发动机缸体加工工艺研究

2 62 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 3期 2 0 1 3 年 3月 发动机缸体加 工工艺研 究 房长兴 罗和平 高志永 张瑜 沈阳机床 集团 有限责任公司 设计研究院 辽宁 沈阳1 1 0 1 4 2 摘要 随着汽车工业的飞速发展 柔性 自 动加工生产线已越来越多地应用于汽车关键零部件的生产制造中 通过分析 发动机缸体的结构特点 工艺技术要求和加工特点等 深入研究缸体的加工工艺 运用复合刀具 刀具在线监测和补偿 定位销孔替代工艺和柔性夹具等技术 对缸体的加工工艺方法和加工流程进行优化 制定了合理的加工工艺路线并规划 了生产线的整体布局 最终构建一条柴油发动机缸体柔性加工生产线 很好地满足 了发动机缸体 多品种 大批量 低成 本 的生产要 求 关键词 发动机缸体 加工工艺 柔性生产线 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 3 0 2 6 2 0 3 Re s e a r c h o n Ma c h i n i n g Pr o c e s s o f En g i n e Cy l i n d e r B l o c k FANG Ch a n g x i n g LUO He pi ng GAO Z hi y o n g ZHANG Yu D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l G r o p C o r p o r a t i o n L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e a u t o m o b i l e i n d u s t r y t h e fle x i b l e p r o d u c t i o n l i n e h a s b e e n i n c r e asi n g l y u s e d i n m a n u f a c t u r i n g of t h e k e y c o m p o n e n t s of a u t o e n g i n e B ase d o n a n a l y z i n g t h e c h a r act e r i s t i c s of t h e s t r u c t u r e t h e t e c h n i c al r e q u i r e m e n t s a n d c h a r a c t e r i s t i c s of m e c h a n i c al ma c h i n i n g ma n u f a c t u r e p r o c e s s i s d e e p l y r e s e a r c h e d B y u s i n g c o m p o s i t e t o o l s t o o l s w i t h o n l i n e m o n i t o r i n g a n d c o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y of re p l a c e m e n t of l o c at i n g p i n h o l e s fle x i b l e c l a m p s and o t h e r a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o gy t h e m e c h ani c al m ach i n i n g m e t h o d s a n d p r o c e s s are apt i m e d a n d t h e m ach i n i n g p r o c e s s r o u t e s ar e fin l y f o r m u l at e d t h e o v e r a l l l a y o u t of t h e p r o d u c t i o n l i n e i s p l ann e d a n d t h e fle x i b l e p r o d uct i o n l i n e of e n g i n c y l i n d e r b l o c k is n al l y b u i l t w h i c h C an c o m m e n d a b l y f 2 t h e e n g i n e c y l i n d e r b l o c k m a n u f act u r i n g r e q u i r e m e n t s of mu l t i s p e c i e s h i g h v o l u me a n d l o w c o s t Ke y W o r d s En g i n e Cy l i n d e r Bl o c k M a c h i n i n g Pr o c e s s F l e x i b l e P r o d u c ti o n Li n e 1引言 缸体作为汽车发动机的五大核心部件之一 其制造工艺一 直是发动机生产中的重点和难点 其加工精度和一致性的好坏对 汽车性能的影响很大 随着市场竞争的日趋激烈和市场需求的日 益多样化 汽车新产品的更新速度不断加快 原有单一品种 大批 量生产的缸体 刚性生产线已不能适应生产的需要ll l 而是 向着适 应多品种 变批量 低成本的柔 眭生产线模式发展 2 1 2缸体柔性加工生产线规划 按照精益制造工艺原则 敏捷柔l 生生产原则 精益自动化原 则和精益平面布置原则日 完成发动机缸体柔性加工生产线的布 局规划 如图 I 所示 该生产线的年生产能力 l 0 万台 生产节拍 2 ra i n 整线工序能力指数 C 1 3 3 适用于两种型号缸体的混流 共线生产 如图 1 所示 生产线主要由粗加工单元 精加工单元及辅助 制造单元构成 粗 精加工单元均使用机器人完成工件在机床的 自动上下料 自动输送料道完成缸体在各加工工序之间的输送 粗加工单元由4个独立制造岛并联构成 每个岛由7台高速卧式 加工中心和 1台立式加工中心串联而成 这两种高速加工中心都 具有交换工作台结构 由于能同时实现工件的加工和装夹 减少 了辅助时间 提高了加工效率 精加工单元由2 个精加工岛并联 构成 每个岛由4台并行卧式加工中心与 1台缸孔珩磨机串联而 成 主要完成缸体各面 主轴承孑 L 凸轮轴孔及缸孔的精加工 辅 助制造单元主要包括清洗机 拧紧机 试漏机 压堵机和综合测量 机等 3缸体结构工艺性分析 生产线主要实现F 曰两种型号4缸柴油发动机缸体的混流 加工 材料均为 H T 2 5 0 G B T 9 4 3 9 1 9 8 8 硬度 H B 1 9 0 2 5 0 缸体 属于多面多孔的箱体类零件 结构和形状复杂 壁薄多筋 壁厚不 均 刚度低 对尺寸 粗糙度 几何形状及其相互位置都有较高的 精度要求 缸体的主要加工特征是平面和孑 L 系 其重要特征加工 的技术要求 如表 1 所示 来稿 日期 2 0 1 2 0 5 2 4 基金项 目 高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项 2 o l 1 Z X 0 4 0 1 5 0 2 2 作者简介 房长兴 1 9 8 4 一 男 山东泰安人 程师 硕士研究生 主要研究方向 机床用户 艺技术 自 动化生产线和加工单元集成技术 第 3期 房长兴等 发动机缸体加工工艺研究 2 6 3 图 1缸体柔性加工生产线布置图 F i g 1 T h e L a y o u t o f En g i n e Cy l i n d e r Bl o c k F l e x i b l e P r o d u c t i o n L i n e 表 1缸体 主要加工技术要求 T a b 1 T h e Ma i n Te c h n i c a l Re q u i r e me n t s o f En g i n e Cy l i n d e r Blo c k Me c h a n ic a l Ma c h in i n g 顶面 缸孔 主轴承孔 挺杆孔及凸轮轴孔等的尺寸精度 形 状精度和位置公差要求较高 对于发动机的整体性能有着重要影 响 需要依靠设备精度 夹具的可靠性和加工工艺的合理性等来 保证 其中 缸孔采用粗镗一半精镗 精镗一珩磨的加工工艺 主 轴承孔 凸轮轴孔属于大深径比的孔 镗杆长 刚性差 容易产生 振动 难以保证被镗孔的同轴度和圆柱度 为达到精度要求 采用 调头镗孔工艺 挺杆孔采用钻一扩 铰工艺加工 缸体顶面装配 时需要和缸盖拧紧 加工要求较高 粗铣后采用较大的面铣刀一 次走刀进行精铣 斜油道孔属于细长孑 L 深径比较大 采用枪钻工 艺加工 4缸体加工工艺 缸体加工工序安排的原则为 基准先行 先主后次 先粗后 精 先面后 f L l 切削力大 夹紧力大和容易产生内应力工序安排 在前段进行 另外 要尽量减少工件姿态变换和刀具换刀次数 从 系统 集成 观点 出发设计 物流系统 减 少不 同工序间的物流 输送量 缸体通常采用 一面两销 作为全线加工的统一基准 以精 加工底面和其上两个定位销孔作为整个缸体加工的精基准 成为 缸体加工选择精基准的通则 缸体粗加工基准和过渡基准始终以 缸体毛坯缸孑 L 为首选基准 这样可以保证缸体各相关平面和孔对 缸孑 L 中心的正确位置 满足发动机各功能件的协调 运动 密封的 要求 第一道工序加工粗基准 以毛坯缸孑 L 和底面为基准 加T左 侧面及面上各孔 第二道工序以左侧面一面两销作为定位基准 加工缸体精基准即底面 定位销孔及底面其它各孔 缸体粗加工 工艺流程 如表 2所示 表 2粗加工工艺流程 Ta b 2 Th e Ma n u f a c t u r e Pr o c e s s o f Rou g h Ma c h i n i n g 工序设备 定位基准 工序内容 加 嚣瑟罕 牺 精 曩 面 孔 O P 2 0 卧加 左侧面及出砂孔 O P 3 0 卧加 底 面一面两销 O P 4 0 卧加 底 面一面两销 O P 5 0 卧加 底 面一面两销 O P 6 0 卧加 后端面一面两销 O P 7 0 立加 顶面一面两销 O P 8 0 卧加 左侧面一面两销 半精铣两底面 钻铰底 面销 孔 粗铣 曲轴孔 铣开档 油 槽 卡瓦槽 半精铣顶面 半精镗镗缸孔 加工顶面螺栓孔 铣两端面 粗扩凸轮轴孔 加 工主油道孔 加工右侧面及孔 半精镗 凸 轮轴底孔 加工斜孔 斜面 钻 扩 铰授 鼾 孔及加工底面孔 精铣二底面及 前后端面 精镩 凸轮轴底孔 加工喷钩面孔 粗加工后进行缸体的中间清洗 中间油道孔试漏 压装凸轮 轴衬套和主轴承盖合盖拧紧等辅助工作 精加工采用缸体底面 面两销定位 首先加工止推面 粗镗凸轮轴孔 主轴承孔 精镗凸 轮轴孔 主轴承孔 精铣顶面 精镗缸孔 铰顶面 两端面销孑 L 然 后进行4个缸孔的珩磨加工 精加工之后的辅助 T序为 I 件清 洗与吹干一压装堵盖一最终试漏 最终测量 5工艺创新点 5 1复合刀具的应用 主轴承孔和凸轮轴孔采用组合式镗刀 结合面螺栓孔采用 阶梯形钻头 挺杆孔采用钻扩复合刀具加工 复合刀具使得在工 件一次装夹和刀具一次工作行程中完成多道工序的加工 消除工 件或刀具的重复定位误差 提高加工精度 减少辅助时间 减少测 量过程 提高加工效率 5 2刀具在线监测和补偿 刀具状态的精确监控是保证金属切削加工过程顺利进行的 关键 采用多传感器监测系统 对加工过程中的刀具状态进行 在线监测和补偿 通过读取刀具的几何参量 完成对刀具预调初 始点和刀形轮廓的测量 在加工过程中对刀具上的不同接触点进 行补偿 5 3缸体定位销孔的替代工艺研究 定位销孔的孔心距公差要求较高 是加工工艺难点之一 并 且当定位销孔的孔心距变化时 不便于混流共线生产 为此 采用 面定位作为工艺基准 对工艺销孔进行替代 即利用缸体的右侧 面 或左侧面 及其上的工艺凸台定位 将工艺凸台铣成相互垂直 的角形 取消工艺销孔 既解决了工艺销孔中心距难于保证的问 题 又使夹具便于零件的安装和产品的更换 5 4柔性夹具的设计和应用 柔性夹具可以满足不同型号的缸体在同一加工工序的有效 定位和装夹 避免夹具的更换 根据所共线生产缸体的结构特点 机 械 设 计 与 制 造 No 3 Ma r 2 01 3 选择共性结构特征 运用先进元器件实现柔性夹具研制 使产品 型号更换后 通过柔性夹具组装和拼接 满足多品种缸体混流生 Yu a n We n s h e n g T h e r e n o v a t i o n p l a n f o r 1 0 2 s e ri e s d i e s e l e n g i n e b l o c k t r a n s f e r l i n e D T i a n j i n T i a n j i n U n i v e r s i t y 2 0 0 3 产的需要 5 周文 发动机缸体高速加工工艺设计与研究 D 青岛 燕山大学 2 0 0 5 6结论 通过分析发动机缸体结构特点 工艺技术要求等 深入研究 缸体加 T工艺 确定了缸体加工时的定位 装夹基准和加工设备 以及缸体顶面 曲轴孔 凸轮轴孔和油道孑 L 等关键特征的加工工 艺 依据缸体加工工序安排原则 采用先进加工工艺和优化的工 艺路线 完成了柔性化 高精度 高效率 高可靠性的柔性生产线 整体布局规划 满足了多品种 变批量 低成本的发动机缸体生产 要求 参考文献 Z h o u We n D e s i g n a n d s t u d y o n h i g h s p e e d c u t t i n g p r o c e s s o f e n g i n e c y l i n d e r b l o c k o f a u t o m o b i l e D Q i n g d a o Y a n s h a n U n i v e r s i t y 2 0 0 5 6 王健 T 项目 柴油机气缸体工艺设计 D 天津 天津大学 2 0 1 0 Wa n g J i a n P r o c e s s d e s i g n o f T p r o j e c t d i e s e l c y l i n d e r b l o c k f D T i a n j i n T i a n j i n U n i v e r s i t y 2 0 1 0 7 楼应候 龚秉周 刘谨 自动化制造系统物流设计策 略研究 J J 机械设 计与制造 2 0 0 1 4 6 0 6 1 L o u Yi n g h o u G o n g B i n z h o u L i u J i n S t u d y o n s t r a t e g y MH S d e s i g n i n a u t o m a t e d ma n u f a c t u ri n g s y s t e m J J Ma c h i n e r y D e s i g n ma n u f a c t u r e I 1 陈泽扬 4 缸柴油机机体加工柔性生产线的方案设计 J 柴油机设计 2 0 0 1 4 6 0 6 1 与制造 2 0 0 5 1 4 3 1 2 5 1 2 7 Ch e n z e y a n g Th e d e s i g n o f a fl e x i b l e ma c h i n i n g l i n e f o r 4 c y l i n d e r d i e s e l e n g i n e b l o c k s J D e s i g n Ma n u f a c t u r e o f D i e s e l E n g i n e 2 0 0 5 1 4 3 1 2 5 1 2 7 2 陈长年 汽车发动机制造技术的变革与发展 J 汽车与配件 2 0 0 6 3 9 2 2 2 4 C h e n c h a n g n i a n T h e c h a n g e a n d d e v e l o p me n t o f a u t o m o t i v e e n g i n e n mn u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y J A u t o m o b i l e P a r t s 2 0 0 6 3 9 2 2 2 4 3 董正荣 N S E气缸盖生产线的规划与工艺分析 J 柴油机设计与制造 2 0 0 5 1 7 1 3 5 4 3 Do n g Zh e n g r o n g Pl a n n i n g a n d p r o c e s s a n a l y s i s o f ma c h i n i n g l i n e o f c y l i n d e r h e a d o f N S E e n g i n e J D e s i g n Ma n u f a c t u r e o f D i e s e l E n g i n e 2 0 0 5 1 7 1 3 5 4 3 4 袁文胜 1 0 2 系列柴油机机体加工自动线改造工艺方案 D I 天津 天津 大学 2 0 0 3 8 殷洋武 HR发动机缸体生产线的工艺规划设计 J 组合 机床 与 自动 化加工技术 2 0 0 9 2 8 8 9 5 Yi n Y a n g w u T h e p r o c e s s d e s i g n o f H R e n g i n e b l o c k m a c h i n e l i n e J Mo d u l a r Ma c h i n e T o o l A u t o m a t i c Ma n u f a c t u ri n g T e c h n i q u e 2 0 0 9 2 8 8 9 5 9 金延安 洪方明 发动机缸体加工基 准的选择 J1 发动机制造 2 0 1 0 8 7 8 7 9 J i n Y a n a n H o n g F a n g mi n g S e l e c t i o n o f E n gin e b l o c k ma c h i n i n g d a t u m J E n g i n e Ma n u f a c t u r i n g 2 0 1 0 8 7 8 7 9 1 O 任工昌 王党席 苗新强 改进灰色模型在刀具状态监控中的研究与 应用 J 机械设计与制造 2 0 1 0 9 7 1 7 3 R e n G o n g c h a n g Wa n g D a n g x i Mi a o X i n q i a n g R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f i mp r o v e me n t g e r y mo d e l t o mo n i t o rin g t e c h n i q u e f o r t o o l w e a r J Ma c h i n e ryD e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 1 0 9 7 1 7 3 上接 第 2 6 1页 J i n S h u a n g f e n g C h e n g P e n g J i a n g Y i n g S p ri n g f a i l u r e a n a l y s i s a n d p r e v e n t i o n t e e h n o l o g y J H e a t T r e a t m e n t o f Me t a l s 2 0 1 1 9 1 4 0 1 4 2 吴彩霞 饮料设备中弹簧的失效分析 J 机械设计与制造 1 9 9 5 3 3 3 3 5 Wu C a t x i a T h e f a i l u r e a n a l y s i s o f s p r i n g i n b e v e r a g e e q u i p me n t J Ma c h i n e ryDe s i g n Ma n u f a c t u r e 1 9 9 5 3 3 3 3 5 3 万新通 浅谈弹簧失效 J 科技传播 2 0 1 l 5 6 o 6 4 Wa n X i n t o n g T a l k i n g a b o u t s p ri n g f a i l u r e J P u b l i c C o mm u n i c a t io n o f S c i e n c e T e c h n o l o g y 2 0 1 1 5 6 0 6 4 4 黄卓 弹簧寿命的检测方法 J 机械设计与制造 1 9 9 6 2 4 7 4 9 H u a n g Z h o u T h e d e t e c t i o n m e t h o d o f t h e s p ri n g l i f e J M a c h i n e ry D e s i g n Ma n u f a c t u r e 1 9 9 6 2 4 7 4 9 l 5 张英会 刘辉航 王德成 弹簧手册 M E 京 机械工业 出版社 2 0 0 8 Z h a n g Y i n g h u i u Hu t h a n g Wa n g D e c h e n g S p r i n g Ma n u a l M B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s 2 0 0 8 6 屠世润 单 簧失效分析技术 e 1 全国弹簧标准化技术委员会内部资 料 2 0 0 5 T u S h i R u n A n a l y s i s t e c h n o l o g y o f t h e s p r i n g f a i l u r e c T h e I n t e r n a l D a t a o f t h e Na t i o n a l S p r i n g S t a n d a r d i z a t i o n T e e h n i e a l C o mmi t t e e 2 0 0 5 7 邹志勇 梁益龙 谭起兵 D J 4 热卷弹簧纵向裂纹的原因分析和解决措 施 J 理化检验 物理分册 2 0 0 8 4 4 9 4 9 4 4 9 7 Z o u Z h i y o n g L i a n g Y i o n g T a nQ i b i n g R e a s o n a n a l y s i s a n da v o i d a n c e me a s u r e s o n t h e v e r t i c a l q u e n c hi n g c r a c k i n g f o r h o t f o r g i n g