徐國慶 周海軍

(廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 高要 526108)

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對發(fā)動機(jī)零件的設(shè)計和制造提出了更高的要求，高集成、高可靠性、低成本是其顯著的特點。為了實現(xiàn)該目的，大量采用壓管工藝，應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)的出水管、節(jié)溫器罩、油底殼等鋁合金零件，以實現(xiàn)減少發(fā)動機(jī)總成裝配零件，減小發(fā)動機(jī)的體積和重量的目標(biāo)。

圖1 為某汽車公司全球供應(yīng)的多款乘用車發(fā)動機(jī)使用的出水管(Outlet -water)組件產(chǎn)品成品圖，此類產(chǎn)品亦是筆者公司的主力產(chǎn)品，應(yīng)用于1.6～2.0 L 的多款汽車發(fā)動機(jī)。此產(chǎn)品安裝在發(fā)動機(jī)上，是連接在發(fā)動機(jī)與車頭前部的水箱散熱器和冷卻水儲液罐之間的一個專門的功能部件。出水管的主要功能是分流，冷卻流經(jīng)發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋之間的水道而產(chǎn)生的熱水，按照功能要求流到車頭前部的風(fēng)扇水箱散熱器，實現(xiàn)降低水溫的冷卻功能，以及與駕駛室相連，按需要(冬季)實現(xiàn)對駕駛室內(nèi)的供熱的功能。出水管上安裝有溫度傳感器，可以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的出水水溫進(jìn)行監(jiān)控，使發(fā)動機(jī)處在一個適合的溫度之內(nèi)，是發(fā)動機(jī)的整個冷卻循環(huán)系統(tǒng)的一個重要的組成部件。

零件是典型的壓鑄件，材料為日本標(biāo)準(zhǔn)材料牌號ADC12(對應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)材料牌號為YL113)，輪廓尺寸210 mm×125 mm×95 mm，重量0.68 kg。此產(chǎn)品是系列產(chǎn)品的基本型號，屬同一款毛坯，根據(jù)功能需要增加壓裝不同的管件，成為不同的零件組件，適應(yīng)不同排量發(fā)動機(jī)的功能要求，客戶需求產(chǎn)量為120 萬件/年。生產(chǎn)線分為CNC 加工生產(chǎn)線和總成裝配生產(chǎn)線兩部分，總成零件的工藝流程為:熔煉→壓鑄→除澆口及毛刺→CNC 加工→清洗→壓裝→試漏→包裝→入庫。

1 零件壓裝工藝分析

如圖1 所示，出水管零件需要壓裝的配件共3 個，有2 個φ19 mm 的直管配件和1 個φ35 mm 的直管配件。出水管零件φ19 mm 部位的尺寸為mm，直管配件配合部尺寸為，配合面長度為17 mm;出水管零件φ35 mm 部位的尺寸為mm，直管配件配合部尺寸為，配合面長度為27 mm。為保證壓裝后的后續(xù)試漏工序的密封效果質(zhì)量，壓裝前需要在管壓入端的圓周配合部位手工均勻涂膠，密封膠牌號1373B。壓裝后放置8 h 后，密封膠干透凝固后，方可進(jìn)行清洗和試漏工序的操作。零件的2 -孔平行，垂直于底部大平面，孔與底部大平面空間角度17°～19°，零件底部大平面的平面度要求為0.05 mm，有比較嚴(yán)格的密封要求，產(chǎn)品在196 kPa 的空氣壓力下，不允許泄漏。產(chǎn)品冷熱循環(huán)前后，管的拔出力＞1470 N。產(chǎn)品加熱到120 ℃，管的拔出力＞785 N。

由于3 個配件均為直管配件，形狀比較簡單，壓裝方式和受力狀態(tài)相比較良好，從質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性考慮，零件的壓裝工藝初始方案為2 臺壓裝機(jī)，1 臺壓裝2 -φ19 mm 管，1 臺壓裝φ35 mm 管，1 名操作員工開2 臺壓裝機(jī)，可以比較圓滿地達(dá)到零件設(shè)計的技術(shù)和質(zhì)量要求。由于壓裝2 -φ19 mm 和壓裝φ35 mm 管的專機(jī)為2 臺，將會造成員工工作過程中，由于移動距離過大容易疲勞，導(dǎo)致勞動效率降低;如果采用2 名操作員工，又會出現(xiàn)單位時間工序內(nèi)，人力成本升高的弊端。經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的反復(fù)評估，以及參照過往的壓裝工藝經(jīng)驗，將壓裝2 -φ19 mm 管和壓裝φ35 mm 管，集成在1 臺專機(jī)內(nèi)，分2 個操作工位，這樣既保證了專機(jī)結(jié)構(gòu)空間的緊湊，又方便員工操作，整個氣動液壓控制和電氣控制等集成在一起通過PLC 進(jìn)行控制，實現(xiàn)設(shè)計所需的技術(shù)要求的功能，比單獨的2 臺專機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

2 壓裝專機(jī)設(shè)計方案

2.1 壓裝專機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)出水管零件壓裝工藝分析，將壓裝2 -φ19 mm 管和壓裝φ35 mm 管，集成在1 臺專機(jī)內(nèi)，分2 個操作工位。專機(jī)按照一般操作習(xí)慣采用配件垂直向下壓裝的受力方向的框式龍門結(jié)構(gòu)，通過6 根立柱組成，實現(xiàn)2 個框式龍門合并的結(jié)構(gòu)，分2 個操作工位的功能。具體專機(jī)結(jié)構(gòu)(局部)圖片見圖2。

壓裝專機(jī)的構(gòu)成由底座、6 立柱機(jī)架、左工位壓裝夾具、左工位壓裝組件、右工位壓裝夾具、右工位壓裝組件，以及液壓站組成。整個自動化電器控制系統(tǒng)采用PLC 控制，在機(jī)器的左右手位，分別布置了左右2個工位控制面板;在控制器面板上，布置了手動調(diào)節(jié)鈕和指示燈，設(shè)計了自動和手動2 種工作模式。自動模式用于正常生產(chǎn)，手動模式可對所有程序的每個動作進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)，方便出現(xiàn)異常狀態(tài)時，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試維修。2 個工位可分別獨立工作，互不干擾。

工件的夾具設(shè)計裝夾方案，采用了隨行夾具的方案，就是在工件和夾具之間，增加了一個過渡板作為隨行夾具，隨行夾具過渡板仿造工件外形，采用一面兩銷定位，兩個內(nèi)六角螺釘壓緊的設(shè)計，隨行夾具過渡板與壓裝夾具，也采用一面兩銷定位，液壓轉(zhuǎn)角缸壓緊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這樣設(shè)計減少了工件與壓裝夾具裝夾的次數(shù)，內(nèi)六角螺釘壓緊和液壓轉(zhuǎn)角缸同時壓緊的設(shè)計，也改善了工件壓裝的受力情況，對減小工件裝夾底部大平面的壓裝變形和壓劃傷，有極大的改善效果，特別是工件上壓裝配件越多，改善效果越明顯。隨行夾具過渡板經(jīng)過熱處理，用于裝夾的上下大平面，經(jīng)過磨制后具有光潔的表面，使隨行夾具過渡板具有較長的壽命和較好的表面粗糙度。隨行夾具與安裝工件的圖片見圖3。

由于零件產(chǎn)量很大，為使設(shè)備在各種異常情況下工作可靠，保證工件壓裝的質(zhì)量，設(shè)計了一些防錯功能。①壓裝夾具設(shè)置了感應(yīng)器，當(dāng)沒有安裝工件時，啟動自動工作程序后，程序?qū)⒆詣舆M(jìn)行工件檢測，當(dāng)檢測不到工件信號時，設(shè)備將無法運行自動程序進(jìn)行工作，同時顯示報警提醒操作工，防止壓裝出現(xiàn)漏工序操作。②為了保證壓裝過程中的意外發(fā)生，在專機(jī)前方操作位，安裝了安全光幕，防止壓裝過程中，員工的肢體進(jìn)入設(shè)備的運行空間而發(fā)生意外。③隨行夾具過渡板與壓裝夾具之間設(shè)置了氣檢裝置，保證隨行夾具的安全，避免出現(xiàn)由于隨行夾具安裝不到位，啟動操作所造成的壓裝夾具和隨行夾具損壞的情況的發(fā)生。

2.2 專機(jī)的壓裝夾具設(shè)計和液壓/氣壓系統(tǒng)設(shè)計

整個專機(jī)設(shè)備是由2 臺獨立的壓裝部分(左工位壓裝2 -φ19 mm 管，右工位壓裝φ35 mm 管)組合而成，各自擁有獨立的壓裝夾具和控制操作系統(tǒng)，2 個部分互不干擾，可獨立工作。

左工位壓裝2 -φ19 mm 管，2 -φ19 mm 管的安裝方向垂直于工件底部定位安裝面，工作時壓裝力垂直于隨行夾具定位面，隨行夾具與壓裝夾具采用一面兩銷的定位方式直接進(jìn)行壓裝。夾具具體結(jié)構(gòu)見圖2。

右工位壓裝φ35 mm 管，φ35 mm 管與零件底部定位安裝面有空間角度17°～19°，壓裝夾具的設(shè)計需要旋轉(zhuǎn)2 個空間角度，使φ35 mm 管壓裝力垂直于底部大平面，為保證壓裝的精度，在工件下部設(shè)計了壓裝工件受力的獨立的支撐位，使工件以及隨行夾具的定位銷不受φ35 mm 管壓裝力的影響，而造成定位銷變形。其工作原理如下:啟動φ35 mm 管自動壓裝程序后，旋轉(zhuǎn)壓緊油缸，將工件壓緊可靠地固定在隨行夾具上，壓力繼電器檢測到壓力后，氣動夾具帶動壓裝夾具動作，使工件接觸下部的獨立的支撐位，實現(xiàn)工件壓裝過程中，φ35 mm 管壓裝力由獨立的支撐位承受，可以避免定位銷造成變形，影響壓裝精度。

壓裝專機(jī)的液壓/氣壓系統(tǒng)設(shè)計采用1 臺液壓站提供能源，氣動和液壓相結(jié)合的控制方式。由于壓裝過程中受力比較大，工件在夾具上固定和壓緊采用液壓轉(zhuǎn)角缸實現(xiàn)，使壓裝受力過程更可靠。為了使壓裝的效率和質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)的效果，對各個影響壓裝速度的流量和影響壓裝質(zhì)量的壓力，都設(shè)計成可以調(diào)節(jié)的方式，方便在調(diào)試使用過程中進(jìn)行優(yōu)化，是本臺專機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計的特點。

3 生產(chǎn)加工過程中遇到的問題及專機(jī)優(yōu)化改造分析

3.1 生產(chǎn)加工過程中的問題

壓裝專機(jī)設(shè)備在產(chǎn)品投入量產(chǎn)的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)了約一年的時間后，陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)在工件壓裝生產(chǎn)過程中，偶爾會出現(xiàn)重復(fù)壓管的現(xiàn)象，造成工件和配件報廢，有時甚至導(dǎo)致專機(jī)設(shè)備的壓裝配件夾具損壞而停產(chǎn)修理的情況發(fā)生，存在著不可預(yù)知的安全和質(zhì)量隱患。

(2)零件總成在國外客戶的裝配線上，曾經(jīng)出現(xiàn)發(fā)動機(jī)試車過程中，φ35 mm 直管脫落，導(dǎo)致客戶庫存和貨運途中的產(chǎn)品約6 萬件需要甄別的情況，給公司造成了比較大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 問題產(chǎn)生的原因分析及解決方案

(1)針對在工件壓裝生產(chǎn)過程中出現(xiàn)重復(fù)壓管的現(xiàn)象，通過在生產(chǎn)現(xiàn)場花了大量時間觀察，經(jīng)過分析后，操作員工為長期操作的熟練員工，排除了員工不熟練的因素，從人體工程學(xué)角度分析，此為人工操作所難以避免出現(xiàn)的現(xiàn)象，必須從專機(jī)設(shè)備的設(shè)計方面加以考慮和解決。

為防止在壓裝工序出現(xiàn)重復(fù)壓裝損壞設(shè)備和報廢工件，在每個壓裝配件的位置設(shè)置了紅外線檢測功能裝置。當(dāng)啟動自動工作程序后，程序?qū)⒆詣娱_啟紅外線檢測進(jìn)行工件是否已進(jìn)行了壓裝的檢測;當(dāng)已經(jīng)壓裝的配件擋住了紅外線信號時，系統(tǒng)將出現(xiàn)報警，程序?qū)o法啟動專機(jī)設(shè)備進(jìn)行壓裝工作，保證了不會出現(xiàn)配件重復(fù)壓裝、造成專機(jī)設(shè)備損壞和工件報廢的情況。通過增加了紅外線檢測功能的設(shè)計，從根本上解決了重復(fù)壓裝所造成的安全和質(zhì)量隱患。

(2)針對零件總成的φ35 mm 直管在客戶處脫落的情況，與客戶溝通將不良品寄回筆者公司，對不良品進(jìn)行分析。經(jīng)測量后，直管配件的裝配位置的尺寸符合圖紙要求，出水管零件孔尺寸超差，尺寸為，孔的形狀為橢圓形。經(jīng)分析和不良現(xiàn)象的加工再現(xiàn)以及后續(xù)裝配試漏的情景再現(xiàn)，判斷出工件重復(fù)裝夾加工了2 次，由于存在裝夾和加工誤差，所以造成了零件孔的形狀為橢圓形，后續(xù)壓裝和試漏工序均無法發(fā)現(xiàn)此狀態(tài)的不良品，經(jīng)過測試此狀態(tài)φ35 mm 壓裝的壓入力僅為100 N。找到不良現(xiàn)象產(chǎn)生的原因后，需要對現(xiàn)有的壓裝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改造，使之具備識別此種不良現(xiàn)象而報警的功能。

為識別此種不良現(xiàn)象，需要對壓裝過程中的壓入力進(jìn)行控制，通過實驗確認(rèn)最大壓入力和最小壓入力。在壓裝油缸活塞桿和壓頭之間，安裝壓力傳感器，通過PLC 電器系統(tǒng)對壓力傳感器拾取的壓入力的信號進(jìn)行處理，并將處理后的信號實時轉(zhuǎn)化成壓入力數(shù)據(jù)，顯示在位于操作面板上的壓入力顯示屏上，方便操作員工觀察每個工件的具體的壓入力數(shù)據(jù)，并可根據(jù)技術(shù)要求在顯示屏上設(shè)定具體的壓入力報警的上限和下限，對壓入力超出技術(shù)要求的情況，進(jìn)行報警提醒，并將具體壓入力數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示出來，從而實現(xiàn)設(shè)備對此種不良的識別。為保證設(shè)備使用的過程中，壓入力數(shù)據(jù)設(shè)定的安全性，設(shè)置了一定的操作權(quán)限，設(shè)備操作工只具有查看的權(quán)限，設(shè)備設(shè)計和維修人員才具有修改權(quán)限，可以修改壓入力報警的上限和下限的設(shè)定數(shù)據(jù)，操作時需要輸入設(shè)定的密碼，才可進(jìn)入壓入力數(shù)據(jù)設(shè)定界面。經(jīng)過反復(fù)實驗，φ35 mm 直管和2 -φ19 mm 直管的壓入力數(shù)據(jù)相同，最小壓入力為800 N，最大壓入力為4500 N，壓裝壓入力超出此范圍，設(shè)備將報警識別出異常，有效地控制了工件壓裝過程的過盈量，避免了不合格的產(chǎn)品零件和壓裝配件直管混入合格產(chǎn)品中所可能產(chǎn)生的質(zhì)量隱患，實現(xiàn)了不合格品零件和配件的自動識別功能，保證了壓裝的質(zhì)量。

4 結(jié)語

φ35 mm 直管和2 -φ19 mm 直管壓裝專機(jī)設(shè)備，經(jīng)過優(yōu)化改造后重新投入生產(chǎn)中，增加了紅外線檢測功能和不合格品零件和配件的壓裝過程質(zhì)量的自動識別功能，有效地避免了生產(chǎn)中潛在的質(zhì)量隱患所可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，降低了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。此優(yōu)化改造方案對公司后續(xù)類似產(chǎn)品壓裝專機(jī)的設(shè)計方案和相關(guān)類似問題的處理，有一定的參考作用。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.4 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.