發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼壓裝工藝分析及優(yōu)化

徐國(guó)慶 徐飛躍 周海軍 池曉欽

(廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東高要 526108)

圖1是某汽車(chē)公司全球供應(yīng)的多款乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的油底殼零件壓裝壓鉚配件后的成品零件效果圖，乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼產(chǎn)品是我公司的主力產(chǎn)品，此產(chǎn)品總成安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)底部，油底殼零件是典型的壓鑄件［1］，材料為日本標(biāo)準(zhǔn) ADC12(對(duì)應(yīng)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為YL112)，在實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑時(shí)，同時(shí)具有存貯、沉淀、過(guò)濾、吸油等功能。此類(lèi)產(chǎn)品零件的總成具有比較嚴(yán)格的加工裝配尺寸、泄漏量和清潔度的要求［2］。零件裝配工藝技術(shù)要求比較復(fù)雜，其中壓裝的工藝技術(shù)要求比較高，壓裝的配件包括2個(gè)定位銷(xiāo)、左/右堵碗、過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋，總成裝配工藝流程為清洗→壓裝定位銷(xiāo)→壓裝左/右堵碗→壓裝過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋→壓鉚過(guò)濾網(wǎng)蓋→零件總成試漏→包裝入庫(kù)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)年需求量為72萬(wàn)件，零件總成重量為5.4 kg，由于零件需求量大，如何保證裝配的質(zhì)量，提高裝配效率，降低成本，成為整個(gè)設(shè)計(jì)需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題，綜合考慮壓裝工藝的質(zhì)量可靠性、提高效率、降低成本和減少設(shè)備占地面積等因素，將壓裝左/右堵碗、壓裝過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋、壓鉚過(guò)濾網(wǎng)蓋三道工序合并，由一臺(tái)壓裝機(jī)完成左/右堵碗、壓裝過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋共4個(gè)配件的壓裝壓鉚，本文就此對(duì)其壓裝壓鉚工序的工藝進(jìn)行了分析及優(yōu)化闡述。

1 零件壓裝工藝分析

油底殼零件的形狀為U型薄殼體，外形和內(nèi)腔比較復(fù)雜，零件壁厚為2.5～3.5 mm，其總體強(qiáng)度比較弱，其壓裝配件與零件的配合采用過(guò)盈配合，油底殼過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋加工部位尺寸公差φ59mm，與之相配的過(guò)濾網(wǎng)蓋配件的沖壓零件的尺寸公差φ59mm，過(guò)盈配合量約為0.5 mm，過(guò)濾網(wǎng)蓋配件沖壓件的厚度為1 mm，與油底殼零件的壓裝配合接觸面的長(zhǎng)度僅為2 mm。油底殼左/右堵碗加工部位尺寸公差φ20/28mm，與之相配的左/右堵碗的沖壓零件的尺寸公差 φ20/28mm，過(guò)盈配合量約為 0.5 mm，左/右堵碗配件沖壓件的厚度為1 mm，與油底殼零件的壓裝配合接觸面的長(zhǎng)度為4 mm。壓裝左/右堵碗及過(guò)濾網(wǎng)和過(guò)濾網(wǎng)蓋，是整個(gè)裝配工藝的關(guān)鍵，由于壓裝過(guò)程中產(chǎn)生的壓力比較大，如何控制壓裝過(guò)程中零件的變形，保證壓裝后零件總成的精度，成為整個(gè)壓裝工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。因此在壓裝過(guò)程前需要對(duì)零件的剛性進(jìn)行加強(qiáng)，使零件具有足夠的剛性，以保證零件受到壓裝力的情況下，零件依然可以保持總成的裝配精度。

2 壓裝專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 壓裝專(zhuān)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)油底殼零件壓裝工藝分析，壓裝的配件過(guò)濾網(wǎng)/過(guò)濾網(wǎng)蓋和左/右堵碗共有4個(gè)，分布在零件的3個(gè)互相垂直的方向，為保證壓裝過(guò)程中零件承受的壓裝力和支撐力的對(duì)稱(chēng)分布均勻和專(zhuān)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛性，壓裝專(zhuān)機(jī)采用了8根立柱組成的機(jī)架的框式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，通過(guò)將兩側(cè)的4根立柱用鎖緊連接塊連接的方式，使4根立柱結(jié)合成為一體的剛性較好的受力件，較好地解決了水平方向的壓裝油缸和支撐油缸的工作受力后剛性問(wèn)題。在機(jī)架上部的垂直方向布置壓裝配件過(guò)濾網(wǎng)/過(guò)濾網(wǎng)蓋的主液壓油缸，在機(jī)架的左右水平方向布置壓裝配件左/右堵碗的壓裝油缸和支撐油缸，此布置結(jié)構(gòu)具有員工安裝油底殼零件和壓裝配件操作方便的特點(diǎn)。

如圖2所示，壓裝專(zhuān)機(jī)的構(gòu)成由底座、八立柱機(jī)架、壓裝夾具、左/右堵碗和過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝組件、以及液壓站組成，整個(gè)自動(dòng)化電器控制系統(tǒng)采用PLC控制，在機(jī)器的右手位控制器面板上，布置了手動(dòng)調(diào)節(jié)鈕，可對(duì)所有程序的每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，方便出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試維修。

2.2 壓裝專(zhuān)機(jī)液壓/氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓裝機(jī)的壓裝部分采用液壓控制系統(tǒng)，為減少成本和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)布置，壓裝夾具部分采用氣壓控制系統(tǒng)，壓裝夾具是整個(gè)專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心部分。設(shè)計(jì)油底殼壓裝夾具的關(guān)鍵是需要在零件的合適的受力位置增加輔助支撐，加強(qiáng)零件的剛性。根據(jù)油底殼零件的U型薄殼體的形狀，分析壓裝過(guò)濾網(wǎng)/過(guò)濾網(wǎng)蓋和左/右堵碗的φ59 mm和φ20/28 mm孔分布位置，在夾具底板上與零件大面垂直的U型薄殼體中間部位設(shè)置兩個(gè)輔助支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件剛性加強(qiáng)的目的，其程序控制動(dòng)作實(shí)現(xiàn)通過(guò)氣缸控制實(shí)現(xiàn)，油底殼零件壓裝夾具的輔助支撐具體位置和結(jié)構(gòu)見(jiàn)簡(jiǎn)圖3。

在專(zhuān)機(jī)上方的主液壓油缸布置了兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，最上面的是上限位開(kāi)關(guān)，下面的是下限位開(kāi)關(guān)，中間的是工進(jìn)減速位，它們是確認(rèn)“主液壓油缸”是在壓緊位置還是松開(kāi)位置和工進(jìn)減速位置。可以手動(dòng)操作調(diào)節(jié)好它們的位置并固定牢固。自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程的快進(jìn)速度、工進(jìn)速度，可以通過(guò)相應(yīng)的單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)。主液壓油缸的壓裝力的大小，通過(guò)液壓站的溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在左右水平方向布置的左/右堵碗的兩個(gè)壓裝油缸布置了兩個(gè)限位感應(yīng)開(kāi)關(guān)，確認(rèn)各個(gè)動(dòng)作是否到位，當(dāng)出現(xiàn)異常不能到位時(shí)，傳感器指示燈沒(méi)有點(diǎn)亮，機(jī)床報(bào)警并停止工作，防止出現(xiàn)零件在夾具上安裝位置不正確，程序繼續(xù)動(dòng)作出現(xiàn)安全或質(zhì)量事故。壓裝堵碗的壓裝油缸和支撐油缸的工進(jìn)速度和快退速度，可以通過(guò)相應(yīng)的單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)，其工作壓力可通過(guò)相應(yīng)的減壓閥調(diào)節(jié)。為保證整個(gè)液壓系統(tǒng)液壓油的清潔度，在液壓站的回油路上設(shè)置了帶簧單向閥精過(guò)濾器，可將液壓系統(tǒng)工作過(guò)的液壓油進(jìn)行精密過(guò)濾后，回流至油箱中，帶簧單向閥可以防止在精密過(guò)濾器濾芯堵塞后，油液通過(guò)能力受到影響時(shí)打開(kāi)，系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)依然可以正常工作。為防止液壓泵過(guò)載，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)溫度升高，系統(tǒng)設(shè)置了熱保護(hù)器，當(dāng)出現(xiàn)液壓油溫度異常時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并停止工作，此時(shí)需要檢查液壓泵入口是否有異物堵塞，回油精密濾芯是否堵塞等。為消除系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的液壓振動(dòng)和沖擊，在系統(tǒng)主油路設(shè)計(jì)了蓄能器，可減輕液壓系統(tǒng)的液壓泵的工作負(fù)荷，使液壓泵連續(xù)工作變?yōu)殚g歇工作，減少能源消耗，避免油溫升高，提高整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。液壓站的油箱容積設(shè)計(jì)為100L，其散熱設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷方式，控制其總體使用成本，專(zhuān)機(jī)設(shè)備經(jīng)過(guò)約2年24 h不停機(jī)運(yùn)行，油溫沒(méi)有出現(xiàn)異常升高的情況，證明設(shè)備整個(gè)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是滿足設(shè)備使用要求的。油底殼壓裝機(jī)液壓/氣動(dòng)控制工作原理圖見(jiàn)圖4。

2.3 壓裝專(zhuān)機(jī)和夾具的工作原理和特點(diǎn)

將油底殼零件按要求裝入壓裝夾具，為保證零件定位孔可以準(zhǔn)確快捷地與夾具上的定位銷(xiāo)定位，在夾具上設(shè)置了防錯(cuò)限位塊，防止零件未按設(shè)計(jì)要求裝入夾具，造成零件報(bào)廢和專(zhuān)機(jī)損壞的情況的發(fā)生。零件安裝完成后，將配件過(guò)濾網(wǎng)裝入油底殼零件φ59 mm孔內(nèi)，配件過(guò)濾網(wǎng)蓋裝入專(zhuān)機(jī)上部油缸壓裝組件的壓裝孔內(nèi)，壓裝孔內(nèi)設(shè)置了磁性裝置防止從上部脫落，壓裝孔內(nèi)同時(shí)也設(shè)置了過(guò)濾網(wǎng)蓋方向防錯(cuò)裝置，保證了過(guò)濾網(wǎng)蓋配件壓裝位置和方向，然后將左/右堵碗分別裝入壓裝組件壓頭上。

雙手操作啟動(dòng)電源按鈕，啟動(dòng)自動(dòng)壓裝程序。為保證員工操作的安全性，專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)了必須雙手操作才能啟動(dòng)的電源按鈕，防止員工單手操作造成安全事故的情況的發(fā)生。另外，在專(zhuān)機(jī)工作的機(jī)架前方的位置，布置了安全光柵，保證專(zhuān)機(jī)在工作過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)物體阻斷安全光柵光線時(shí)，專(zhuān)機(jī)立即停止工作并發(fā)出警報(bào)，避免專(zhuān)機(jī)操作員工工作中可能出現(xiàn)的安全事故。

壓裝夾具工作原理:壓裝夾具內(nèi)的左堵碗支撐組件鎖緊氣缸上升，推動(dòng)斜鍥左向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件壓裝左堵碗部位剛性的加強(qiáng)，然后右堵碗/過(guò)濾網(wǎng)蓋支撐組件鎖緊汽缸移動(dòng)，推動(dòng)斜鍥支柱上升，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件壓裝過(guò)濾網(wǎng)蓋和右堵碗部位剛性的加強(qiáng)，完成零件定位裝夾到位。為檢測(cè)壓裝夾具內(nèi)氣缸工作的位置是否到位，在氣缸上布置了傳感器，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備停止工作并報(bào)警，避免出現(xiàn)斜鍥支撐不到位，導(dǎo)致零件壓裝變形，出現(xiàn)批量廢品。斜鍥支撐可在壓裝程序完成氣缸回復(fù)初始狀態(tài)，其支撐力消失后，在彈簧的作用下回復(fù)原位。在兩個(gè)斜鍥支柱側(cè)面設(shè)計(jì)了導(dǎo)向，避免兩個(gè)斜鍥之間在相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)接觸不良的故障。在零件與壓裝夾具接觸的工作面上，均勻布置設(shè)計(jì)安裝了氣檢裝置，當(dāng)零件安裝位置不正確時(shí)，零件與壓裝夾具接觸的工作面沒(méi)有貼合時(shí)，氣動(dòng)壓力傳感器檢測(cè)不到氣體壓力信號(hào)，程序?qū)o(wú)法啟動(dòng)工作，杜絕了操作工的失誤操作所造成的損失。

主液壓油缸下降到位，完成過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝。過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝組件與主液壓油缸采用矩形彈簧浮動(dòng)柔性連接，補(bǔ)償油底殼零件φ59 mm壓裝孔與專(zhuān)機(jī)過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝配件的位置誤差，并在主液壓油缸底部設(shè)計(jì)了尼龍的緩沖墊，保證過(guò)濾網(wǎng)蓋軸向可靠地壓裝到位后，尼龍的緩沖墊將主液壓油缸的壓力作用于零件上平面，將零件可靠地固定在壓裝夾具上，可靠保證水平方向的左/右堵碗壓裝油缸和支撐油缸完成配件左/右堵碗的壓裝程序。主液壓油缸以及堵碗壓裝液壓油缸的導(dǎo)向柱導(dǎo)套采用了內(nèi)襯青銅材料，兩端堵蓋羊毛氈密封的滑動(dòng)導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑采用油杯注入油脂潤(rùn)滑，兩端羊毛氈密封，使外部的灰塵雜質(zhì)不會(huì)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)副表面，導(dǎo)向柱表面鍍硬鉻，此導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)廣泛地應(yīng)用在低速頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向精度要求不高的各類(lèi)專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)中。液壓油缸后部的螺紋調(diào)節(jié)套可以比較精確地進(jìn)行調(diào)節(jié)配件的壓裝深度，并可用螺母緊固鎖緊螺紋調(diào)節(jié)套，防止工作過(guò)程中產(chǎn)生軸向位置變化。采用液壓缸與導(dǎo)向套組合的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，具有制作維護(hù)成本低，使用可靠的特點(diǎn)。對(duì)于需要運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和導(dǎo)向要求高的專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)，通常采用伺服電機(jī)滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組合的結(jié)構(gòu)，所不同的是成本高一些。

3 生產(chǎn)加工過(guò)程中的遇到的問(wèn)題及后續(xù)專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

第一臺(tái)壓裝專(zhuān)機(jī)投入試制生產(chǎn)使用過(guò)程一段時(shí)間后，陸續(xù)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)壓裝完成后，主油缸回退上升離開(kāi)零件后，出現(xiàn)一聲“噠”的聲響，經(jīng)分析，是過(guò)濾網(wǎng)蓋壓入零件后，配件存在一定回彈，過(guò)濾網(wǎng)蓋配件包緊專(zhuān)機(jī)過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝頭，壓裝頭與配件分離過(guò)程中，導(dǎo)致壓裝頭帶起零件脫離夾具定位大面一定距離后才分離所造成的。此現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品的安全和質(zhì)量存在一定的隱患和影響，需要采取措施消除。(2)由于零件年需求量比較大，根據(jù)壓裝節(jié)拍要求需要3臺(tái)才可滿足產(chǎn)量要求?？紤]到提高效率和降低人工成本，對(duì)現(xiàn)有的壓裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)解決壓裝頭與配件分離的異響問(wèn)題，能否將壓鉚工序的壓鉚機(jī)(本文沒(méi)有闡述)也一同合并在壓裝工序的壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)中。

經(jīng)過(guò)技術(shù)和質(zhì)量的全面評(píng)估，對(duì)現(xiàn)有壓裝設(shè)備和壓裝工藝進(jìn)行了深入的分析，壓裝工序壓鉚工序合并是可行的，只需修改主液壓油缸的過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝組件，將過(guò)濾網(wǎng)蓋壓鉚工藝的功能合并即可，圖5是設(shè)計(jì)優(yōu)化后的過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝/壓鉚一體組件的局部設(shè)計(jì)圖。圖6是優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)的油底殼壓裝/壓鉚一體機(jī)工作實(shí)物圖片。

壓裝/壓鉚一體組件的工作原理如下:壓裝壓鉚轉(zhuǎn)換氣缸向左推出轉(zhuǎn)換塊，切入主液壓油缸的壓塊和壓裝頭壓塊之間，主液壓油缸向下運(yùn)動(dòng)，壓裝/壓鉚一體機(jī)完成過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝后，側(cè)面水平油缸左右堵碗完成壓裝，主液壓油缸向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)壓鉚轉(zhuǎn)換氣缸完成向右拉出轉(zhuǎn)換塊，主液壓油缸向上運(yùn)動(dòng)到位后重復(fù)向下運(yùn)動(dòng)，主液壓油缸的壓塊和壓裝頭壓塊之間距離變小，壓裝頭遇到物體可以縮入，組件繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，8個(gè)壓鉚頭接觸零件，實(shí)現(xiàn)壓鉚工藝后，主液壓油缸組件回退。然后側(cè)面左右堵碗水平壓裝及支撐油缸回退，其余運(yùn)動(dòng)程序不變。由于主液壓油缸向上回退運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，左右堵碗水平壓裝及支撐油缸處于壓裝受力狀態(tài)，解決了過(guò)濾網(wǎng)蓋配件包緊專(zhuān)機(jī)過(guò)濾網(wǎng)蓋壓裝頭，而導(dǎo)致的壓裝頭與配件分離過(guò)程中，出現(xiàn)的壓裝頭將零件帶起脫離壓裝夾具定位面的現(xiàn)象，消除了由此而產(chǎn)生的安全和質(zhì)量的隱患。

生產(chǎn)加工過(guò)程中需要注意的問(wèn)題:由于油底殼產(chǎn)品年需求量比較大，對(duì)壓裝過(guò)程質(zhì)量的可靠性、壓裝工作效率、使用過(guò)程中的安全性、員工操作的方便性，都提出了比較高的技術(shù)要求，因此專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)了比較多的傳感器，檢測(cè)設(shè)備各個(gè)程序的工作是否到位，在設(shè)備的控制器面板上設(shè)置了相關(guān)的運(yùn)行指示燈，可顯示相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，方便觀察。專(zhuān)機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的工作模式，自動(dòng)模式用于日常生產(chǎn)，手動(dòng)模式用于調(diào)試和修理，以適應(yīng)不同工況運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備報(bào)警停止運(yùn)行，控制器面板相應(yīng)指示燈報(bào)警顯示。因此，當(dāng)專(zhuān)機(jī)在使用過(guò)程中，出現(xiàn)停機(jī)報(bào)警時(shí)，需要找出報(bào)警原因并解除故障，設(shè)備方可繼續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)的壓裝/壓鉚一體機(jī)，已投入生產(chǎn)經(jīng)過(guò)約一年的使用和驗(yàn)證，圓滿地實(shí)現(xiàn)了將壓裝壓鉚工藝合并的設(shè)計(jì)目標(biāo)，解決了使用過(guò)程中壓裝頭與配件分離的異響問(wèn)題，零件通過(guò)一次裝夾就實(shí)現(xiàn)了完成兩道工序的內(nèi)容，工作效率得到了有效提高，降低了成本，證明優(yōu)化后的壓裝/壓鉚一體機(jī)的方案是成功的，對(duì)后續(xù)相關(guān)的專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

［1］徐國(guó)慶，徐飛躍，曾超鋒.發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼數(shù)控加工工藝分析［J］.機(jī)械制造，2011(10).

［2］徐飛躍，徐國(guó)慶，周海軍，等.一種發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼加工工藝探討［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(10).

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.