基于柔性化發(fā)動機制造的加工中心夾具優(yōu)化

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，加工中心尤其是臥式加工中心大量的被應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線當中，發(fā)動機的缸體、缸蓋、曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和瓦蓋等汽車零件均可以采用柔性生產(chǎn)線進行加工。對于柔性化生產(chǎn)，核心設(shè)計內(nèi)容需要考慮不同類型的零件如何進行定位夾緊，這對夾具設(shè)計要求有著更大的包容性。在制造技術(shù)中，機床夾具是一種不可或缺的工藝裝備，它直接影響著產(chǎn)品的加工精度和制造成本，因此機床夾具設(shè)計在企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計和制造以及生產(chǎn)技術(shù)準備中占有極其重要的地位。發(fā)動機缸體是發(fā)動機的基礎(chǔ)零件和骨架，發(fā)動機的活塞、連桿和曲軸等動力部件都是通過缸體的支撐和定位才能保證發(fā)動機的高可靠性和高性能運轉(zhuǎn)。基于這種結(jié)構(gòu)特點，發(fā)動機缸體加工具有平面和孔系多、壁厚不勻、剛度低和加工精度要求高等特點。

發(fā)動機產(chǎn)品的日新月異，給單一產(chǎn)品的生產(chǎn)線提出了更大的挑戰(zhàn)。重慶發(fā)動機工廠缸體線在項目初期就規(guī)劃使用德國進口的全自動臥式數(shù)控加工中心生產(chǎn)線，共線生產(chǎn)H4四缸缸體和H3三缸缸體，兩種缸體在長度方面相差54?mm，高度相差9?mm。本文對原共線生產(chǎn)的策略進行風險分析，通過更改夾緊頭設(shè)計批量生產(chǎn)后，在保證質(zhì)量穩(wěn)定的前提下降低了設(shè)備故障風險，減少了設(shè)備換型內(nèi)容，提高了設(shè)備柔性化率。

現(xiàn)有夾具夾緊定位方式

在重慶發(fā)動機工廠，GW0005-GW0008四臺加工中心夾具均采用一面兩銷的定位方式，夾具上共有3個定位銷，4個定位面。其中，H3和H4缸體共用圓銷，各有獨立的菱形銷;4個定位面， #1和#2定位面為H3和H4缸體共用，#3為三缸缸體單獨使用，#4為四缸體單獨使用。具體操作中存在著如下問題：

1. 換型時只需切換#3和#4的氣路，如圖2所示。如操作人員忘記切換，設(shè)備氣檢值會超出正常范圍，設(shè)備無法運行，從而確保設(shè)備不會發(fā)生故障。

2. 由于兩種缸體長度不同，需要更換到位擋停的裝置(見圖3)。此裝置如果忘記換型，設(shè)備會有報警信息提示，無動作運行，保護設(shè)備在異常情況下不會發(fā)生故障。

3. 需要對H3與H4頂面夾緊頭進行換型。由于長度方向相差較大，原設(shè)計需要將頂面的#7號夾緊頭拆卸后，旋轉(zhuǎn)180°進行安裝，在此狀態(tài)下才能加工H3，如圖4所示。若操作員工失誤忘記旋轉(zhuǎn)此夾緊頭，設(shè)備將無報警，加工中心正常運行，會造成主軸或刀具與夾緊頭發(fā)生干涉，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

前兩項換型內(nèi)容設(shè)備發(fā)生故障的風險均較小，第三項換型內(nèi)容風險最大，極易造成設(shè)備故障。我們對此夾緊頭的設(shè)計進行分析后做出更改設(shè)計，提高了換型效率，在生產(chǎn)過程中有可能發(fā)生的問題得到預(yù)防和解決，減少了設(shè)備停機時間并降低了維修成本。

結(jié)構(gòu)分析

夾緊機構(gòu)的頂面采用1個液壓缸驅(qū)動3個連接桿，對缸體實施夾緊，夾緊力為7?MPa。原設(shè)計H4夾緊點(#5到#7)最大相距284?mm，H3夾緊點(#5到#7)最大相距226?mm。

夾具方案設(shè)計包括夾緊機構(gòu)的選擇、夾緊力的確定。兩個夾緊機構(gòu)由夾緊元件、傳力機構(gòu)和動力裝置組成。動力裝置提供外力，經(jīng)過傳力機構(gòu)改變大小，最終通過夾緊元件改變方向，對工件施加一定的夾緊力。因此在分析和設(shè)計夾緊方案時，應(yīng)從5個方面入手：夾緊力的方向、大小、作用點、作用順序以及夾緊原件的結(jié)構(gòu)或其組合。

工件夾緊有兩方面的要求，一是穩(wěn)定性要好，保證工件在整個動態(tài)切削過程中不會發(fā)生運動，始終保持靜力平衡，且要有足夠的抗振性;二是有限形變，夾緊力和切削力會使工件發(fā)生變形，必須有嚴格的要求以保證形變限制在公差范圍內(nèi)。

改進方案計劃，將H4靠近后端面的夾緊點位置改為與H3一致，以達到不需要換型的目的，若更改夾緊點位置，H4夾緊點比原位置向里縮短58?mm，需要對比H3加工后端面的切削力與H4加工后端面的切削力。若在夾緊力范圍內(nèi)，不會對工件造成移動，方案可行。如表所示，在GW0005-GW0008三缸與四缸缸體需要加工內(nèi)容主要有：三缸H3，包括#201-202、#203-204和#221;加工四缸H4，包括#201-202、#203-204和#221。如圖5所示，經(jīng)對比，兩種機型加工內(nèi)容、切削參數(shù)一致，故方案可行。

夾緊頭優(yōu)化方案分析

如圖6所示，夾緊頭#7與連接桿使用螺栓進行連接，夾緊頭#7為對稱結(jié)構(gòu)，與連接桿由左右兩處凹槽進行限位。新方案將連接桿更改為只有一處凹槽，夾緊頭#7加工為只有一處凸起與凹槽進行配合，如方向錯誤則無法進行安裝，如圖7所示。

依據(jù)上述分析，加工參數(shù)將對加工質(zhì)量會產(chǎn)生重大影響。但兩種機型使用的參數(shù)一致，加工過程受力較類似，更改夾緊頭設(shè)計后質(zhì)量變差的風險較小，加工穩(wěn)定性對比如圖8所示。

三坐標測量的QDAS能力數(shù)據(jù)顯示，更換夾緊頭后對這些孔系加工無質(zhì)量影響，且加工穩(wěn)定，說明本文所述的更改方案有效，加工過程不會對工件造成移位或過定位。

結(jié)語

本文從共線生產(chǎn)的兩種型號缸體入手，解析了現(xiàn)有加工中心的夾緊定位方式，分析了換型帶來的風險及損失，提出了共用夾緊頭的方案。更改設(shè)計方案實施后，理論分析結(jié)合實際驗證，新設(shè)計可以大大提升換型時間，減少人力成本，提高生產(chǎn)效率，減少了設(shè)備的撞機風險，消減了很多的設(shè)備故障停線及維修時間。

綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論：對于柔性化生產(chǎn)線，換型內(nèi)容需要有設(shè)計防錯或設(shè)備報警防錯;對于差異較大的產(chǎn)品進行共線生產(chǎn)，需提前分析加工內(nèi)容的排布、刀具的挑選以及加工參數(shù)的制定。