關(guān)鍵詞:氣缸蓋;鋁屑;自動(dòng)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(guò)程中會(huì)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(guò)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(duì)水腔進(jìn)行清洗。經(jīng)過(guò)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(guò)程中由于敲擊振動(dòng)等因素,脫落到缸體氣缸蓋連接面上,導(dǎo)致長(zhǎng)缸體氣密性泄漏檢測(cè)不合格,造成返修浪費(fèi),且影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體清潔度。如圖1所示,造成長(zhǎng)缸體氣密性泄露檢測(cè)的各類因素當(dāng)中,氣缸蓋底面鋁屑問(wèn)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(hào)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)缸體氣密性檢測(cè)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題發(fā)生,該工廠通過(guò)探索,在傳統(tǒng)工藝之外,依靠仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)研發(fā)了一款用于提升氣缸蓋清潔度的自動(dòng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)
2.1技術(shù)要求
該工廠設(shè)計(jì)建造缸蓋下線工位自動(dòng)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(jì),無(wú)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(wú)過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備需具備缸蓋瓦蓋螺栓防脫落機(jī)構(gòu),運(yùn)行時(shí)無(wú)螺栓掉落風(fēng)險(xiǎn);需為全自動(dòng)化設(shè)備,無(wú)需人工操作,即可實(shí)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(hào),需滿足通用性、可快速更換等性能,備件采購(gòu)方便快速。設(shè)備需具備全柔性,兼顧該發(fā)動(dòng)機(jī)工廠在產(chǎn)B系列自然吸氣、增壓機(jī)型及未來(lái)新機(jī)型。
(3)設(shè)備占用空間滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝要求,長(zhǎng)、寬、高均不超過(guò)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(cè)等功能,能有效識(shí)別夾不緊、夾歪等情況。設(shè)備斷電、斷氣和故障等急停時(shí)能自鎖,保證零件無(wú)松夾掉落風(fēng)險(xiǎn);可實(shí)現(xiàn)旁路功能(BAYPASS),可實(shí)現(xiàn)能量鎖定,且不影響周邊設(shè)備正常運(yùn)行。
(5)過(guò)線零件100%無(wú)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(dòng)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(diǎn),操作指導(dǎo)書(shū)要求工人對(duì)已高壓清洗、烘干的成品氣缸蓋做若干檢測(cè)。工人取得抽樣件后放置樣件在軟材質(zhì)平臺(tái)面上時(shí),有摔擊、振蕩和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。完成該動(dòng)作后會(huì)發(fā)現(xiàn),原本卡滯在水腔內(nèi)的不規(guī)則鋁屑會(huì)掉落在檢測(cè)臺(tái)上。另一方面,該工廠發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線在氣缸蓋上線點(diǎn)存在夾持氣缸蓋后旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,該過(guò)程會(huì)有部分鋁屑掉落。
基于以上觀察,通過(guò)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)研發(fā)氣缸蓋自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋁屑收集等工作,并實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)。
通過(guò)模擬人工振蕩、摔擊等動(dòng)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(duì)自動(dòng)去鋁屑設(shè)備涉及的安全、自動(dòng)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(dòng)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(shí)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(cè)設(shè)備之間。該段輥道是自動(dòng)輥道,滿足設(shè)備的全自動(dòng)運(yùn)行要求。同時(shí)該區(qū)間的氣缸蓋經(jīng)過(guò)最終清洗,零件表面及水腔內(nèi)部干燥,無(wú)切削液粘附等外部因素影響,較好地實(shí)現(xiàn)振蕩去鋁屑的作用。而且對(duì)應(yīng)區(qū)間段輥道長(zhǎng)均超過(guò)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(dòng)去鋁屑設(shè)備(圖3)。
PLC程序控制設(shè)備依次完成各個(gè)動(dòng)作:設(shè)備在感知來(lái)料后,依次完成夾緊、振料、旋轉(zhuǎn)和鋁屑收集等工序后,自動(dòng)放行開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)。各工序節(jié)拍明細(xì)如表1所示。
3設(shè)備開(kāi)發(fā)
基于功能設(shè)計(jì)及建造要求,該自動(dòng)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(dòng)特殊結(jié)構(gòu)的凸輪軸旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)包括氣缸蓋在內(nèi)的夾緊機(jī)構(gòu)上下快速振動(dòng);旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向輪運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)氣缸蓋360°旋轉(zhuǎn);吹氣機(jī)構(gòu)對(duì)振蕩出的鋁屑等雜質(zhì)吹入接渣機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)鋁屑的自動(dòng)收集;PLC控制設(shè)備動(dòng)作執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(duì)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(lái)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(shí)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(lái)適應(yīng)不同機(jī)型之間的結(jié)構(gòu)差異,無(wú)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(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)以及將各個(gè)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(dòng)作時(shí),旋轉(zhuǎn)圓盤依靠導(dǎo)向輥?zhàn)拥南尬蛔饔脤?shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng),同步帶動(dòng)被夾緊的氣缸蓋零件實(shí)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(shí)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(tái)上摔打、振蕩的過(guò)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(dòng)帶和基座等部件組成。電機(jī)帶動(dòng)振蕩凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)機(jī)構(gòu)行使至最高點(diǎn)、最低點(diǎn)交界處時(shí),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(dòng)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(dòng)電機(jī)對(duì)稱,利于翻轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)在左側(cè)導(dǎo)向板處,振蕩時(shí)就一直吹氣,便于鋁屑及時(shí)吹出來(lái)。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(dòng)、旋轉(zhuǎn)部件,因此該設(shè)備設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)可降低噪聲污染。第二層采用格柵防護(hù),將振動(dòng)部件隔離起來(lái),規(guī)避運(yùn)動(dòng)部件造成的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。
4有效性及效益計(jì)算
自動(dòng)振蕩設(shè)備建成后,設(shè)計(jì)人員連續(xù)跟蹤設(shè)備效果6個(gè)月,整體運(yùn)行良好,無(wú)零部件壓傷等質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)對(duì)氣缸蓋下線成品清潔度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),設(shè)備投產(chǎn)后,該生產(chǎn)線在無(wú)其他變量的情況下,氣缸蓋平均清潔度水平由原來(lái)的2.29mg/臺(tái)提升至1.46mg/臺(tái),清潔度水平提升36%,裝配線長(zhǎng)缸體氣密性檢驗(yàn)合格率大幅提升(圖6)。
統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),該設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)后,預(yù)計(jì)可減少因鋁屑夾雜導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)返修18臺(tái)/月,并大幅提升清潔度,提升發(fā)動(dòng)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(wàn)元/年,包括:
發(fā)動(dòng)機(jī)返修材料費(fèi)用=800元/臺(tái)×18臺(tái)/月×12月=173000元
發(fā)動(dòng)機(jī)返修人工費(fèi)用=26.77元/人·小時(shí)×0.5小時(shí)×2人×18臺(tái)/月×12月≈5782元
對(duì)比設(shè)備成本投入,設(shè)備建造一次性投入約48.0萬(wàn)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(yǔ)
該鋁屑清除設(shè)備的研發(fā),通過(guò)全自動(dòng)PLC程序控制及特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行既定動(dòng)作,全程無(wú)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(zhǎng)缸體泄漏問(wèn)題。
該設(shè)備在發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)氣缸蓋線的自動(dòng)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(jià)值。