摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體三面加工工藝*

滕峻林，肖鐵忠，馮錦春，羅 靜

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000；2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054 )

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工歷來是發(fā)動(dòng)機(jī)廠商的最為重視的環(huán)節(jié)之一，因其加工精度及裝配精度將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的性能及品質(zhì)，故而企業(yè)一般均會(huì)投入大量財(cái)力、物力及人力以保證其品質(zhì)[1-4]。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體球室、排氣孔及其上部分螺紋孔的精加工，目前國內(nèi)基本以傳統(tǒng)的工藝及裝備為主，主要缺陷體現(xiàn)在加工精度不夠、生產(chǎn)效率及合格率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)成本居高不下等[5-8]。造成前述問題的主要原因是國內(nèi)針對(duì)大量生產(chǎn)產(chǎn)品的專用工藝及裝備研發(fā)力量相對(duì)分散及薄弱，沒有形成規(guī)模團(tuán)隊(duì)及制造能力[9-10]。針對(duì)某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體三面加工要求，在對(duì)比各種工藝方案優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，提出了一次裝夾，三面同時(shí)鏜、锪、攻絲加工的工藝方案，有效解決了企業(yè)多方面存在的短板。

1 工件參數(shù)及主要技術(shù)要求

工件主要參數(shù)如下：

名稱：CG125氣缸頭;

外形尺寸：197 mm×153 mm×99mm;

工件材質(zhì)：鋁合金ZL111;

材料硬度：90-125HBS;

工件重量：重約5kg。

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體三面八孔的尺寸精度及形位精度要求如圖1所示，年生產(chǎn)綱領(lǐng)為20萬件/年。

(a)主視圖 (b)向視圖

(a)主視圖 (b)俯視圖1、16.床身 2、17.左伺服電機(jī) 3、18.左數(shù)控滑臺(tái) 4.數(shù)控滑臺(tái)防護(hù)罩 5.帶輪 6、19.左主軸箱 7.左主軸電機(jī) 8.鏜刀 9.夾具 10.絲錐 11、25.右主軸箱 12.數(shù)控面板 13.右主軸電機(jī) 14、27.右數(shù)控滑臺(tái) 15、28.右伺服電機(jī) 20.冷卻箱 21.后主軸箱 22.后數(shù)控滑臺(tái) 23.后伺服電機(jī) 24.锪刀 26.電氣柜圖2 專用機(jī)床結(jié)構(gòu)布局示意圖

由圖1知，工件各孔成形后尺寸及形位精度要求均較高，主要技術(shù)要求如下：

(1)球室的球體半徑尺寸精度為R33.5±0.02mm，表面粗糙度值為Ra=1.6μm；

(2)排氣口為階梯孔，其尺寸精度分別為40±0.02mm與42±0.02mm，兩孔內(nèi)壁表面粗糙度值為Ra=3.2μm，主視圖中，其中心軸線與垂直平面逆時(shí)針呈10°角，向視圖中(K向)，其中心軸線與垂直平面順時(shí)針呈7.6°角

(3)K向視圖中，6個(gè)螺紋孔中心軸線到工件對(duì)稱中心軸線的尺寸精度均為±0.15mm，各螺紋孔直徑精度均為6H；

綜上所述，本工序共有8個(gè)孔(球室)需要加工，分別位于3個(gè)不同的平面內(nèi)，其尺寸精度要求相對(duì)較高，且工件屬于大量生產(chǎn)(20萬件/年)，需要較高的生產(chǎn)效率保證生產(chǎn)任務(wù)要求，如采用一次裝夾同時(shí)完成所有加工內(nèi)容的工藝方案，對(duì)工藝及裝備均提出較高要求。

2 工藝方案分析

針對(duì)本工件，企業(yè)的年生產(chǎn)任務(wù)在20萬件左右，為降低生產(chǎn)成本，要求合格率在99.9%以上，為降低用人成本，要求設(shè)計(jì)或選用的工藝及裝備具有較高的自動(dòng)化水平。目前，針對(duì)工件本道工序的主要加工方式大概可以總結(jié)為如下兩種：一是搖臂鉆床或銑床，其主要缺點(diǎn)是裝夾及換刀次數(shù)多，造成加工精度及生產(chǎn)效率極低(單臺(tái)設(shè)備年生產(chǎn)綱領(lǐng)在4萬件以下)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，合格率在80%左右，根本無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需要；二是加工中心，其主要缺點(diǎn)是前期設(shè)備投入大，雖然加工精度及自動(dòng)化程度高，但是需多次裝夾，加工效率較低(單臺(tái)設(shè)備年生產(chǎn)綱領(lǐng)在10萬件以下)，設(shè)備利用率低，無法發(fā)揮設(shè)備高精度高效率的優(yōu)勢。而專用設(shè)備因其具有高精度、高效率及高自動(dòng)化程度而成為大量生產(chǎn)產(chǎn)品的首選方案[11]。通過對(duì)比分析后，本文即采用專用工藝及裝備的方案對(duì)本道工序內(nèi)容進(jìn)行加工，缸體球室采用精鏜工藝，排氣口階梯孔采用锪孔工藝，其上6個(gè)螺紋孔采用絲錐攻絲工藝，由于8個(gè)孔位于3個(gè)不同的平面，故在專用設(shè)備的左、右及后方設(shè)置3個(gè)專用主軸箱，以達(dá)到一次裝夾同時(shí)完成三面八孔加工的目的。具體機(jī)床布局方案如圖2所示，左主軸箱完成球室鏜削加工，右主軸箱完成攻絲，后主軸箱完成锪削加工。

3 工藝方案設(shè)計(jì)

3.1 加工姿態(tài)及定位方案設(shè)計(jì)

(a)俯視圖 (b)左視圖圖3 加工姿態(tài)及定位方案示意圖

3.2 球室加工方案設(shè)計(jì)

1.精鏜刀 2.專用夾具 3.工件圖4 球室加工方案

加工時(shí),球室所在平面朝左，與夾具頂面配合對(duì)工件進(jìn)行正確定位。球室的球體半徑尺寸精度為R33.5±0.02mm，表面粗糙度值為Ra=1.6μm，可知其需要精加工才能滿足精度要求。經(jīng)過工藝對(duì)比后采用精鏜工藝，設(shè)計(jì)專用鏜刀刀具，工藝方案及刀具結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

工件材料為鋁合金，質(zhì)地相對(duì)較軟，易于加工，經(jīng)工藝切削對(duì)比后精鏜刀片選用耐磨性較好的YG6X鎢鋼材料，故加工時(shí)切削線速度選210m/min左右，進(jìn)給速度選200mm/min，球室精加工攻進(jìn)時(shí)間為6s。

圖5 球室精鏜刀具

3.3 排氣口臺(tái)階孔加工方案設(shè)計(jì)

工件正確定位夾緊后，排氣口階梯孔位于工件的后端，在圖1主視圖中，其中心軸線與垂直平面逆時(shí)針呈10°角，向視圖中(K向)，其中心軸線與垂直平面順時(shí)針呈7.6°角，其尺寸精度分別為40±0.02mm與42±0.02mm，兩孔內(nèi)壁表面粗糙度值為Ra=3.2μm。由圖1及其精度要求可知，兩孔需要精加工，由于兩孔處于同軸線，但是直徑大小不同，如采用精鏜則需兩把刀具，即加工過程中需進(jìn)行一次換刀，影響效率及自動(dòng)化程度，故采用復(fù)合刀具偏轉(zhuǎn)合適角度的工藝方案對(duì)其進(jìn)行锪削加工，具體加工方案及刀具結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。排氣口臺(tái)階孔的角度由刀具旋轉(zhuǎn)及工件本身旋轉(zhuǎn)保證，其尺寸精度由刀片安裝半徑保證。

1.專用夾具 2.锪削復(fù)合刀具 3.工件圖6 锪削工藝方案 圖7 锪削刀具

3.4 螺紋孔加工方案設(shè)計(jì)

對(duì)于工件上的6個(gè)螺紋孔，位置如圖1b所示，各孔中心軸線到工件對(duì)稱中心軸線的尺寸精度均為±0.15mm，各螺紋孔直徑精度均為6H，知其加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在加工效率上，故本文采用單工位6軸6刀同時(shí)加工的方法對(duì)其進(jìn)行攻絲，每個(gè)孔位在專用主軸箱上對(duì)應(yīng)設(shè)置一把攻絲刀具，軸線間尺寸精度由刀具安裝精度保證，具體方案如圖8所示。

圖8 攻絲工藝方案

4 工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)制造的工藝及裝備經(jīng)工藝實(shí)驗(yàn)顯示：工件一次裝夾即可完成三面八孔的加工，尺寸及形位精度均滿足圖紙要求；合格率在99.9%以上；排氣口臺(tái)階孔工進(jìn)時(shí)間最長，在9s左右，工件實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍為30s/件。企業(yè)生產(chǎn)制度為：300日/年，2班/日，8小時(shí)/班，生產(chǎn)效率92%，設(shè)備負(fù)荷率95%，即工件所需生產(chǎn)節(jié)拍為300×2×8×0.92×0.95×60/200000=1.26min/件。而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)節(jié)拍為0.5min/件，遠(yuǎn)小于企業(yè)要求的1.26min/件，故設(shè)計(jì)的工藝及裝備滿足企業(yè)生產(chǎn)時(shí)的所有要求。

5 結(jié)束語

(1)分析對(duì)比了傳統(tǒng)加工方案的優(yōu)劣，采用工序集中原則，提出了一次裝夾完成三面八孔的全新工藝方案；

(2)以方便工件定位裝夾及上下料為原則，確定了工件的加工姿態(tài)，采用各孔角度由刀具做相應(yīng)旋轉(zhuǎn)以保證的工藝方案，確定各孔相應(yīng)的加工工藝；

(3)采用復(fù)合刀具及多面多軸加工相結(jié)合的工藝方案，大幅提升了生產(chǎn)效率。