王 剛，肖鐵忠

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展及汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，對汽車零部件的加工質(zhì)量要求也越來越高[1-2]。缸體是發(fā)動機(jī)最重要的組成零件之一,也是發(fā)動機(jī)總裝的基礎(chǔ)零件[3],其清潔度直接影響發(fā)動機(jī)的可靠性及裝配質(zhì)量[4]。缸體表面粘連的雜質(zhì)會影響定位及加工精度，其上細(xì)小的切屑或鑄造型砂也將直接影響發(fā)動機(jī)的總成裝配，使發(fā)動機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計技術(shù)要求并影響使用壽命[5]。由于發(fā)動機(jī)型號不同，缸體等零部件的尺寸、形狀及結(jié)構(gòu)等也有區(qū)別，這要求清洗設(shè)備具有一定的柔性才能滿足使用要求。作者與重慶某汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)了用于缸體清洗的專用設(shè)備。設(shè)備主要由工件傳輸線、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、可換定位機(jī)構(gòu)、上下料機(jī)構(gòu)等組成，能依次完成缸體頂面、底面、端面及定點清洗，具有高可靠性、高精度及高清潔度等優(yōu)點。

1 缸體清潔要求及工藝分析

1.1 缸體清潔度及控制要求

缸體毛坯清潔度會影響整個機(jī)械加工過程及加工后的清潔度，裝配前的缸體清潔度更是直接影響發(fā)動機(jī)的總成性能，故要想得到高性能的發(fā)動機(jī)需對缸體生產(chǎn)全過程的清潔度進(jìn)行必要的控制[6]。針對缸體清潔度問題，不同制造商會采取不同的措施控制清潔度[7]，具體控制措施見表1、表2。

表1 毛坯清潔度控制措施

表2 機(jī)加后清潔度控制措施

1.2 清洗工藝分析

針對缸體機(jī)械加工后油道交叉孔及曲軸孔邊緣毛刺，油道孔、水道孔及螺紋孔等的切屑自動清潔問題，一般是先將缸體在浪涌水箱內(nèi)對其表面進(jìn)行刷洗，再至定點清洗工位，利用工位上的高壓水對工件內(nèi)部進(jìn)行清洗，然后將工件運送至定點吹干工位，對工件的重點部位及孔道進(jìn)行預(yù)干燥，最后進(jìn)行干燥及密封測試[8-9]。

針對其中定點清洗工位，主要采用六自由度機(jī)器人加變位機(jī)的工藝方案或者專用清洗機(jī)床方案[10]。機(jī)器人+變位機(jī)工藝方案可對各種發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等零部件進(jìn)行清洗，具有較高的柔性。但目前主機(jī)廠對此方案所涉及的動作均采用手動示教編程，無針對這一工藝過程軌跡自動規(guī)劃及編程的成熟技術(shù)，存在加工效率低、精度差等問題，且由于清洗過程需要較好的密封性，此方案所占空間較大[11]；而專用機(jī)床在旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、可換定位機(jī)構(gòu)及上下料機(jī)構(gòu)等的配合下，也具有較大的柔性，可根據(jù)提供的圖紙進(jìn)行精密編程，實現(xiàn)整個清洗過程的全自動化，具有較高的生產(chǎn)效率及加工精度[12]。本文在綜合考慮生產(chǎn)效率、密封性、自動化程度及清潔度等問題的基礎(chǔ)上，選擇設(shè)計專用清洗設(shè)備對缸體進(jìn)行定點清洗。

2 機(jī)床整體布局方案及工作原理

2.1 機(jī)床整體布局方案

根據(jù)前述工藝方案，本文設(shè)計了如圖1所示的缸體清洗專用機(jī)床整體方案。機(jī)床采用立式結(jié)構(gòu)，設(shè)備主要由床身、立柱、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、專用夾具、可換定位機(jī)構(gòu)、輥道運輸線、“十字”數(shù)控滑臺、自動上下料機(jī)構(gòu)及高壓水槍等組成。即在床身的前端設(shè)置旋轉(zhuǎn)變位機(jī)，變位機(jī)上設(shè)置專用夾具，對帶著工件的可換定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位及夾緊；在床身的后端設(shè)置立柱，立柱上設(shè)置 “十字”數(shù)控滑臺，數(shù)控滑臺上設(shè)置專用高壓水槍夾持機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需要更換刀具，數(shù)控滑臺帶著水槍對工件進(jìn)行定點定位清洗；可換定位機(jī)構(gòu)及工件由輥道傳送線運送至上下料位置；在旋轉(zhuǎn)變位機(jī)后方，立柱下方中間位置設(shè)置上下料機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)工件的自動上下料；機(jī)床設(shè)置整體防護(hù)罩、液壓系統(tǒng)等。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖

2.2 機(jī)床工作原理

機(jī)床的工作原理為：輥道運輸機(jī)構(gòu)將缸體運送至專用機(jī)床的前端，其下輥道下降，使工件進(jìn)入可換定位機(jī)構(gòu)，對缸體進(jìn)行正確定位；上下料機(jī)構(gòu)將可換定位機(jī)構(gòu)及缸體一起拖至旋轉(zhuǎn)變位機(jī)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)變位機(jī)內(nèi)的夾緊機(jī)構(gòu)將可換定位機(jī)構(gòu)及工件夾緊；“十字”滑臺帶著高壓水槍與旋轉(zhuǎn)變位配合完成缸體的定點定位清洗，完成缸體清洗后，旋轉(zhuǎn)變位機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)松開，上下料機(jī)構(gòu)將缸體推出旋轉(zhuǎn)變位機(jī)至輥道運輸線，其下輥道機(jī)構(gòu)上升，將缸體抬升至輥道運輸線平行位置，運送至下一工序，如此循環(huán)，自動完成缸體的清洗。如需清洗其他類型缸體或零部件，只需更換可換定位機(jī)構(gòu)即可。

3 機(jī)床關(guān)鍵零部件設(shè)計

3.1 專用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由前述布局方案可知，專用夾具由旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、可換定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及上下料機(jī)構(gòu)等組成，設(shè)計的專用具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，利用缸體底面的兩個銷孔及底面形成“一面兩孔”對缸體進(jìn)行定位，即利用可換定位機(jī)構(gòu)上的兩個定位銷4及4個缸體定位支撐板28對缸體進(jìn)行正確定位；當(dāng)可換定位機(jī)構(gòu)及缸體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)變位機(jī)后，利用定位擋板22及定位導(dǎo)向板17對其進(jìn)行定位，利用夾緊氣缸9及“Z”型夾緊板對其進(jìn)行夾緊，保持正確定位位置不變。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖1、14.旋轉(zhuǎn)變位機(jī)底板 2、16.Z型夾緊板 3、17.旋轉(zhuǎn)變位機(jī)定位導(dǎo)向板 4.缸體定位銷 5.缸體側(cè)向定位導(dǎo)向板 6、28.缸體定位支撐板 7.缸體 8、29.可換定位機(jī)構(gòu)底板 9.夾緊氣缸 10.夾緊氣缸桿 11.輥道運輸線 12.定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 13.輔助支撐導(dǎo)向板 15.旋轉(zhuǎn)擺頭 18、20.上下料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)氣缸 19.上下料機(jī)構(gòu)直線運動氣缸 21.上下料氣缸桿 22.定位擋板 23.夾緊板 24.上下料機(jī)構(gòu)橫桿 25.上下料回轉(zhuǎn)桿 26.滾筒 27.上下料機(jī)構(gòu)拉桿圖2 專用夾具結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計，專用夾具工作原理為：人工將缸體按照正確的清洗姿態(tài)放置于輥道運輸線11上，由其將缸體運送至旋轉(zhuǎn)變位機(jī)正前方，其下輥道機(jī)構(gòu)下降，缸體也隨之下降，缸體在側(cè)向定位導(dǎo)向板5的作用下，使可換定位機(jī)構(gòu)定位支撐板28上的定位銷自動插入缸體底面的兩個定位孔，對缸體進(jìn)行正確定位；上下料機(jī)構(gòu)將可換定位機(jī)構(gòu)及缸體一起拖進(jìn)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)內(nèi)，由定位導(dǎo)向板17及定位擋板22對其進(jìn)行定位；可換定位機(jī)構(gòu)運動至定位位置后，氣缸18氣缸桿向后運動使上下料機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)，直至與立柱平行；夾緊氣缸9氣缸桿上升，將可換定位機(jī)構(gòu)整體抬升，在“Z”型夾緊板的共同作用下將缸體夾緊；旋轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)擺頭15根據(jù)清洗工藝及程序要求帶著缸體進(jìn)行變位，完成缸體的自動清洗工序；完成缸體清洗后，旋轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)至水平位置，夾緊氣缸向下運動，松開工件及可換定位機(jī)構(gòu)，氣缸18氣缸桿向前運動使上下料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至水平位置，氣缸19氣缸桿向前伸出，在定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)17、13、12的作用下將缸體準(zhǔn)確推出旋轉(zhuǎn)變位機(jī)至輥道運輸線11上，其下輥道上升，將缸體底面抬升至與輥道平行位置，運送至下一道工序，如此循環(huán)，完成工件的自動清洗。

3.2 上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計

在考慮自動化、配合專用夾具上下料及干涉等因素的前提下，設(shè)計了如圖3所示的上下料結(jié)構(gòu)。由圖可知，上下料機(jī)構(gòu)主要由拉桿、氣缸及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。其工作原理：開始清洗時，氣缸7的氣缸桿將拉桿1帶著可換定位機(jī)構(gòu)推出旋轉(zhuǎn)變位機(jī)至輥道運輸線上，自動上料，氣缸7的氣缸桿將拉桿1帶著可換定位機(jī)構(gòu)及缸體一起拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)，拉桿上的圓柱銷2插入“L”型回轉(zhuǎn)塊的“U”型槽內(nèi)，如圖3b所示，氣缸6的氣缸桿向左運動，使“L”型回轉(zhuǎn)塊繞支撐板13上的鉸鏈14逆時針回轉(zhuǎn)，進(jìn)而使拉桿1繞著鉸鏈19逆時針回轉(zhuǎn)，使拉桿與機(jī)床立柱平行；待機(jī)床完成缸體的清洗后，氣缸桿的氣缸桿向右運動，進(jìn)而使拉桿順時針運動至水平位置，拉桿上的拉鉤插進(jìn)可換定位板，在氣缸7的作用下將缸體推出旋轉(zhuǎn)變位機(jī)。

(a) 主視圖

(b) 左視圖1、21.拉桿 2、20.圓柱銷 3、18.U型插座 4、17.橫桿 5、16.拉桿直線運動氣缸桿 6、11.拉桿回轉(zhuǎn)運動氣缸 7、10.拉桿直線運動氣缸 8.緩沖擋板 9、12.床身立柱 13.支撐板 14、19.鉸鏈 15.“L”型回轉(zhuǎn)塊 22.拉鉤圖3 上下料機(jī)構(gòu)

4 效果驗證

針對某型汽車發(fā)動機(jī)缸體加工后的自動清洗，制造了如圖4所示的專用清洗設(shè)備。設(shè)備經(jīng)實際應(yīng)用顯示，清洗后缸體的清潔度均達(dá)到或高于企業(yè)要求。按照企業(yè)現(xiàn)有工作制度：8小時/班，2班/日，290日/年，生產(chǎn)效率85%，設(shè)備負(fù)荷率85%，機(jī)床的清洗節(jié)拍為1.5 min/件，可知單臺設(shè)備的生產(chǎn)綱領(lǐng)為：8×2×280×0.85×0.85×60/1.5=13萬件。而企業(yè)要求的單臺設(shè)備年生產(chǎn)綱領(lǐng)為10萬件，可知設(shè)計的設(shè)備滿足企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍需要。即設(shè)計的工藝及裝備滿足企業(yè)生產(chǎn)效率及清潔度要求。

圖4 機(jī)床實物

5 結(jié)束語

(1)針對某發(fā)動機(jī)缸體機(jī)械加工后清潔度存在的問題及控制要求，提出了專用機(jī)床+旋轉(zhuǎn)變位機(jī)+可換定位機(jī)構(gòu)的工藝及設(shè)備自動清洗方案；

(2)在充分考慮清洗及上下料方便、自動化等基礎(chǔ)上，確定了采用“十字”數(shù)控滑臺拖動清洗水槍、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)對工件自動定位夾緊、變位及上下料機(jī)構(gòu)自動上下料的立式專用機(jī)床整體布局方案；

(3)根據(jù)專用機(jī)床整體布局方案，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、可換定位機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)及上下料機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)；

(4)實際生產(chǎn)表明：單臺設(shè)備實際年生產(chǎn)綱領(lǐng)達(dá)到13萬件左右，生產(chǎn)效率及清潔度均達(dá)到設(shè)計要求。