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發(fā)動機(jī)端蓋類零件工藝裝備設(shè)計(jì)與數(shù)控加工
2022-5-23  來源： 天津廣播電視大學(xué)寧河分校  作者：李建國

     摘要：終端加工模式下，發(fā)動機(jī)端蓋等零件的加工需要使用普通車床或銑床等設(shè)備。由于裝備設(shè)計(jì)和加工較為復(fù)雜，裝夾等過程可能出現(xiàn)定位誤差等問題，工作總量較大，工作效率提升困難。針對發(fā)動機(jī)端蓋類零件設(shè)計(jì)及加工現(xiàn)存的問題，研究相關(guān)工藝裝備的設(shè)計(jì)，并基于數(shù)控加工技術(shù)，探究發(fā)動機(jī)端蓋等零件的加工內(nèi)容和加工過程等，以提升裝備設(shè)計(jì)與加工的精準(zhǔn)度及效率。

     關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)端蓋；裝備設(shè)計(jì)；數(shù)控加工

     汽車制造等領(lǐng)域中，發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)及加工極為復(fù)雜。端蓋以鋁合金等材料為主，是發(fā)動機(jī)的重要部件，其設(shè)計(jì)及加工精度直接影響發(fā)動機(jī)的性能。
 
     國內(nèi)相關(guān)企業(yè)加工發(fā)動機(jī)端蓋時(shí)，一般采用兩次裝夾的工藝，可能導(dǎo)致出現(xiàn)不合規(guī)定的定位誤差，且加工步驟較煩瑣。加工精度與技術(shù)人員的水平關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，工人勞動強(qiáng)度較高，加工效率一般，無法使企業(yè)獲得更好的效益。因此，許多企業(yè)在大批量生產(chǎn)相關(guān)零件的同時(shí)，積極增加數(shù)控機(jī)床的占比，而部分關(guān)鍵工序依然在加工中心加工，增加了產(chǎn)品加工的可變性，提升了生產(chǎn)效率和加工精度。
 
     隨著我國制造業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，汽車等產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售量逐年增加，汽車等領(lǐng)域的企業(yè)對發(fā)動機(jī)端蓋等零件的設(shè)計(jì)與加工提出了更高的要求。發(fā)動機(jī)端蓋作為相關(guān)產(chǎn)品制造的重要一環(huán)，提高其設(shè)計(jì)的合理性和加工精度與效率，已成為當(dāng)前相關(guān)企業(yè)亟待解決的技術(shù)問題。基于這一歷史背景和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合發(fā)動機(jī)端蓋的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以提升該類零件設(shè)計(jì)及加工的質(zhì)量和效率為目標(biāo)，研究如何進(jìn)行合理、高效的裝備設(shè)計(jì)與零件加工工作。

     1、發(fā)動機(jī)端蓋類零件工藝裝備的設(shè)計(jì)研究
  
     若企業(yè)采用柔性的零件生產(chǎn)模式，其加工的工序需使用專用的夾具，才能實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的切削，如鉆床用于鉆削等加工流程。但是，夾具的結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，且加工過程中多次裝夾對加工精度的影響較大。這一加工模式受人為和刀具等影響，對產(chǎn)品質(zhì)量將產(chǎn)生負(fù)面影響，影響產(chǎn)品合格率。

     針對這一問題，許多企業(yè)結(jié)合自身的技術(shù)情況及社會要求，嘗試革新自身的生產(chǎn)模式，通過剛?cè)峤Y(jié)合的生產(chǎn)模式加工發(fā)動機(jī)端蓋等零件，如使用加工中心加工 T型螺紋等零件，并設(shè)計(jì)一次裝夾多孔加工等更高效的工藝方案及相應(yīng)的工藝裝備，以提升生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品合格率，降低工人的勞動強(qiáng)度。以加工中心機(jī)床為方向，設(shè)計(jì)端蓋類零件的加工工藝裝備。例如，為了實(shí)現(xiàn)一次裝夾多孔加工及自動分度與定位功能（T列），將鉆床上完成的部分加工工作集中到加工中心完成，在提升效率的同時(shí)，保證加工精度

    這種設(shè)計(jì)需要在設(shè)計(jì)相對集中的方案的同時(shí)，在加工中心上加配數(shù)控銑床，設(shè)計(jì)并使用合理的夾具裝備。如圖 1 所示，通過氣動夾具可實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的氣動夾緊功能。工件與工裝面配合裝夾，平面度定位與徑向定位及其校正較為快捷，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和快捷裝夾。這在保證這一零件生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)加工精度的同時(shí)，減少了裝卸等輔助工作，降低了員工勞作強(qiáng)度，提升了加工效率。
  
 
     氣動夾具的主要工作是在一定精度范圍內(nèi)定位與夾緊工件。端蓋類零件的加工根據(jù)具體需要，可采用通用、專用、可調(diào)、組合以及自動線等不同類型的夾具。為提升定位精度和輔助加工中心高效加工，一般需要設(shè)計(jì)專用夾具。特別是端蓋類工件的開孔、螺紋孔等加工工序，應(yīng)結(jié)合加工要求專門設(shè)計(jì)夾具。夾具裝備一般包含底座、支座、氣缸、壓緊塊、壓板以及定位塊等結(jié)構(gòu)。底座通過螺釘與機(jī)床工作臺穩(wěn)固連接，并通過支座與上部結(jié)構(gòu)相連接。氣缸、定位板和壓板等部件通過螺栓與裝備主體相連。
  
     此類夾具裝備通過氣缸帶動壓板等部件實(shí)現(xiàn)夾緊與松開。使用時(shí)，首先將夾具裝備與加工機(jī)床穩(wěn)固連接，并進(jìn)行水平方向的調(diào)整，保證夾具各結(jié)構(gòu)的水平面處于完全水平狀態(tài)。首件加工時(shí)，氣缸根據(jù)設(shè)計(jì)的行程通過推動伸縮軸，將工件放置在夾具上，然后通過相應(yīng)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位工件和加工位置。其次，壓板等結(jié)構(gòu)在氣缸的帶動下按一定行程夾緊工件。最后，數(shù)控機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)加工。加工結(jié)束后，氣缸推動伸縮軸使壓板松開工件。更換工件后不需要重復(fù)校準(zhǔn)平面，只需按順序裝卸工件和加工工件即可。

     2、發(fā)動機(jī)端蓋類零件的數(shù)控加工
  
     發(fā)動機(jī)端蓋零件以鋁合金為主要材料，一般具有薄壁、受力易變形等特點(diǎn)，如圖 2 所示。發(fā)動機(jī)端蓋零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)的精度將影響發(fā)動機(jī)氣密性等特性，因此其加工精度等要求更高。以汽車發(fā)動機(jī)為例，每種型號的發(fā)動機(jī)都精密設(shè)計(jì)了端蓋的形位，對各結(jié)構(gòu)的圓度、同軸度、位置度以及垂直度等也提出了高精度要求。但是，實(shí)際加工時(shí)，工件受夾持后存在彈性變形。工件外圓耳部等結(jié)構(gòu)常采用斷續(xù)切削的方式，刀具切入部位的改變可能使加工部位出現(xiàn)切削紋，加上彈性變形等因素，可能使工件的平面度、圓度以及內(nèi)孔同軸度等超出設(shè)計(jì)的誤差范圍，因此需要優(yōu)化加工方案及具體的加工工藝。

  
     以往采用普通車床對發(fā)動機(jī)端蓋進(jìn)行加工時(shí)，在車床上用三爪卡盤等設(shè)備夾持外圓，依次加工內(nèi)孔、內(nèi)孔端面和端面槽，然后是二次裝卡、撐工件內(nèi)孔和再加工端蓋各爪的端面、外圓與外圓端面及徑向槽。這一加工方案需要兩次裝夾，不僅增加了加工時(shí)間，還因二次夾持變形、定位誤差和運(yùn)輸磕碰等因素導(dǎo)致工件存在加工精度不達(dá)標(biāo)的問題，同時(shí)復(fù)雜的加工工序降低了加工效率。首先，需要優(yōu)化加工方案。不同的加工設(shè)備直接影響加工方案的制定。為提升效率，可將普通車床換為專用的數(shù)控機(jī)床。企業(yè)可采購新型的全套數(shù)控設(shè)備，或在原有的機(jī)床結(jié)構(gòu)上，根據(jù)端蓋結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)要求進(jìn)行改進(jìn)，采用雙層導(dǎo)軌的運(yùn)動系統(tǒng)，方便刀架的移動和更換。專用夾具可采用設(shè)計(jì)的氣動專用夾具。壓緊結(jié)構(gòu)與機(jī)床導(dǎo)軌同步移動，接近工件后壓緊工件，按照預(yù)設(shè)切削旋轉(zhuǎn)工件等。整個(gè)過程快進(jìn)、工進(jìn)、快退、傳動及定位精度高，提高了加工效率。

     其次，需要設(shè)計(jì)專用的夾具。除了設(shè)計(jì)的氣動夾具，也可嘗試設(shè)計(jì)摩擦驅(qū)動的裝夾設(shè)備。相比夾持驅(qū)動的方式，可大幅降低夾持變形等因素帶來的負(fù)面影響。摩擦驅(qū)動的夾具設(shè)備，以多個(gè)定位爪實(shí)現(xiàn)定位。多個(gè)浮動支撐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)柔性支撐，保證工件被裝夾時(shí)牢固可靠。夾具上在端蓋各爪部位設(shè)計(jì)靈活的浮動支撐點(diǎn)，以保證工件斷續(xù)車削時(shí)各孔洞及斷面的加工精度。
 
     最后，優(yōu)化加工步驟也是改良加工工藝的重要途徑。使用專用的數(shù)控機(jī)床與夾具，可實(shí)現(xiàn)高效的一次裝夾和精準(zhǔn)加工發(fā)動機(jī)端蓋零件的內(nèi)孔及端面等，同時(shí)鉆孔等工藝也可一并進(jìn)行。為提升相關(guān)裝備的自動化度，需要考慮今后自動線接入等需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)留充足的空間。加工順序可調(diào)整為先粗加工端蓋爪的面、外圓、外圓端面、內(nèi)孔、內(nèi)孔端面、徑向槽和端面槽，后進(jìn)行端面鉆孔等操作，最后精加工端蓋的端面、外圓、外圓端面、內(nèi)孔、內(nèi)孔端面、徑向槽和端面槽。相比需要二次裝夾的加工方案，此方案加工步驟簡約，節(jié)省了二次裝卡的時(shí)間，提升了端蓋加工的精度，還可使用多頭鉆電機(jī)、伺服動力刀座等裝備，實(shí)現(xiàn)一次多孔攻鉆和加工，進(jìn)一步節(jié)約了加工時(shí)間。

     3、結(jié)語
  
     通過分析發(fā)動機(jī)端蓋零件的結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)加工工藝及相應(yīng)設(shè)備，在指出部分不足的同時(shí)，針對性探究了端蓋類零件加工裝備的設(shè)計(jì)及數(shù)控加工過程，同時(shí)探究了氣動夾具、摩擦驅(qū)動夾具的設(shè)計(jì)和加工原理以及數(shù)控加工的方案和步驟等，具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值，擺脫了端蓋加工的傳統(tǒng)工藝模式，減小了原有方案中人員技術(shù)等因素的負(fù)面影響，提升了加工精度與效率。此外，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)端蓋加工相關(guān)的裝備，合理革新數(shù)控加工工藝。

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