EP6發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋全自動(dòng)密封測(cè)試設(shè)備的研發(fā)

胡曉峰， 邱欣華

(湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院股份公司， 湖北 武漢 430070)

EP6發(fā)動(dòng)機(jī)是PSA(法國標(biāo)致雪鐵龍)和BMW(德國寶馬汽車)合作研發(fā)的TGDI/TVDI(Turbo Gasoline Direct-Injection 渦輪增壓缸內(nèi)燃油直噴，TVDI雙渦道渦輪增壓可變氣門燃油直噴)發(fā)動(dòng)機(jī)。TGDI/TVDI發(fā)動(dòng)機(jī)仿照柴油直噴技術(shù)，具有動(dòng)力性強(qiáng)、燃油經(jīng)濟(jì)性好、排放污染物低等特點(diǎn)。缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)總成最復(fù)雜的零部件，選用6061鋁材精密壓鑄而成。氣門、增壓器、真空泵、進(jìn)排氣口等均裝配于缸蓋上。缸蓋6個(gè)面全是由大小不一、空間角度各異、大孔套小孔、異形孔、盲孔、交叉貫穿孔及異形曲面等構(gòu)成。這些孔組及曲面將缸蓋隔分成水道腔、高壓油道腔、低壓油道腔等。

缸蓋的機(jī)械加工線主要由加工中心、專機(jī)設(shè)備及輸送輥道等組成。中間密封測(cè)試機(jī)就是其中一臺(tái)不可或缺的密封檢測(cè)設(shè)備。缸蓋的水道、高低壓油道各孔面機(jī)加工完成后，在對(duì)缸蓋進(jìn)行壓裝、部裝之前，工藝要求對(duì)缸蓋的水道腔、高壓油道腔、低壓油道腔進(jìn)行密封檢測(cè)，主要目的是為了防止出現(xiàn)毛坯致密缺陷、砂孔、裂紋及加工過程中不該貫穿孔相通，導(dǎo)致獨(dú)立的水道、高壓油道、低壓油道的泄漏和互竄，及時(shí)剔除不合格的半完工狀態(tài)的缸蓋，以免其流入后續(xù)工序到達(dá)總成時(shí)造成更大的成本損失[1]。

1 設(shè)備的工藝要求

缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線設(shè)備節(jié)拍為78 s，中間密封測(cè)試設(shè)備是缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線上全自動(dòng)專機(jī)設(shè)備，正常工作時(shí)無人看管。設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)要求見表1。

表1 設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目要求

2 密封測(cè)試方案

2.1 密封測(cè)試原理

缸蓋的密封測(cè)試采取干式密封測(cè)試。其主要原理是：將產(chǎn)品密閉空間定時(shí)t1時(shí)間充入一定壓力的壓縮空氣，達(dá)到一定壓力值Pa，保壓一定時(shí)間t2，檢測(cè)一定時(shí)間t3，通過干式泄漏儀檢測(cè)密閉空間中壓力空氣的壓力變化量ΔP。將ΔP換算成檢測(cè)壓力空氣產(chǎn)生的泄漏流量Q，依據(jù)泄漏量值與工藝設(shè)定的最大量值Q*比較，判斷該產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)泄漏量是否合格。

干式密封檢測(cè)時(shí)充氣的曲線描述了測(cè)試過程(圖1)。整個(gè)檢測(cè)過程分成4個(gè)階段。系統(tǒng)按一定壓力往待檢測(cè)的密閉容器中充氣，待氣壓在密閉空間中穩(wěn)定一段時(shí)間后，關(guān)閉充氣閥，測(cè)試一段時(shí)間后封閉空間的壓力損失。測(cè)試完畢后，打開排氣閥排出密閉空間中的測(cè)試氣體。

圖 1 密封測(cè)試充氣過程

對(duì)于大容器的檢測(cè)，要求充氣、保壓時(shí)間較長(zhǎng)，以待閉容器中的氣體產(chǎn)生亂流穩(wěn)定。要想測(cè)試的泄漏值越準(zhǔn)確，耗費(fèi)的節(jié)拍時(shí)間越長(zhǎng)，因此盡量減小密封容器充氣體積，縮短穩(wěn)定時(shí)間，從而提高檢測(cè)效率[2]。

2.2 壓力損失與泄漏流量的換算

在密封測(cè)試中，壓力損失也可以用流量泄漏量表示，以滿足上述檢測(cè)工藝要求。由玻-馬定律可知，在一定的溫度下氣體的壓力與體積的積是一定的。根據(jù)理想氣體狀態(tài)平衡方程和熱力學(xué)原理，可推出泄漏量和壓力差之間的關(guān)系式為:

式中：Q為泄露流量值；Ve為密封測(cè)試空間的體積；ΔP為測(cè)試壓降；t為測(cè)試時(shí)間。

建立密封測(cè)試系統(tǒng)，必須保證系統(tǒng)零泄漏。首先測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)工件，系統(tǒng)配備標(biāo)準(zhǔn)泄漏流量頭進(jìn)行密封測(cè)試。通過上式的變換，可以計(jì)算出測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)工件的容積，并將所測(cè)容積數(shù)據(jù)寫入泄漏儀儀表參數(shù)中。正常工作時(shí)儀表就可根據(jù)上述公式自動(dòng)得出工件泄漏量值。

本設(shè)備高壓腔的測(cè)試體積為135 mL，低壓油道和水道的測(cè)試容積在輔助填充物后，測(cè)試體積為4500 mL。

2.3 密封測(cè)試氣路

為滿足生產(chǎn)線節(jié)拍要求，選用2臺(tái)法國ATEQ公司F520泄漏量?jī)x同時(shí)工作，分別用于檢測(cè)高壓油道腔、低壓油道腔和水道腔的密封測(cè)試。高壓油道腔密封測(cè)試進(jìn)氣口選擇缸蓋3401孔，低壓腔測(cè)試的進(jìn)氣選用缸蓋2K面作為進(jìn)氣口。測(cè)試氣路原理如圖2所示。

圖 2 EP6缸蓋密封測(cè)試氣動(dòng)原理

在設(shè)備的總進(jìn)氣端設(shè)置干燥器和過濾器，保證設(shè)備使用清潔、干燥氣源。為消除設(shè)備中其他氣動(dòng)元器件的工作影響，保證測(cè)試氣源的壓力穩(wěn)定，在測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)氣罐為密封測(cè)試供氣。為確保泄漏量?jī)x的安全使用，在儀器進(jìn)氣端安裝5 μm和0.01 μm雙過濾器。選用精密零泄漏氣控截止閥用作工件檢測(cè)充氣、檢測(cè)完畢工件排氣控制閥，以免工件在檢測(cè)完畢排氣時(shí)，被檢測(cè)工件內(nèi)的含雜質(zhì)氣體倒吸入精密泄漏儀內(nèi)而造成泄露儀損壞[2]。

2.4 密封測(cè)試容積的建立

密封測(cè)試容積的建立是指根據(jù)缸蓋的功能結(jié)構(gòu)，利用輔助工裝對(duì)缸蓋產(chǎn)品的高壓通道、低壓通道、水道進(jìn)行封堵，最終形成的待檢測(cè)的密閉容腔。

如何高效封堵是設(shè)備的關(guān)鍵。根據(jù)檢測(cè)工藝，高壓通道的密封檢測(cè)要求較低壓檢測(cè)要求高，而低壓通道和水道的檢測(cè)要求一致。因此可以考慮先封堵建立高壓容腔進(jìn)行密封泄漏檢測(cè)，通過了高壓密封檢測(cè)后，檢測(cè)低壓腔時(shí)不必考慮專門把高壓腔隔開，可以將缸蓋低壓通道和水道及高壓通道部分封堵成一個(gè)低壓容腔進(jìn)行檢測(cè)。這樣可以簡(jiǎn)化低壓腔建立時(shí)封堵的復(fù)雜性，也保證了封堵的可靠性[3]。

熟悉了解缸蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是高效完成密封測(cè)試容積建立的前提基礎(chǔ)。缸蓋底面是與缸體連接組成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，稱為1K面；缸蓋上面安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣裝置及發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋等，稱為2K面；周邊4個(gè)面分別稱之為3K面，4K面，5K面及6K面。

缸蓋上每個(gè)面上的孔均由數(shù)字表示，如1005/1006孔，指的就是1K面上2個(gè)孔。根據(jù)缸蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)的資料顯示，該孔可用作缸蓋工藝定位孔。本設(shè)備中就是選用1005/1006和1K面作為缸蓋產(chǎn)品一面兩銷的定位方式[4]。

3 設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行

設(shè)備在生產(chǎn)線上的位置及布局[5]如圖3所示。

1-來料輥道；2-等待測(cè)溫工位；3-托盤等待工位；4-打標(biāo)工位；5-設(shè)備主體；6-高壓密封測(cè)試工位；7-低壓密封測(cè)試工位；8-伺服旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；9-人工轉(zhuǎn)料小車；10-返修輥道；11-轉(zhuǎn)臺(tái)；12-排料輥道圖 3 密封測(cè)試設(shè)備生產(chǎn)線平面布置

缸蓋通過一面兩銷方式置于托盤，托盤沿來料輥道輸送至等待測(cè)溫工位。符合溫度設(shè)定的工件隨托盤輸送至托盤等待工位，機(jī)械手自動(dòng)將托盤等待工位上面的工件搬運(yùn)至旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的上下料工位處。

伺服旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，分別在密封測(cè)試工位上進(jìn)行高、低壓密封測(cè)試。通過高、低壓測(cè)試工位檢測(cè)后的工件，通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的上下料工位處，機(jī)械手將其自動(dòng)抓入輥道托盤等待工位的空托盤上。

檢測(cè)合格產(chǎn)品由托盤沿輸送輥道輸送至打標(biāo)工位打印標(biāo)識(shí)。再通過轉(zhuǎn)臺(tái)與排料輥道對(duì)接并輸送至下一生產(chǎn)線工位。檢測(cè)不合格的工件，通過調(diào)整回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)與返修輥道對(duì)接，并通過銜接小車運(yùn)送至人工檢測(cè)平臺(tái)。

4 設(shè)備的組成及結(jié)構(gòu)

4.1 設(shè)備的組成

測(cè)試設(shè)備是整個(gè)密封測(cè)試實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的關(guān)鍵。設(shè)備的整體尺寸：長(zhǎng)3320 mm、寬2850 mm、高2440 mm。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-設(shè)備上機(jī)架； 2-移載機(jī)提升氣缸； 3-移載機(jī)夾緊氣缸； 4-移載機(jī)夾具； 5-移載機(jī)移位氣缸； 6-伺服旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；7-1K面封堵板； 8-舉升機(jī)構(gòu)； 9-高壓測(cè)試工位； 10-輸送輥道； 11-設(shè)備防護(hù)網(wǎng)； 12-設(shè)備底座圖 4 密封測(cè)試設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)

設(shè)備主要由移載機(jī)械手、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、高壓油道密封檢測(cè)工位、低壓油道密封檢測(cè)工位、舉升封堵裝置、上頂架、下底架、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、密封試驗(yàn)儀、操作盤、防護(hù)網(wǎng)等部件組成?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行如圖5所示。

圖 5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行

4.2 移載機(jī)械手

移載機(jī)械手主要功能是將從輸送輥道上托盤等待工位的缸蓋移載到伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的待檢工位，或者將檢測(cè)完成的工件從伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上搬運(yùn)至輥道上托盤等待工位的空托盤上(見圖4中2，3，4，5描述)[5]。機(jī)械手主要由左(右)夾臂、夾爪、夾緊氣缸、上下移動(dòng)鎖緊氣缸、水平移動(dòng)氣缸、導(dǎo)軌及限位機(jī)構(gòu)等組成。

4.3 舉升封堵裝置和測(cè)試工位

舉升封堵裝置安裝在低壓工位和高壓測(cè)試工位上，測(cè)試時(shí)通過過渡封堵板將工件自下而上頂起，同時(shí)完成了缸蓋1K面和2K面的封堵。2K面的封堵裝置固定安裝在設(shè)備頂部，根據(jù)高壓檢測(cè)和低壓檢測(cè)的不同要求設(shè)置封堵。舉升封堵裝置如圖4中7、8所示：舉升封堵裝置主要由油缸、支架、導(dǎo)向裝置、舉升板、封堵板等組成。

缸蓋產(chǎn)品的3K、4K、5K、6K面封堵固定安裝在頂部。當(dāng)舉升機(jī)構(gòu)將工件舉升，滿足1K面和2K面的封堵后，四周的封堵機(jī)構(gòu)通過封堵氣缸將相關(guān)的孔封堵。

伺服旋轉(zhuǎn)臺(tái)有4個(gè)工作位置(即上下料位置、高壓檢測(cè)位置、緩沖位置、低壓檢測(cè)位置)，均勻分布轉(zhuǎn)盤上。1K面封堵板通過一面兩銷的方式分別與伺服旋轉(zhuǎn)臺(tái)及缸蓋產(chǎn)品的1K面定位放置。在封堵板與缸蓋1K面接觸面上鑲嵌有密封條，1K面的封堵板將缸蓋的高壓油道和低壓油道分開。1K面封堵底板如圖6所示。

1-封堵板定位孔; 2-缸蓋定位銷;3-油道封堵條;4-水道封堵條圖 6 1K面過渡封堵板

4.4 主要封堵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

封堵采取線性密封的方式，即封堵材料與封堵要素之間的接觸盡量避免大面積的接觸，而是采取線接觸的方式。封堵材料選用聚氨酯，通過封堵的形狀設(shè)計(jì)，采用專用模具加工，通過配方控制密封件硬度為邵氏硬度HS 40～45(圖7)。

圖 7 密封件外形

封堵密封件必須與封堵桿牢固結(jié)合，采取安裝倒錐的方式擠入封堵桿的安裝孔中(圖7)。根據(jù)封堵孔的大小和測(cè)試氣壓，計(jì)算封堵需要的封堵力，從而決定封堵力的大小。封堵裝置的進(jìn)給選用氣缸，氣缸將封堵裝置運(yùn)送至封堵孔附近，封堵力的大小由壓縮彈簧提供，通過計(jì)算選擇合適的封堵彈簧，充分保證封堵密封件的壽命和封堵的可靠性。

根據(jù)封堵孔的形式有平面封堵、孔的內(nèi)徑漲堵及組合形式封堵。

圖8中封堵6K面6301和6601是2個(gè)同軸的階梯孔，在6301的孔壁上有一斜孔通入高壓腔，因此方案選在6301孔端面和6601孔壁進(jìn)行封堵隔離。

1-封堵座底板; 2-彈簧; 3-銷軸; 4-端面封堵件;5-斜孔; 6-漲堵芯軸; 7-封堵端面; 8-漲堵件圖 8 端堵和漲堵的組合形式

整個(gè)封堵裝置由油缸推向缸蓋6K面封堵處。當(dāng)平面封堵圈接觸孔6301的端面時(shí)，封堵裝置壓縮彈簧對(duì)6301的平面進(jìn)行封堵，并通過銷軸帶動(dòng)漲堵圈前的漲堵芯軸，漲堵芯軸擠壓漲堵圈，從而將6601的孔沿圓周封堵[6]。

4.5 調(diào)試

設(shè)備的調(diào)試主要是機(jī)械動(dòng)作、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備安全可靠調(diào)試及封堵裝置可靠性等諸多方面調(diào)試。密封檢測(cè)設(shè)備的能力認(rèn)可通常是用CMC(測(cè)量設(shè)備能力系數(shù))來描述，它直接決定設(shè)備能否用于正常生產(chǎn)。

CMC是評(píng)價(jià)密封測(cè)量和檢測(cè)設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、總的測(cè)量誤差等性能參數(shù)，包含了所有由于測(cè)量程序、設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)施、要測(cè)量的零件以及所采用的校準(zhǔn)方法所產(chǎn)生的誤差。

CMC評(píng)估包括準(zhǔn)確性評(píng)估和重復(fù)型評(píng)估，根據(jù)CMC評(píng)估方法選擇一定數(shù)量的具有特定特性的工件在設(shè)備上進(jìn)行測(cè)量。具體操作為：首先用零泄露工件在設(shè)備上獨(dú)立測(cè)量10組數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)備測(cè)量的重復(fù)性。在重復(fù)性滿足要求的前提下，選擇泄漏量分別為0.8，1，1.2倍標(biāo)準(zhǔn)泄漏量的工件分別獨(dú)立測(cè)試10組數(shù)據(jù)。根據(jù)這10組數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)偏差，評(píng)估重復(fù)性，最后計(jì)算綜合性能系數(shù)CMC值[7]。

本設(shè)備中高壓密封的CMC值為5.23，低壓密封測(cè)量的CMC值為6.1，均滿足工藝對(duì)設(shè)備CMC≥4的要求。該設(shè)備已在某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠缸蓋生產(chǎn)線投入生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)使用情況表明設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。