一种生产线用缸体夹具的设计与实现

齐 彦 汪 韬 康西英

(北京机床研究所有限公司, 北京 100102)

汽车产业是国民经济发展的支柱型产业，是显示一个国家工业发展水平的重要标志，发动机缸体作为汽车五大部件之一，其生产效率和加工质量直接关系到整车的生产性能和质量，因此，发动机缸体的加工一直备受各大厂家的高度重视[1]。据国内外资料来看，汽车发动机缸体的生产形式大致有如下几种：在传统组合机床自动线基础上进行柔性化改造，通过柔性化改造以提高组合机床的自动化程度，尤其在加载了计算机数控系统之后，自动线的柔性化程度大大提高；随着加工中心的问世及普及，由于加工中心可装若干把刀具，并能自动换刀，在一次装夹中可完成铣、镗、钻、铰和锪等工序，可用于加工各种箱体类、板类复杂零件[2]，更适用于复杂零件加工的高效自动化。因此，以加工中心为主，以普通机床及组合机为辅的准柔性生产线得以运用；为提高生产效率，缩短重复工作时间，对于多型号、大批量生产适用的柔性传输生产线和柔性制造系统不断迭代而生。

发动机缸体的加工技术大致经历了由刚性自动化到数控加工中心、再到柔性制造生产线、柔性制造系统和敏捷柔性生产线制造。敏捷柔性自动线的问世，大大提高了适应市场的能力，因而得到了广泛的应用。敏捷柔性自动线依靠其良好的适应市场能力和适度的投资范围，很受发达国家青睐。虽然我国在汽车发动机基础理论及相关技术研究方面取得了较大进步，但是，生产设备基本靠进口，工艺标准依赖国外，从根本上没有形成自主制造技术。为提高制造能力，相关理论研究和技术改进亟待进一步开展。

缸体作为一种典型的箱体零件，各面的加工一般采用铣削的加工方式，孔系加工一般采用钻、扩、铰、镗和攻丝等加工方式[3]。随着技术的进步，对于缸体零件的加工已逐步实现生产线作业完成。在生产线加工过程中，为了提高工作效率，提高产线加工的通用性，同时为了方便工件定位，减少定位误差，因此，夹具的设计就很有必要。

1 设备组成

轿车用缸内直喷汽油发动机缸体柔性生产线，是1条半自动柔性生产线，该生产线由1台打标机和6台单工位加工中心组成，夹具系统带有定位检测功能，物流系统包括回转平台、翻转装置、送料滑板、非机动辊道等。该产线由6台μ2000/500H卧式加工中心组成，整线加工CPK≥1.67。机床配置特点：电主轴直驱控制，伺服轴双驱同步控制，刀具中心内冷，大流量工件冷却及喷淋，自动冷却排屑系统，凸轮或换刀机构，刀对刀时间(包含松紧刀)为4.5 s。机床主要参数：X/Y/Z轴行程:750 mm /700 mm /700 mm;X/Y/Z轴快速进给速度：40 m/min；主轴转速：8 000 r/min；X/Y/Z轴定位为0.006 mm；X/Y/Z轴重复定位精度为0.004 mm。

本机床选用日本FANUC 公司生产的0i-M 控制系统、αi系列伺服单元及伺服电机，该系统体积小、可靠性高，其所驱动的伺服单元参数均以数字信息存于系统中，因此在实际使用中，除调试简单外，伺服的稳定性较好，维护简单。主要电气配置如表1。

表1 电气配置

换刀类型采用随机式换刀，刀具和刀套之间没有固定的对应关系，系统记忆刀具号，而不记忆刀套号。刀库是由I/O LINK 型β放大器控制1个伺服电机进行分度，其功能是将被指定刀号的刀具分度到换刀位置[4]，分度方式为就近找刀。开机后，必须进行刀库的手动回零。当刀库旋转不在位时(如在刀库转动中急停时)，可通过回零来校正刀库位置。刀库回零方法为：在回零方式下，按下刀库回零键，刀库开始回零，回到零点后，操作面板上的“刀库回零”灯亮。

2 产线工艺规划

柔性生产线总体工艺路线为：毛坯上料；编码刻字；OP10加工前、后面孔系及后面过渡基准孔；OP20加工顶、底面孔系及底面基准孔；OP30加工前、后面及排气面孔系；OP40加工前、后面及进气面孔系；OP50加工顶、底面及进、排气面油孔及斜孔孔系；OP60加工顶面及底面螺栓孔孔系及瓦盖面。其中OP20、OP30、OP40、OP50、OP60序夹具采用间接方式实现工件定位(初限位托板落下工件定位和抬起工件脱销方式等)，不允许人工手持工件直接装入定位销定位。夹具有防止缸体错装和装夹不到位功能[5]，只能让产品以唯一的状态正确进入夹具。设备操作工位处应有工件正确安装姿态的指示铭牌。每套夹具只装夹1个工件，在夹具上设置可检测的坐标原点，并在夹具上刻印原点坐标值。

6台设备前有一条非机动辊道，操作者推送工件到下一工位，再推进到该工位夹具托板上，因为每套夹具设计有导向装置，所以，推进过程不会造成太大偏离，托板落下完全能实现精准定位。OP10、OP30和OP40这三序工件摆放姿态相同，而且从定位到夹压，刚性较好。OP50、OP60两序采用弯板形式，定位、夹紧等方式，与OP30、OP40完全相同，所以这五序相对刚性好，不存在夹压变形问题，只有OP20定位夹紧方式变化较大。本文着重介绍OP20设计原理及工艺路线规划。

3 夹具设计

由于该缸体零件形状复杂，体积较大，材料为HT250精铸件，外形尺寸大致为367.5 mm×410 mm ×320 mm，因此，所设计的夹具外形尺寸为902 mm×570 mm×360 mm；并且由于该缸体零件多处是薄壁[6]，从上机夹压到加工都存在变形问题，所以，辅助支撑位置的选择，夹压力量的给定和切削参数的设置是决定零件合格与否的关键因素。根据零件特点，夹具设计采用一面两销定位方式，如图1所示，采用B面作为定位面和该面上两个φ10.5H7销孔定位。

配合一个圆柱销和一个菱形销，其中菱形销短轴与销的连心线方向相同[7]，以消除两个定位孔中心距误差造成的过定位影响。并且选择了6点辅助支撑，如图2所示，上面4点液压夹紧(1、2、3、4点)，通过一路油液控制4点压力。侧面4点辅助支撑(5、6、7、8点)，下面2点辅助支撑(9、10点)。设计过程中，考虑到工件是通过托盘经过滑轨输送到工作台上，为了保证工件装夹过程更加准确、平滑，特意将定位销顶部设计成圆帽形(如图3所示)。这种没有棱角的设计可以有效减小接触面的摩擦力，保证定位更加精准。

4 试切验证

4.1 工艺路线排程

夹具设计后，便在加工中心上进行试切操作。刀具主要选用美国肯纳公司的高精度和高刚性的钻头、立铣刀、面铣刀、镗刀、铰刀及一些复合刀和非标专用刀等。根据加工内容和产线节拍要求[8]，各工位所用刀具数量及生产节拍分别如表2所示。

表2 各工位生产节拍

4.2 OP20加工工艺

依据加工需要，OP20的加工工艺卡如表3所示。表中1301、2201、7100等代号为OP20加工内容的编号。

表3 OP20加工工艺卡

续表

续表

加工工艺总的原则：先面后孔，先粗后精，1个面上的加工内容要1次完成，而且相同加工内容也要尽可能1次完成，既要减少转台回转次数，同时也要争取把刀具换刀次数降到最低[9]，为提高加工效率、满足节拍要求提供有效的保障。

4.3 难点攻克

具备良好的理论基础是实际加工过程中的必要条件，依据缸体工件结构特点设计好夹具后，最重要的环节就是试切验证夹具设计过程中出现的问题。在实际加工过程中，却发现缸体顶部变形比较严重，为解决此问题，曾尝试减少顶部油缸压力、增加两侧油缸压力等方法[10]，检测变形程度都没有得到很好的效果。使用三坐标测量仪检测得到部分检测结果如表4所示，可见特征2100(底面)对A面(即图2中的A面)的垂直度实测值MEAS为0.090 mm，距离上限0.1 mm只有0.010 mm的余量，十分危险。

表4 更改油路前检测结果 mm

表4中：NOMINAL为标称值；TOL为公差；MEAS为实测值；DEV为偏差；OUTTOL为超差。平面度1为特征2100(底面)的平面度；垂直度3为特征2100(底面)对A面(即图2中的A面)的垂直度；垂直度4为特征2102(图1中定位孔)对B面(图1中B面)的垂直度。

最终，通过计算和试验，4处压点采用两种油压既能压紧工件又不至于使工件变形[11]，也就是图2中1和2油缸走一条管路，3和4油缸走另一条管路，两条管路压力不一致。3,4号油缸送气压力大于1,2号油缸，由于薄壁工件存在薄弱环节，容易夹压变形，通过上述方法更改油路后，检测结果如表5，特征2100(底面)对A面的垂直度实测值MEAS为0.017 mm，达到图纸要求[12]，相较之前有很大进步。

表5 更改油路后检测结果 mm

通过这一设计的小小改进，不仅解决了夹压变形的问题，更提高了夹具的定位精度，为工件的加工提供了有力保障。并根据加工部位和加工内容的不同特点，分别设置合理的切削速度和进给量等切削参数，既保证了加工速度，又满足了节拍的要求。

4.4 加工程序

以T20号刀加工为例，设置主轴转速1 250 r/min，进给速度600 mm/min，按照代码指令进行加工。在编程过程中注意主轴转速指令可以用S 代码后接最多5 位数字直接给出[13]。而且，主轴转速可以在其规定范围内按1 r/min 的级差命令。加工程序代码如下：

%

O1020(T20/18/REAM H6301)

G28G91Z0G49

IF[#4120EQ20]GOTO100

T20

M06

N100M01

G90G53G49Z0

G90G57G00B0.

#501=1250(SPEED)

#511=600(FEED)

G90G57G43G00X-287.0Y75.0Z540.0H20M23S#501T21

G0Z221.0

G01Z207.5(210.)F#511

G90G53G49G00G80Z0

G91G30X0Y0M24

M06

#540=5021

M99

%

5 结语

本文介绍了发动机缸体生产形式及技术历程，着重对轿车用缸内直喷汽油发动机缸体柔性生产线加工过程中OP20工序的夹具设计、难点攻克及解决、电气控制等方面内容进行分析，通过实际操作验证，夹具设计效果良好，电气配合无缝衔接，并且在实际切削过程中得到了很好的验证与应用，为产线加工保驾护航，极大地提高了生产效率。