發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和氣缸蓋加工生產(chǎn)線裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用

陳秋杰，祁小玲，丁澤，馬偉

濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261061

陳秋杰

1 序言

機(jī)體、氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，其生產(chǎn)線裝備投資大、周期長(zhǎng)，設(shè)備選擇要兼顧產(chǎn)品加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和運(yùn)維成本。先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是提高機(jī)體、氣缸蓋加工質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)線運(yùn)維成本的關(guān)鍵因素[1，2]。下面介紹發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋生產(chǎn)線裝備選擇總體原則，重點(diǎn)闡述機(jī)體缸孔、主軸承孔，氣缸蓋燃燒室面、導(dǎo)管座圈孔、凸輪軸孔加工裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用，以及機(jī)體、氣缸蓋生產(chǎn)線輔助裝備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。

2 生產(chǎn)線裝備選擇總體原則

早期的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線，以組合機(jī)床、組合機(jī)床自動(dòng)線為主。例如，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加工生產(chǎn)線，主要由12段組合機(jī)床自動(dòng)線組成；氣缸蓋加工生產(chǎn)線由7段組合機(jī)床自動(dòng)線組成。組合機(jī)床自動(dòng)線具有節(jié)拍短、效率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但加工內(nèi)容固定，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品改進(jìn)甚至更新?lián)Q代速度越來(lái)越快的實(shí)際需求[3]。

現(xiàn)在規(guī)劃?rùn)C(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線，裝備多采用加工中心+專用機(jī)床模式，其中加工中心占比應(yīng)達(dá)到60%以上，既能實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，基本滿足產(chǎn)品改進(jìn)及更新?lián)Q代需求，又能保證機(jī)體、氣缸蓋關(guān)鍵加工部位質(zhì)量及其穩(wěn)定性。例如，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體生產(chǎn)線主要由50多臺(tái)加工設(shè)備組成，其中加工中心30多臺(tái)，專用機(jī)床10多臺(tái)，加工中心占比71%；氣缸蓋加工生產(chǎn)線主要由40多臺(tái)設(shè)備組成，其中加工中心近30臺(tái)，專用機(jī)床10多臺(tái)，加工中心占比73%。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加工裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用

重點(diǎn)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體加工生產(chǎn)線專用機(jī)床先進(jìn)技術(shù)。機(jī)體加工專用機(jī)床主要用于部分粗加工，以及缸孔、主軸承孔精加工。

3.1 機(jī)體粗加工裝備

機(jī)體部分粗加工工序可采用轉(zhuǎn)臺(tái)式多動(dòng)力頭技術(shù)及應(yīng)用這種技術(shù)的專用機(jī)床，可在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)部位加工。例如：采用5個(gè)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)臺(tái)式專用機(jī)床，配合工件夾具伺服滑臺(tái)沿X軸移動(dòng)，可在1臺(tái)設(shè)備上、1個(gè)整線循環(huán)節(jié)拍內(nèi)完成粗鏜、半精鏜機(jī)體主軸承孔，銑主軸承孔兩側(cè)開檔面，銑卡瓦槽，鉆斜油孔等多個(gè)加工內(nèi)容，設(shè)備加工效率高、投入成本低且占地面積小，利于整線設(shè)備布局。轉(zhuǎn)臺(tái)式多動(dòng)力頭技術(shù)及應(yīng)用這種技術(shù)的專用機(jī)床，在氣缸蓋加工生產(chǎn)線上也有類似應(yīng)用。

3.2 機(jī)體精鏜缸孔裝備

機(jī)體精鏜缸孔加工工序多采用專用機(jī)床，一般布置2～3個(gè)鏜頭單元。采用機(jī)械手自動(dòng)更換缸孔鏜桿技術(shù)，在加工過程中可快速更換鏜桿。一方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)外調(diào)整刀具，加工工件、調(diào)整刀具同時(shí)進(jìn)行，調(diào)整刀具不占用加工時(shí)間，大大提高了設(shè)備利用率；另一方面更換不同結(jié)構(gòu)、直徑規(guī)格的鏜桿，可實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)、直徑規(guī)格的機(jī)體加工。機(jī)體精鏜缸孔機(jī)床方案如圖1所示。

圖1 機(jī)體精鏜缸孔機(jī)床方案

2～3個(gè)鏜頭單元之間間距采用液壓驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變距技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同缸心距機(jī)體加工。精鏜缸孔專用機(jī)床配置U軸+接觸式/非接觸式在線測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)缸孔孔徑在線測(cè)量與補(bǔ)償加工，保證缸孔加工質(zhì)量，提高缸孔鏜刀壽命及設(shè)備利用率。液壓驅(qū)動(dòng)變距鏜頭單元如圖2所示。

圖2 液壓驅(qū)動(dòng)變距鏜頭單元

機(jī)械手更換鏜桿、鏜頭單元自動(dòng)變距、在線測(cè)量與補(bǔ)償加工等技術(shù)應(yīng)用，保證了缸孔加工質(zhì)量穩(wěn)定，效率高、成本低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了專機(jī)柔性化，滿足了結(jié)構(gòu)相近的同系列、不同品種機(jī)體缸孔加工的需求。

3.3 機(jī)體精鏜主軸承孔裝備

機(jī)體精鏜主軸承孔工序多采用專用機(jī)床。根據(jù)主軸承孔加工精度要求，精鏜主軸承孔專用機(jī)床可采用U軸+接觸式/非接觸式在線測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸承孔孔徑在線測(cè)量與補(bǔ)償加工。以常見的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體為例，精鏜主軸承孔專用機(jī)床可配置2套U軸，其中1套U軸實(shí)現(xiàn)7個(gè)主軸承孔按統(tǒng)一的補(bǔ)償值進(jìn)行補(bǔ)償加工，另1套U軸實(shí)現(xiàn)止推面加工。帶U軸主軸承孔鏜桿方案如圖3所示，帶2套U軸的主軸承孔鏜床與鏜桿如圖4所示。

圖3 帶U軸主軸承孔鏜桿方案

圖4 帶2套U軸的主軸承孔鏜床與鏜桿

精鏜主軸承孔專用機(jī)床的直線鏜桿一般設(shè)置前端、中間和后端3個(gè)支撐，鏜桿與鏜頭采用浮動(dòng)聯(lián)接裝置進(jìn)行聯(lián)接。直線鏜桿3支撐結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 直線鏜桿3支撐結(jié)構(gòu)

在加工中心上采用直線鏜桿加工主軸承孔時(shí)，若機(jī)床、夾具精度足夠高，機(jī)床主軸、直線鏜桿之間也可采用硬聯(lián)接。采用硬聯(lián)接時(shí)，機(jī)體后端（齒輪室端）可不設(shè)置主軸承孔鏜桿支撐套，便于在加工中心上同時(shí)加工主軸承孔、齒輪室端銷孔等孔系，利于保證主軸承孔、齒輪室端銷孔等孔系相對(duì)位置精度。加工中心使用直線鏜桿時(shí)，配置直線鏜桿庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)鏜桿自動(dòng)存儲(chǔ)、加工區(qū)域外調(diào)整刀 具等。

4 加工氣缸蓋裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用

重點(diǎn)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋加工生產(chǎn)線專用機(jī)床先進(jìn)技術(shù)。氣缸蓋加工專用機(jī)床主要用于燃燒室面、導(dǎo)管座圈孔和凸輪軸孔加工等。

4.1 精銑氣缸蓋燃燒室面裝備

精銑氣缸蓋燃燒室面工序?qū)Ｓ脵C(jī)床應(yīng)采用剛性足夠高的主軸，以承受較大的刀盤質(zhì)量，保證銑削過程穩(wěn)定。以常見的9～13L發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋為例，精銑燃燒室面專用機(jī)床主軸前端軸承直徑一般為200mm，可采用直徑為400mm的精銑刀盤一次走刀完成燃燒室面加工。

根據(jù)實(shí)際工藝需求，精銑燃燒室面專用機(jī)床可配備在線測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)置相應(yīng)的測(cè)量、補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)精確控制銑面厚度。

4.2 加工氣缸蓋導(dǎo)管座圈孔裝備

加工氣缸蓋導(dǎo)管座圈孔工序?qū)Ｓ脵C(jī)床一般為雙主軸或3主軸結(jié)構(gòu)。每個(gè)主軸上配置2套U軸系統(tǒng)，其中1套U軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管孔鉸刀伸出導(dǎo)套外、縮回導(dǎo)套內(nèi)；另1套U軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)座圈錐面車刀脹開、縮回，實(shí)現(xiàn)座圈錐面車削加工。加工導(dǎo)管座圈專用機(jī)床配備高精度的滑塊式車削鏜頭，通過機(jī)床Z軸、U軸聯(lián)動(dòng)，加工出不同直徑、角度的座圈錐面。

加工導(dǎo)管座圈孔專用機(jī)床配置的滑塊式車削鏜頭（見圖6），通常有2個(gè)滑塊對(duì)側(cè)布置，用于加工座圈錐面。根據(jù)不用的工藝要求，通常有2種加工方式。第1種方式為一個(gè)滑塊上的車刀頭完成座圈錐面半精加工，另一個(gè)滑塊上的車刀頭完成座圈錐面精加工；第2種方式為2個(gè)滑塊上的車刀頭均同時(shí)進(jìn)行座圈錐面半精加工、精加工。

圖6 滑塊式車削鏜頭

加工導(dǎo)管座圈孔專用機(jī)床雙主軸或3主軸之間間距采用伺服驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變距，可實(shí)現(xiàn)不同缸心距缸蓋導(dǎo)管座圈孔加工。雙主軸伺服變距導(dǎo)管座圈孔加工專機(jī)如圖7所示。

圖7 雙主軸伺服變距導(dǎo)管座圈孔加工專機(jī)

U軸與Z軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同角度座圈加工、主軸伺服變距等技術(shù)應(yīng)用，在保證氣缸蓋導(dǎo)管座圈加工質(zhì)量穩(wěn)定、效率高和成本低的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了專機(jī)柔性化，滿足了結(jié)構(gòu)相近的同系列、不同品種氣缸蓋導(dǎo)管座圈加工需求。

4.3 加工凸輪軸孔裝備

專用機(jī)床采用直線鏜桿加工氣缸蓋凸輪軸孔。由于氣缸蓋凸輪軸孔長(zhǎng)徑比較大，直線鏜桿一般設(shè)置前端、中間和后端4～5個(gè)支撐，鏜桿與鏜頭采用浮動(dòng)聯(lián)接裝置進(jìn)行聯(lián)接。以常見的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋為例，在前端（第1擋外側(cè)）、第1/2擋之間、第3/4擋之間、第5/6擋之間及后端（第7擋外側(cè)）共設(shè)置5個(gè)支撐，以保證凸輪軸孔跳動(dòng)、孔徑等加工精度要求。

凸輪軸孔專用加工機(jī)床采用夾具移動(dòng)結(jié)構(gòu)，工件一次裝夾后，夾具由滑臺(tái)輸送至不同的加工工位完成凸輪軸孔、惰輪軸銷孔等加工，利于保證凸輪軸孔、惰輪軸銷孔相對(duì)位置精度要求。凸輪軸孔加工專用機(jī)床局部如圖8所示。

圖8 凸輪軸孔加工專用機(jī)床局部

5 輔助裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用

5.1 桁架機(jī)械手

生產(chǎn)線通常采用桁架機(jī)械手輸送工件，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備數(shù)量不同，可采用單個(gè)或兩個(gè)H型機(jī)械手、I型機(jī)械手。為滿足不同產(chǎn)品柔性化生產(chǎn)需求，桁架機(jī)械手可配備零點(diǎn)快換機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過二維碼或RFID芯片實(shí)現(xiàn)機(jī)械手更換防錯(cuò)。

5.2 機(jī)器人、AGV及視覺檢測(cè)設(shè)備

機(jī)器人搬運(yùn)、AGV輸送、視覺檢測(cè)技術(shù)及裝備在加工生產(chǎn)線中的應(yīng)用日益廣泛。以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋生產(chǎn)線為例，機(jī)體、氣缸蓋采用3D視覺引導(dǎo)6軸工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上料，集成2D視覺檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)漏加工在線檢測(cè)。氣缸蓋凸輪軸座、凸輪軸蓋，機(jī)體缸套、主軸承蓋等零件由AGV自動(dòng)輸送至設(shè)備上料工位，機(jī)器人自動(dòng)抓取零件進(jìn)行裝配。機(jī)器人裝配在加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用如圖9所示。

圖9 機(jī)器人裝配在加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用

5.3 機(jī)體、氣缸蓋清洗設(shè)備

機(jī)器人清洗技術(shù)及設(shè)備因其柔性化優(yōu)勢(shì)，正在逐步取代常規(guī)的通過式、定點(diǎn)式清洗機(jī)。機(jī)器人清洗機(jī)通常有兩種應(yīng)用形式，第一種為清洗機(jī)型機(jī)器人抓取工件，在清洗室完成工件清洗、吹風(fēng)等，該形式一般用于質(zhì)量較輕的機(jī)體、氣缸蓋；另一種為搬運(yùn)機(jī)器人在清洗室外將工件搬運(yùn)至清洗、吹風(fēng)等工位，清洗工位采用小型清洗機(jī)器人持噴嘴對(duì)工件各個(gè)部位進(jìn)行清洗，該形式適用于重型柴油機(jī)機(jī)體、氣缸蓋。圖10為機(jī)器人夾持工件的柔性清 洗機(jī)。

圖10 機(jī)器人夾持工件的柔性清洗機(jī)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了早期機(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線裝備選擇特點(diǎn)，以及當(dāng)前機(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線裝備選擇總體原則。重點(diǎn)介紹了機(jī)體缸孔、主軸承孔，氣缸蓋燃燒室面、導(dǎo)管座圈孔和凸輪軸孔加工專用裝備先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用，以及機(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線輔助裝備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋加工生產(chǎn)線裝備規(guī)劃及選擇提供了參考。