自動化工藝的應(yīng)用。

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