汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體自動(dòng)清洗專(zhuān)用機(jī)床設(shè)計(jì)*

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(yáng) 618000)

0 引言

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展及汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，對(duì)汽車(chē)零部件的加工質(zhì)量要求也越來(lái)越高[1-2]。缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的組成零件之一,也是發(fā)動(dòng)機(jī)總裝的基礎(chǔ)零件[3],其清潔度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性及裝配質(zhì)量[4]。缸體表面粘連的雜質(zhì)會(huì)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(dòng)機(jī)的總成裝配，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求并影響使用壽命[5]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)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(mǎn)足使用要求。作者與重慶某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)了用于缸體清洗的專(zhuān)用設(shè)備。設(shè)備主要由工件傳輸線(xiàn)、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(diǎn)清洗，具有高可靠性、高精度及高清潔度等優(yōu)點(diǎn)。

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(huì)影響整個(gè)機(jī)械加工過(guò)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(dòng)機(jī)的總成性能，故要想得到高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)需對(duì)缸體生產(chǎn)全過(guò)程的清潔度進(jìn)行必要的控制[6]。針對(duì)缸體清潔度問(wèn)題，不同制造商會(huì)采取不同的措施控制清潔度[7]，具體控制措施見(jiàn)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(duì)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(dòng)清潔問(wèn)題，一般是先將缸體在浪涌水箱內(nèi)對(duì)其表面進(jìn)行刷洗，再至定點(diǎn)清洗工位，利用工位上的高壓水對(duì)工件內(nèi)部進(jìn)行清洗，然后將工件運(yùn)送至定點(diǎn)吹干工位，對(duì)工件的重點(diǎn)部位及孔道進(jìn)行預(yù)干燥，最后進(jìn)行干燥及密封測(cè)試[8-9]。

針對(duì)其中定點(diǎn)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(zhuān)用清洗機(jī)床方案[10]。機(jī)器人+變位機(jī)工藝方案可對(duì)各種發(fā)動(dòng)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(duì)此方案所涉及的動(dòng)作均采用手動(dòng)示教編程，無(wú)針對(duì)這一工藝過(guò)程軌跡自動(dòng)規(guī)劃及編程的成熟技術(shù)，存在加工效率低、精度差等問(wèn)題，且由于清洗過(guò)程需要較好的密封性，此方案所占空間較大[11]；而專(zhuān)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(shí)現(xiàn)整個(gè)清洗過(guò)程的全自動(dòng)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(dòng)化程度及清潔度等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，選擇設(shè)計(jì)專(zhuān)用清洗設(shè)備對(duì)缸體進(jìn)行定點(diǎn)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(jì)了如圖1所示的缸體清洗專(zhuān)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(zhuān)用夾具、可換定位機(jī)構(gòu)、輥道運(yùn)輸線(xiàn)、“十字”數(shù)控滑臺(tái)、自動(dòng)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(zhuān)用夾具，對(duì)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(tái)，數(shù)控滑臺(tái)上設(shè)置專(zhuān)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(tái)帶著水槍對(duì)工件進(jìn)行定點(diǎn)定位清洗；可換定位機(jī)構(gòu)及工件由輥道傳送線(xiàn)運(yùn)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(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)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(yùn)輸機(jī)構(gòu)將缸體運(yùn)送至專(zhuān)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(duì)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(tái)帶著高壓水槍與旋轉(zhuǎn)變位配合完成缸體的定點(diǎn)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(kāi)，上下料機(jī)構(gòu)將缸體推出旋轉(zhuǎn)變位機(jī)至輥道運(yùn)輸線(xiàn)，其下輥道機(jī)構(gòu)上升，將缸體抬升至輥道運(yùn)輸線(xiàn)平行位置，運(yùn)送至下一工序，如此循環(huán)，自動(dòng)完成缸體的清洗。如需清洗其他類(lèi)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(jì)

3.1 專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由前述布局方案可知，專(zhuān)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(jì)的專(zhuān)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(gè)銷(xiāo)孔及底面形成“一面兩孔”對(duì)缸體進(jìn)行定位，即利用可換定位機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)定位銷(xiāo)4及4個(gè)缸體定位支撐板28對(duì)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(duì)其進(jìn)行定位，利用夾緊氣缸9及“Z”型夾緊板對(duì)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(xiāo) 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(yùn)輸線(xiàn) 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(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)，專(zhuān)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(yùn)輸線(xiàn)11上，由其將缸體運(yùn)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(xiāo)自動(dòng)插入缸體底面的兩個(gè)定位孔，對(duì)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(duì)其進(jìn)行定位；可換定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至定位位置后，氣缸18氣缸桿向后運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)，松開(kāi)工件及可換定位機(jī)構(gòu)，氣缸18氣缸桿向前運(yùn)動(dòng)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(yùn)輸線(xiàn)11上，其下輥道上升，將缸體底面抬升至與輥道平行位置，運(yùn)送至下一道工序，如此循環(huán)，完成工件的自動(dòng)清洗。

3.2 上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在考慮自動(dòng)化、配合專(zhuān)用夾具上下料及干涉等因素的前提下，設(shè)計(jì)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(kāi)始清洗時(shí)，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(yùn)輸線(xiàn)上，自動(dòng)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(xiāo)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(yùn)動(dòng)，使“L”型回轉(zhuǎn)塊繞支撐板13上的鉸鏈14逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，進(jìn)而使拉桿1繞著鉸鏈19逆時(shí)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(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使拉桿順時(shí)針運(yùn)動(dòng)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(xiāo) 3、18.U型插座 4、17.橫桿 5、16.拉桿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)氣缸桿 6、11.拉桿回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)氣缸 7、10.拉桿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(yàn)證

針對(duì)某型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工后的自動(dòng)清洗，制造了如圖4所示的專(zhuān)用清洗設(shè)備。設(shè)備經(jīng)實(shí)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(shí)/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(tái)設(shè)備的生產(chǎn)綱領(lǐng)為：8×2×280×0.85×0.85×60/1.5=13萬(wàn)件。而企業(yè)要求的單臺(tái)設(shè)備年生產(chǎn)綱領(lǐng)為10萬(wàn)件，可知設(shè)計(jì)的設(shè)備滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍需要。即設(shè)計(jì)的工藝及裝備滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)效率及清潔度要求。

圖4 機(jī)床實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體機(jī)械加工后清潔度存在的問(wèn)題及控制要求，提出了專(zhuān)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(dòng)清洗方案；

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

(3)根據(jù)專(zhuān)用機(jī)床整體布局方案，設(shè)計(jì)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(shí)際生產(chǎn)表明：?jiǎn)闻_(tái)設(shè)備實(shí)際年生產(chǎn)綱領(lǐng)達(dá)到13萬(wàn)件左右，生產(chǎn)效率及清潔度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。