發(fā)動機(jī)氣缸蓋鋁屑清潔設(shè)備設(shè)計開發(fā)

鄭文清

關(guān)鍵詞：氣缸蓋；鋁屑；自動化；清潔

0引言

在氣缸蓋各類安裝孔、密封面等的機(jī)加工過程中會產(chǎn)生不規(guī)則鋁屑，鋁屑在切削液的沖洗下進(jìn)入水腔內(nèi)后，滯留在復(fù)雜的鑄造內(nèi)壁上[1-2]。為改善氣缸蓋清潔度，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝上，可通過使用目數(shù)大的細(xì)砂、特殊砂種或優(yōu)化涂料膏等措施控制鑄件粘砂，改善鑄造內(nèi)壁的表面質(zhì)量[3]。另一方面，采用高壓清洗設(shè)備對水腔進(jìn)行清洗。經(jīng)過清洗干燥后，氣缸蓋送往裝配線氣缸蓋分裝區(qū)，附著在氣缸蓋水腔內(nèi)壁的鋁屑在裝配過程中由于敲擊振動等因素，脫落到缸體氣缸蓋連接面上，導(dǎo)致長缸體氣密性泄漏檢測不合格，造成返修浪費(fèi)，且影響發(fā)動機(jī)整體清潔度。如圖1所示，造成長缸體氣密性泄露檢測的各類因素當(dāng)中，氣缸蓋底面鋁屑問題占比達(dá)42%。

1研發(fā)目的

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某汽車主機(jī)廠所生產(chǎn)的某型號發(fā)動機(jī)氣缸蓋毛坯水腔為鑄造成型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且內(nèi)壁粗糙，清洗難度大。發(fā)動機(jī)氣缸蓋鋁屑清除的傳統(tǒng)工藝為采用清洗設(shè)備高壓水流或氣流沖洗，清潔后氣缸蓋清潔度大幅提升，但對復(fù)雜水套內(nèi)的卡滯鋁屑依舊效果不佳[4-5]。

為進(jìn)一步提升氣缸蓋清潔度水平，減少長缸體氣密性檢測不達(dá)標(biāo)問題發(fā)生，該工廠通過探索，在傳統(tǒng)工藝之外，依靠仿生學(xué)原理設(shè)計研發(fā)了一款用于提升氣缸蓋清潔度的自動化設(shè)備。該設(shè)備初滿足氣缸蓋鋁屑清除的功能外，還能滿足定位精準(zhǔn)、節(jié)拍可調(diào)和安全可靠的基本原則。

2項目設(shè)計

2.1技術(shù)要求

該工廠設(shè)計建造缸蓋下線工位自動振料設(shè)備，用以振蕩吹出缸蓋水道內(nèi)殘留的鋁屑。設(shè)備除了滿足常規(guī)安全要求，具備防護(hù)網(wǎng)等防范設(shè)計，無噪聲污染、環(huán)境污染等不良影響外，還需具備以下技術(shù)要求。

（1）設(shè)備的鋁屑收集、振料系統(tǒng)需考慮功率等因素，無過載風(fēng)險。設(shè)備需具備缸蓋瓦蓋螺栓防脫落機(jī)構(gòu)，運(yùn)行時無螺栓掉落風(fēng)險；需為全自動化設(shè)備，無需人工操作，即可實現(xiàn)鋁屑振蕩、清除和收集等功能。

（2）設(shè)備所用電機(jī)、氣缸和傳感器等部件，使用常用品牌型號，需滿足通用性、可快速更換等性能，備件采購方便快速。設(shè)備需具備全柔性，兼顧該發(fā)動機(jī)工廠在產(chǎn)B系列自然吸氣、增壓機(jī)型及未來新機(jī)型。

（3）設(shè)備占用空間滿足現(xiàn)場實際安裝要求，長、寬、高均不超過1.5m，不引起其他設(shè)備移位、調(diào)整等。

（4）設(shè)備需具備工件到位檢測等功能，能有效識別夾不緊、夾歪等情況。設(shè)備斷電、斷氣和故障等急停時能自鎖，保證零件無松夾掉落風(fēng)險；可實現(xiàn)旁路功能（BAYPASS），可實現(xiàn)能量鎖定，且不影響周邊設(shè)備正常運(yùn)行。

（5）過線零件100%無劃傷、壓痕等不良狀況，整機(jī)節(jié)拍穩(wěn)定，低于65s。設(shè)備振動幅度可調(diào)，便于員工操作，且相關(guān)參數(shù)目視效果好。

2.2技術(shù)原理

研究該工廠生產(chǎn)工藝發(fā)現(xiàn)，在氣缸蓋下線點，操作指導(dǎo)書要求工人對已高壓清洗、烘干的成品氣缸蓋做若干檢測。工人取得抽樣件后放置樣件在軟材質(zhì)平臺面上時，有摔擊、振蕩和旋轉(zhuǎn)等動作。完成該動作后會發(fā)現(xiàn)，原本卡滯在水腔內(nèi)的不規(guī)則鋁屑會掉落在檢測臺上。另一方面，該工廠發(fā)動機(jī)裝配線在氣缸蓋上線點存在夾持氣缸蓋后旋轉(zhuǎn)動作，該過程會有部分鋁屑掉落。

基于以上觀察，通過仿生學(xué)原理設(shè)計研發(fā)氣缸蓋自動去鋁屑設(shè)備。采用特殊凸輪振蕩機(jī)構(gòu)及彈性耐磨塑料構(gòu)成的面加緊定位機(jī)構(gòu)等方式，模擬人工振蕩、旋轉(zhuǎn)氣缸蓋成品等操作，實現(xiàn)自動鋁屑收集等工作，并實現(xiàn)振動幅度、振動頻率的調(diào)節(jié)。

通過模擬人工振蕩、摔擊等動作，以減少氣缸蓋水腔內(nèi)鋁屑?xì)埩?，提高氣缸蓋清潔度水平。對自動去鋁屑設(shè)備涉及的安全、自動化和柔性化等方技術(shù)要求如圖2所示。

2.3工藝流程

氣缸蓋自動去鋁屑設(shè)備占地面積約1.6m2，安裝布局需不引起現(xiàn)有設(shè)備的移位和更改。結(jié)合該工廠實際工藝布局，設(shè)備需安裝在其生產(chǎn)線最終清洗設(shè)備及氣缸蓋泄露檢測設(shè)備之間。該段輥道是自動輥道，滿足設(shè)備的全自動運(yùn)行要求。同時該區(qū)間的氣缸蓋經(jīng)過最終清洗，零件表面及水腔內(nèi)部干燥，無切削液粘附等外部因素影響，較好地實現(xiàn)振蕩去鋁屑的作用。而且對應(yīng)區(qū)間段輥道長均超過4m，設(shè)備布局空間足夠，因此選定該段輥道安裝氣缸蓋自動去鋁屑設(shè)備（圖3）。

PLC程序控制設(shè)備依次完成各個動作：設(shè)備在感知來料后，依次完成夾緊、振料、旋轉(zhuǎn)和鋁屑收集等工序后，自動放行開啟下一個循環(huán)。各工序節(jié)拍明細(xì)如表1所示。

3設(shè)備開發(fā)

基于功能設(shè)計及建造要求，該自動去鋁屑設(shè)備主要涵蓋機(jī)械部分、電氣部分、鋁屑收集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四大部分（圖4）。設(shè)備采用電機(jī)帶動特殊結(jié)構(gòu)的凸輪軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動包括氣缸蓋在內(nèi)的夾緊機(jī)構(gòu)上下快速振動；旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向輪運(yùn)行，實現(xiàn)氣缸蓋360°旋轉(zhuǎn)；吹氣機(jī)構(gòu)對振蕩出的鋁屑等雜質(zhì)吹入接渣機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)鋁屑的自動收集；PLC控制設(shè)備動作執(zhí)行，實現(xiàn)全自動運(yùn)行。

3.1設(shè)備夾緊機(jī)構(gòu)

設(shè)備夾緊機(jī)構(gòu)起到對工件的定位、裝夾等作用，由底部夾緊氣缸、右側(cè)面夾緊氣缸和限位塊等組成。兩側(cè)氣缸蓋定位夾具均采用彈性耐磨塑料等軟材料，模擬人工操作夾緊固定氣缸蓋，有效避免硬限位夾緊帶來的氣缸蓋密封面壓傷等質(zhì)量缺陷。采用彈性耐磨的塑料作為定位夾緊面，包容性較強(qiáng)，不同機(jī)型切換時只需要切換控制程序，依靠程序中設(shè)置的夾緊液壓缸的不同行程來適應(yīng)不同機(jī)型之間的結(jié)構(gòu)差異，無需做機(jī)械部件的調(diào)整（圖5）。

3.2設(shè)備翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起到旋轉(zhuǎn)工件、實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)以及將各個角度的鋁屑倒出的功能。其主要包括旋轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)向輥和角度傳感器等部件組成。執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動作時，旋轉(zhuǎn)圓盤依靠導(dǎo)向輥子的限位作用實現(xiàn)圓周運(yùn)動，同步帶動被夾緊的氣缸蓋零件實現(xiàn)角度變換。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)控制，能夠精確定位翻轉(zhuǎn)角度，可根據(jù)需要實現(xiàn)不同角度下的振蕩。

3.3設(shè)備振蕩機(jī)構(gòu)

振蕩機(jī)構(gòu)則模擬人工在操作臺上摔打、振蕩的過程，將原本卡滯的鋁屑振出。其主要由電機(jī)、振蕩凸輪、減振機(jī)構(gòu)、傳動帶和基座等部件組成。電機(jī)帶動振蕩凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)機(jī)構(gòu)行使至最高點、最低點交界處時，由于凸輪直徑的突變，在重力的作用下包括氣缸蓋在內(nèi)的夾緊機(jī)構(gòu)快速下降。凸輪每轉(zhuǎn)一周振蕩2次。因此凸輪軸快速不斷旋轉(zhuǎn)帶動夾緊機(jī)構(gòu)反復(fù)上下振蕩，振出水腔附著的鋁屑。振蕩電機(jī)與滾道驅(qū)動電機(jī)對稱，利于翻轉(zhuǎn)臺受力平衡，減少翻轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)荷。振蕩頻率由變頻器控制，參數(shù)可調(diào)。

3.4鋁屑收集及保護(hù)機(jī)構(gòu)

鋁屑收集主要依靠吹氣機(jī)構(gòu)，將掉落的鋁屑集中至接渣車內(nèi)。吹氣機(jī)構(gòu)設(shè)計在左側(cè)導(dǎo)向板處，振蕩時就一直吹氣，便于鋁屑及時吹出來。在吹氣機(jī)構(gòu)的作用下，鋁屑落到接渣車中。由于涉及振動、旋轉(zhuǎn)部件，因此該設(shè)備設(shè)計了防護(hù)機(jī)構(gòu)以保證安全生產(chǎn)。采防護(hù)機(jī)構(gòu)采用兩層防護(hù)，第一層采用透明有機(jī)玻璃，保證外部有效觀測設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行情況，且防止鋁屑飛濺引起安全隱患，同時可降低噪聲污染。第二層采用格柵防護(hù)，將振動部件隔離起來，規(guī)避運(yùn)動部件造成的潛在安全風(fēng)險。

4有效性及效益計算

自動振蕩設(shè)備建成后，設(shè)計人員連續(xù)跟蹤設(shè)備效果6個月，整體運(yùn)行良好，無零部件壓傷等質(zhì)量問題。通過對氣缸蓋下線成品清潔度檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)備投產(chǎn)后，該生產(chǎn)線在無其他變量的情況下，氣缸蓋平均清潔度水平由原來的2.29mg/臺提升至1.46mg/臺，清潔度水平提升36%，裝配線長缸體氣密性檢驗合格率大幅提升（圖6）。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備在現(xiàn)場投產(chǎn)后，預(yù)計可減少因鋁屑夾雜導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)整機(jī)返修18臺/月，并大幅提升清潔度，提升發(fā)動機(jī)整機(jī)首次下線合格率。按照該公司成本核算方式，設(shè)備投入后，可節(jié)約返修成本17.8萬元/年，包括：

發(fā)動機(jī)返修材料費(fèi)用=800元/臺×18臺/月×12月=173000元

發(fā)動機(jī)返修人工費(fèi)用=26.77元/人·小時×0.5小時×2人×18臺/月×12月≈5782元

對比設(shè)備成本投入，設(shè)備建造一次性投入約48.0萬元，不足3年即可收回設(shè)備投入，經(jīng)濟(jì)可行。

5結(jié)束語

該鋁屑清除設(shè)備的研發(fā)，通過全自動PLC程序控制及特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動循環(huán)執(zhí)行既定動作，全程無需人為干預(yù)。該設(shè)備有利于產(chǎn)品清潔度及一致性的提升，大幅降低了因鋁屑?xì)埩魧?dǎo)致的裝配線長缸體泄漏問題。

該設(shè)備在發(fā)動機(jī)氣缸蓋線中順利投入使用，配合傳統(tǒng)清洗工藝、切削工藝優(yōu)化等。從使用情況及結(jié)果看效果明顯，極大提升了該公司發(fā)動機(jī)氣缸蓋線的自動化水平和裝配質(zhì)量，不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有較高的推廣價值。