在線測(cè)量和自動(dòng)漲刀在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)柔性生產(chǎn)線上的應(yīng)用

王云德，杜 喬

（格勞博機(jī)床（大連）有限公司 研發(fā)設(shè)計(jì)部，大連 116600）

0 引言

最近二十年來(lái)，由于整體社會(huì)對(duì)汽車(chē)的需求量不斷增大，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈和市場(chǎng)需求的日益多樣化，汽車(chē)新產(chǎn)品的更新速度不斷加快，原有單一品種、大批量生產(chǎn)的缸體剛性生產(chǎn)線已不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要[1]，而缸體作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的五大核心部件之一，其制造工藝一直是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其加工精度和一致性的好壞對(duì)汽車(chē)性能的影響很大，缸體屬于多面多孔的箱體類(lèi)零件，結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，壁薄多筋、壁厚不均、剛度低，對(duì)尺寸、粗糙度、幾何形狀及其相互位置都有較高的精度要求[2]如何能夠利用自動(dòng)化程度高的柔性加工生產(chǎn)線，縮短節(jié)拍，提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量和質(zhì)量是十分關(guān)鍵的。缸孔現(xiàn)有的機(jī)械加工設(shè)備，由于節(jié)拍短，產(chǎn)量高，刀具磨損很快，刀具直徑調(diào)整時(shí)間周期短，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)于上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)的解決方案是，操作者利用量規(guī)在生產(chǎn)線上抽樣檢查，當(dāng)工件接近公差下線時(shí)，需要停機(jī)人工調(diào)刀，當(dāng)?shù)毒哒{(diào)整完成后，重新啟動(dòng)生產(chǎn)線，上述方案缺陷是：抽樣檢查會(huì)出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，導(dǎo)致殘次品的出現(xiàn)，另外，停機(jī)人工調(diào)刀，降低生產(chǎn)效率，人工調(diào)刀易出現(xiàn)較大誤差，降低調(diào)刀質(zhì)量。本文著重介紹對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的自動(dòng)化加工流程，包括利用Marposs設(shè)備進(jìn)行的在線測(cè)量和通過(guò)西門(mén)子系統(tǒng)信息的反饋，當(dāng)被測(cè)量的缸孔孔徑接近公差下限時(shí)，利用Mapal鏜刀的直徑可調(diào)節(jié)功能，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算，將鏜刀移動(dòng)到調(diào)刀位置進(jìn)行漲刀，將刀具直徑調(diào)整到孔徑公差接近上限，繼續(xù)進(jìn)行加工生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)在整條生產(chǎn)線不停頓的情況下，保證缸孔直徑的加工在允許的公差帶內(nèi)，保證了缸體的生產(chǎn)質(zhì)量，為日益崛起的中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)提供了有力的保障和支持。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)線的排序

為了優(yōu)化自動(dòng)化生產(chǎn)線的性能和合理安排工序，這里把缸孔精加工序和缸孔檢測(cè)量工序順序排列，并通過(guò)桁架機(jī)械手進(jìn)行工件輸送，如圖1所示，圖中左側(cè)工位為缸孔加工工位的機(jī)床，負(fù)責(zé)缸孔的精加工以及其他加工內(nèi)容，為保證產(chǎn)能，此工位一共兩臺(tái)機(jī)床分別位于機(jī)械手兩側(cè)，由機(jī)械手負(fù)責(zé)把未加工的工件放到中間上料裝置，通過(guò)上料裝置把工件輸送到機(jī)床內(nèi)，然后再通過(guò)中間上料架把完成加工的工件從機(jī)床內(nèi)取出，通過(guò)機(jī)械手輸送到測(cè)量工位，圖中右側(cè)工位為測(cè)量工位，把缸體孔徑的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄并反饋整條生產(chǎn)線系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)線布局圖

2 Marposs測(cè)量設(shè)備

Marposs測(cè)量設(shè)備，是利用氣壓式測(cè)量探頭，如圖2所示，在每個(gè)被測(cè)量的缸孔內(nèi)，測(cè)量3個(gè)截面的孔徑尺寸，然后取平均值記錄。氣壓式測(cè)量探頭的檢測(cè)原理是，利用特定的兩個(gè)量規(guī)，孔徑分別是和來(lái)校準(zhǔn)氣壓式測(cè)量探頭的測(cè)量氣壓值，這兩個(gè)測(cè)量的氣壓值也反映了缸孔加工尺寸的極限值φ74.945±0.015，即公差。而認(rèn)為在這區(qū)間內(nèi)的缸孔孔徑與氣壓值是成線性關(guān)系的，D=-kP+A。

其中D是缸孔直徑，P是測(cè)量的氣壓值。

圖2 氣壓式檢測(cè)探頭

3 帶鏜刀頭鎖緊卡爪的夾具

此工位的夾具采用傳統(tǒng)的一面兩銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，缸體底面作為定位面[3]，如圖3所示，軸向和徑向推靠裝置保證消除定位銷(xiāo)與銷(xiāo)孔之間的間隙，防掉料裝置保證機(jī)床斷電情況下工件不會(huì)由于重力作用脫落，保證機(jī)床的安全可靠性，上端的四個(gè)輔助支撐保證缸孔加工工程中的剛性以及避免缸孔在加工過(guò)程中的振動(dòng)，保證了缸孔加工的位置度和光潔度，且整個(gè)夾具可繞A軸旋轉(zhuǎn)，用于自動(dòng)漲刀和加工缸體其他部分，并且此夾具采用雙工作臺(tái)，利用雙主軸機(jī)床，每次可以同時(shí)加工兩個(gè)工件，大大降低節(jié)拍。

圖3 帶鏜刀頭鎖緊卡爪的夾具

而位于夾具外側(cè)的鏜刀頭鎖緊卡爪裝置是專(zhuān)門(mén)為調(diào)整鏜刀直徑設(shè)置的，此裝置為彈簧復(fù)位，鏜刀頭驅(qū)動(dòng)的楔形結(jié)構(gòu)，具體點(diǎn)說(shuō)，當(dāng)主軸帶著鏜刀移動(dòng)到調(diào)到位置，如圖4所示，左側(cè)為鏜刀頭鎖緊卡爪位置時(shí)，主軸沿軸向進(jìn)給，當(dāng)右側(cè)鏜刀頭前端接觸到推桿時(shí)，推桿的楔形結(jié)構(gòu)會(huì)使卡爪繞銷(xiāo)釘旋轉(zhuǎn)，此裝置共3個(gè)卡爪，當(dāng)鏜刀頭繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí)，卡爪慢慢抱緊鏜刀頭的，鏜刀頭前端為齒輪狀，而三個(gè)卡爪也為齒輪狀，當(dāng)鏜刀沿軸向移動(dòng)到設(shè)定值時(shí)，卡爪與鏜刀頭前端成嚙合狀態(tài)，當(dāng)鏜刀直徑調(diào)整完成時(shí)，主軸帶著鏜刀沿反方向后退，當(dāng)鏜刀頭前端慢慢離開(kāi)推桿時(shí)，被壓縮的彈簧開(kāi)始復(fù)位，使得在鏜刀后退的過(guò)程中，卡爪慢慢打開(kāi)，回到初始的打開(kāi)狀態(tài)。

圖4 自動(dòng)漲刀原理圖

4 Mapal直徑可調(diào)鏜刀

精鏜自動(dòng)補(bǔ)償是一項(xiàng)已誕生多年的成熟技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件的孔加工中得到了較為廣泛的應(yīng)用。以缸體為例，在其加工中，缸孔精鏜是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位誤差,將直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量[4]，本文介紹的缸孔精加工機(jī)床采用HSK100標(biāo)準(zhǔn)刀柄，鏜刀直徑設(shè)置為φ74.945±0.01，刀片為正六方形CBN材料，沿鏜刀圓周方向分布3處，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，鏜刀頭前端是齒輪狀可旋轉(zhuǎn)調(diào)整頭，調(diào)整頭與鏜刀桿內(nèi)部的傳動(dòng)軸為螺紋連接，當(dāng)調(diào)整頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)軸沿軸向移動(dòng)，而傳動(dòng)軸和傳動(dòng)柱為楔形連接，當(dāng)傳動(dòng)軸向刀柄方向移動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)柱在楔形面的推動(dòng)下推動(dòng)刀片的安裝架向外沿徑向移動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了漲刀功能。刀片的安裝架在彈簧力的作用下，使得刀片始終緊緊靠向傳動(dòng)軸，保證整體刀具的剛性，刀片為可拆裝式六刃加工刀片，大大提高了刀具的使用壽命。當(dāng)鏜刀進(jìn)入漲刀程序時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)孔徑的測(cè)量值，計(jì)算出漲刀量，即刀片的徑向移動(dòng)位移。直徑可調(diào)式鏜刀利用傳動(dòng)軸的軸向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)刀片的徑向移動(dòng)，由于楔形結(jié)構(gòu)連接，所以傳動(dòng)軸的軸線位移與刀片的徑向位移存在線性關(guān)系，又因?yàn)閭鲃?dòng)軸的軸向位移是由于傳動(dòng)軸和鏜刀前端的調(diào)整頭螺紋連接構(gòu)成，所以刀片的徑向位移與鏜刀前端的調(diào)整頭旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系。最終，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)漲刀量，計(jì)算出鏜刀調(diào)整頭旋轉(zhuǎn)角度，即調(diào)刀旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)主軸帶著鏜刀進(jìn)入鏜刀頭鎖緊卡爪時(shí)，鏜刀頭前端固定，主軸在調(diào)刀程序驅(qū)動(dòng)下，主軸回轉(zhuǎn)角度為調(diào)刀旋轉(zhuǎn)角度，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漲刀。此漲刀過(guò)程大致需要3至5秒，當(dāng)?shù)毒吣p的工程中，此漲刀工藝可以重復(fù)使用，直到鏜刀的調(diào)整行程到達(dá)極限，大大調(diào)高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)整條生產(chǎn)線的成功優(yōu)化，并對(duì)汽缸體缸孔進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，缸孔的尺寸精度與形位精度均達(dá)到了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)指標(biāo)，機(jī)床在客戶端投入使用一年多以來(lái)，各項(xiàng)性能均保持良好，保證了年產(chǎn)量任務(wù)和產(chǎn)品質(zhì)量，而這種優(yōu)化的生產(chǎn)線工藝也同時(shí)應(yīng)用在長(zhǎng)春某知名汽車(chē)缸體生產(chǎn)線項(xiàng)目，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為0.5min/件，缸體年生產(chǎn)量達(dá)到70萬(wàn)件，隨著技術(shù)的更加成熟，這種優(yōu)化的柔性生產(chǎn)線還會(huì)在未來(lái)服務(wù)更多汽車(chē)動(dòng)力企業(yè)。

圖5 直徑可調(diào)鏜刀