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(yè)是國民經濟發(fā)展的支柱型產業(yè)，是顯示一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志，發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)達國家青睞。雖然我國在汽車發(fā)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(yè)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(fā)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(wěn)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(guī)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(tài)正確進入夾具。設備操作工位處應有工件正確安裝姿態(tài)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(tài)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(guī)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(jié)拍要求[8]，各工位所用刀具數量及生產節(jié)拍分別如表2所示。

表2 各工位生產節(jié)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(xù)表

續(xù)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(jié)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(huán)節(jié)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(fā)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(huán)節(jié)，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(jié)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(guī)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(fā)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(fā)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。