發(fā)動機端蓋類零件工藝裝備設計與數(shù)控加工

李建國

（天津廣播電視大學寧河分校，天津 301500）

汽車制造等領域中，發(fā)動機的設計及加工極為復雜。端蓋以鋁合金等材料為主，是發(fā)動機的重要部件，其設計及加工精度直接影響發(fā)動機的性能[1]。國內相關企業(yè)加工發(fā)動機端蓋時，一般采用兩次裝夾的工藝，可能導致出現(xiàn)不合規(guī)定的定位誤差，且加工步驟較煩瑣。加工精度與技術人員的水平關聯(lián)性很強，工人勞動強度較高，加工效率一般，無法使企業(yè)獲得更好的效益。因此，許多企業(yè)在大批量生產相關零件的同時，積極增加數(shù)控機床的占比，而部分關鍵工序依然在加工中心加工，增加了產品加工的可變性，提升了生產效率和加工精度[2]。隨著我國制造業(yè)進入新的發(fā)展階段，汽車等產品的生產與銷售量逐年增加，汽車等領域的企業(yè)對發(fā)動機端蓋等零件的設計與加工提出了更高的要求。發(fā)動機端蓋作為相關產品制造的重要一環(huán)，提高其設計的合理性和加工精度與效率，已成為當前相關企業(yè)亟待解決的技術問題?；谶@一歷史背景和相關行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，結合發(fā)動機端蓋的自身結構特點，以提升該類零件設計及加工的質量和效率為目標，研究如何進行合理、高效的裝備設計與零件加工工作[3]。

1 發(fā)動機端蓋類零件工藝裝備的設計研究

若企業(yè)采用柔性的零件生產模式，其加工的工序需使用專用的夾具，才能實現(xiàn)不同結構的切削，如鉆床用于鉆削等加工流程。但是，夾具的結構一般較復雜，且加工過程中多次裝夾對加工精度的影響較大。這一加工模式受人為和刀具等影響，對產品質量將產生負面影響，影響產品合格率[4]。針對這一問題，許多企業(yè)結合自身的技術情況及社會要求，嘗試革新自身的生產模式，通過剛柔結合的生產模式加工發(fā)動機端蓋等零件，如使用加工中心加工T型螺紋等零件，并設計一次裝夾多孔加工等更高效的工藝方案及相應的工藝裝備，以提升生產效率，保證產品合格率，降低工人的勞動強度。

以加工中心機床為方向，設計端蓋類零件的加工工藝裝備。例如，為了實現(xiàn)一次裝夾多孔加工及自動分度與定位功能（T系列），將鉆床上完成的部分加工工作集中到加工中心完成，在提升效率的同時，保證加工精度[5]。這種設計需要在設計相對集中的方案的同時，在加工中心上加配數(shù)控銑床，設計并使用合理的夾具裝備。如圖1所示，通過氣動夾具可實現(xiàn)可調節(jié)的氣動夾緊功能。工件與工裝面配合裝夾，平面度定位與徑向定位及其校正較為快捷，可實現(xiàn)精準定位和快捷裝夾。這在保證這一零件生產關鍵環(huán)節(jié)加工精度的同時，減少了裝卸等輔助工作，降低了員工勞作強度，提升了加工效率。

圖1 氣動夾具裝備

氣動夾具的主要工作是在一定精度范圍內定位與夾緊工件。端蓋類零件的加工根據(jù)具體需要，可采用通用、專用、可調、組合以及自動線等不同類型的夾具。為提升定位精度和輔助加工中心高效加工，一般需要設計專用夾具。特別是端蓋類工件的開孔、螺紋孔等加工工序，應結合加工要求專門設計夾具。夾具裝備一般包含底座、支座、氣缸、壓緊塊、壓板以及定位塊等結構。底座通過螺釘與機床工作臺穩(wěn)固連接，并通過支座與上部結構相連接。氣缸、定位板和壓板等部件通過螺栓與裝備主體相連。

此類夾具裝備通過氣缸帶動壓板等部件實現(xiàn)夾緊與松開。使用時，首先將夾具裝備與加工機床穩(wěn)固連接，并進行水平方向的調整，保證夾具各結構的水平面處于完全水平狀態(tài)。首件加工時，氣缸根據(jù)設計的行程通過推動伸縮軸，將工件放置在夾具上，然后通過相應結構準確定位工件和加工位置。其次，壓板等結構在氣缸的帶動下按一定行程夾緊工件。最后，數(shù)控機床進行相應加工。加工結束后，氣缸推動伸縮軸使壓板松開工件。更換工件后不需要重復校準平面，只需按順序裝卸工件和加工工件即可。

2 發(fā)動機端蓋類零件的數(shù)控加工

發(fā)動機端蓋零件以鋁合金為主要材料，一般具有薄壁、受力易變形等特點，如圖2所示。發(fā)動機端蓋零件的結構復雜，各結構的精度將影響發(fā)動機氣密性等特性，因此其加工精度等要求更高。以汽車發(fā)動機為例，每種型號的發(fā)動機都精密設計了端蓋的形位，對各結構的圓度、同軸度、位置度以及垂直度等也提出了高精度要求。但是，實際加工時，工件受夾持后存在彈性變形。工件外圓耳部等結構常采用斷續(xù)切削的方式，刀具切入部位的改變可能使加工部位出現(xiàn)切削紋，加上彈性變形等因素，可能使工件的平面度、圓度以及內孔同軸度等超出設計的誤差范圍，因此需要優(yōu)化加工方案及具體的加工工藝。

圖2 某汽車發(fā)動機端蓋

以往采用普通車床對發(fā)動機端蓋進行加工時，在車床上用三爪卡盤等設備夾持外圓，依次加工內孔、內孔端面和端面槽，然后是二次裝卡、撐工件內孔和再加工端蓋各爪的端面、外圓與外圓端面及徑向槽。這一加工方案需要兩次裝夾，不僅增加了加工時間，還因二次夾持變形、定位誤差和運輸磕碰等因素導致工件存在加工精度不達標的問題，同時復雜的加工工序降低了加工效率。

首先，需要優(yōu)化加工方案。不同的加工設備直接影響加工方案的制定。為提升效率，可將普通車床換為專用的數(shù)控機床。企業(yè)可采購新型的全套數(shù)控設備，或在原有的機床結構上，根據(jù)端蓋結構和生產要求進行改進，采用雙層導軌的運動系統(tǒng)，方便刀架的移動和更換。專用夾具可采用設計的氣動專用夾具。壓緊結構與機床導軌同步移動，接近工件后壓緊工件，按照預設切削旋轉工件等。整個過程快進、工進、快退、傳動及定位精度高，提高了加工效率。

其次，需要設計專用的夾具。除了設計的氣動夾具，也可嘗試設計摩擦驅動的裝夾設備。相比夾持驅動的方式，可大幅降低夾持變形等因素帶來的負面影響。摩擦驅動的夾具設備，以多個定位爪實現(xiàn)定位。多個浮動支撐點實現(xiàn)柔性支撐，保證工件被裝夾時牢固可靠。夾具上在端蓋各爪部位設計靈活的浮動支撐點，以保證工件斷續(xù)車削時各孔洞及斷面的加工精度。

最后，優(yōu)化加工步驟也是改良加工工藝的重要途徑。使用專用的數(shù)控機床與夾具，可實現(xiàn)高效的一次裝夾和精準加工發(fā)動機端蓋零件的內孔及端面等，同時鉆孔等工藝也可一并進行。為提升相關裝備的自動化程度，需要考慮今后自動線接入等需求，在結構設計中預留充足的空間。加工順序可調整為先粗加工端蓋爪的端面、外圓、外圓端面、內孔、內孔端面、徑向槽和端面槽，后進行端面鉆孔等操作，最后精加工端蓋的端面、外圓、外圓端面、內孔、內孔端面、徑向槽和端面槽。相比需要二次裝夾的加工方案，此方案加工步驟簡約，節(jié)省了二次裝卡的時間，提升了端蓋加工的精度，還可使用多頭鉆電機、伺服動力刀座等裝備，實現(xiàn)一次多孔攻鉆和加工，進一步節(jié)約了加工時間。

3 結語

通過分析發(fā)動機端蓋零件的結構、傳統(tǒng)加工工藝及相應設備，在指出部分不足的同時，針對性探究了端蓋類零件加工裝備的設計及數(shù)控加工過程，同時探究了氣動夾具、摩擦驅動夾具的設計和加工原理以及數(shù)控加工的方案和步驟等，具有一定的參考和應用價值，擺脫了端蓋加工的傳統(tǒng)工藝模式，減小了原有方案中人員技術等因素的負面影響，提升了加工精度與效率。此外，相關人員在設計工作中應結合企業(yè)實際需求設計發(fā)動機端蓋加工相關的裝備，合理革新數(shù)控加工工藝。