乘用车发动机油底壳加工工艺及夹具设计

乘用车发动机油底壳加工工艺及夹具设计

图1显示了由全球供应的大部分用于车辆的油关键产品的机械加工成品的图。该产品是一辆安装在发动机上的特殊零件的总称。油底壳的加工部分包括密封端（车辆温度印章涂层）、油底壳的侧面（安装在变速器上的框架面）、油量孔和面（插入油量孔）、侧端（链盖安装面）、头部凸孔位（压板吸油件）和底侧螺钉孔。图2是油底壳产品机加工简图，零件是典型的压铸件，材料为美国标准材料牌号A380（对应中国标准材料牌号为YL112），年需求量为75万套。生产线分为CNC加工生产线和总成装配生产线两部分，产量的提升过程分两个阶段，用2年时间完成，2006年项目开始，在2007年10月之前，客户要求产量为15万套/年。稳定供应后，2008年2月开始将生产线的产量提升，公司建立了专门的CNC生产线和装配线，在2008年5月开始投入使用量产供货,达到生产线75万套/年的最大设计产能。总成零件的工艺流程为压铸→除浇口及毛刺→CNC加工→清洗→试漏→装配→包装→入库。1工艺结构分析根据零件的毛坯压铸情况和加工的技术要求，经反复分析讨论，从质量稳定性和经济性方面考虑，零件机加工工艺方案有两种：A方案和B方案。全部采用美国HAASVF3SS立式加工中心进行加工，配HAAS专用数控操作系统，主轴采用12000r/min的有色金属切削专用主轴，X/Y/Z运动行程1016/508/635mm，机床工作台尺寸1219mm×457mm,X/Y/Z定位精度±0.005mm，重复定位精度±0.0015mm。零件加工工艺关键点：由于零件是薄壁结构，毛坯很容易变形。零件内腔比较复杂，零件基本为非对称结构，对零件装夹控制变形要求很高。为控制零件装夹加工中产生变形，在零件毛坯外形上设置了3个工艺凸台，其作用为：轴向压紧时，零件可以可靠地固定在夹具中进行加工。机加工要满足端面平面度0.12mm、定位销孔2-准8.05±0.018尺寸和位置度0.05mm的技术要求。OP10工序存在的技术难点是，保证夹具装夹零件时有足够的刚性，使零件在加工过程中不能出现影响零件技术要求的装夹变形。A方案分3道工序进行加工：OP10加工油底壳密封端面及孔、油底壳侧面、油标尺孔及面。夹具采用液压桥式回转结构，夹具可以通过A轴回转加工分布在不同角度的部位。OP20加工油底壳侧端面和头部镗孔位，夹具采用气动双工位结构，通过两次装夹实现不同部位的加工。OP30加工油底壳底侧部螺孔，夹具采用气动单工位结构，OP20/OP30工序采用一面两销的定位方式。A方案的工作原理及工艺特点：OP10加工夹具的装夹要求；零件装入夹具后，夹具的两个浮动定位销和3个工艺凸台固定支撑实现零件的6点定位，3个油压杠杆缸1实现零件的初始压紧。然后在零件四周布置的8个液压浮动支撑缸动作，加强零件的刚性。最后通过油压杠杆缸2动作，零件完全压紧，液压回转夹具实现了比较复杂的零件装夹工艺要求。夹具的液压元件的动作顺序通过顺序阀1、2实现，夹具简图见图3。在OP20/30夹具设计中，通过3次装夹来实现零件不同位置的加工，夹具简图见图4、5。B方案分两道工序进行加工，OP10同A方案；OP20夹具定位方式采用一面两销，夹具采用气动结构，通过A轴回转，加工油底壳侧端面、头部镗孔位以及底侧部螺孔，夹具简图见图6。A/B方案的质量稳定性和经济性对比分析：A方案特点是通过多工序的多次装夹实现不同部位的加工，工序比较分散，可以减少机床A轴的投入。B方案特点是通过A轴回转可减少装夹次数，实现工序合并，在设备投入上高一点。经过公司开发、品质、机加工等不同部门的多方面的评估，为减少加工设备A轴的投入，最终结果选择了A方案。根据加工节拍，两期CNC加工生产线共需投入OP10设备11台套，OP20设备6台套，OP30设备2台套。2在生产过程中，有必要解决工业准备中的问题和解决方案2.1其他影响生产的因素第一期CNC加工生产线在2006～2007年生产了约一年时间，陆续出现了一些问题，主要体现在几个方面：1）在生产过程中，零件表面出现了比较多的划伤、碰伤、压伤现象。2）由于夹具没有设置防错装置，机床操作工在生产中，容易出现忘记将零件压紧，而直接启动程序生产，造成刀具和夹具相撞，出现刀具和夹具损坏而影响生产。3)OP10工序的油标尺孔的表面粗糙度经常出现超差，加工表面出现明显的深浅不规则的划痕，造成的零件报废。4)OP10工序的定位销孔2-准8.05±0.018铰孔过程中出现刀具刃口积削瘤，导致加工孔表面粗糙度超差，以及位置度0.05mm超差。5)OP10工序的自攻螺纹底孔5-准5.48±0.04加工过程中出现孔径超差，导致后续装配过程中，出现自攻螺丝的扭矩参数不达标和自攻螺丝断裂的现象。6)OP20工序的右工位吸油管压装孔准22H7加工过程中出现孔径超差，以及加工表面振纹现象。2.2刀具与刀具同时使用，互及其改进的工艺过程1）压/划/碰伤主要包括：(1)工艺规划夹具设计不合理，导致装夹次数过多；(2)零件在加工装夹过程中，由于在定位夹紧支撑面存在铝屑，导致零件表面压伤；(3)零件在去毛刺的过程中，由于员工操作不规范，导致零件表面划伤；(4)零件在工序转运过程中，由于生产线空间、周转工具等不合理因素，造成零件表面碰伤。消除压/划/碰伤解决方案：在大批量生产时，工艺设计中尽可能地合并工序，减少装夹次数，降低人为因素产生的压/划/碰伤。作为生产过程中所产生的碰伤、压划伤主要是人为因素引起的。针对这种原因，车间制定了《油底壳外观工废管理规定》和《作业监查管理条例》相关的制度，分解到每个员工和领班，严格管理责任到人,经过约半年的时间，外观报废率从0.50%下降至0.17%，质量有了比较明显的提高。2）设计增加了夹具程序防错装置，在夹具开关控制阀上增加了压力继电器检测装置，与机床NC控制系统连接，当员工生产中出现忘记将零件压紧，而直接启动程序生产，压力继电器检测不到系统的工作压力信号时，机床不启动加工程序，从而避免了员工忘记操作开关控制阀将零件压紧，造成刀具和夹具相撞的情况发生。自从增加了夹具程序防错装置后，生产线经过了约3年的运行，杜绝了操作工忘记将零件压紧，造成刀具和夹具相撞而影响生产的事故。针对第一期CNC加工生产线加工中出现的问题，公司在第二期CNC加工生产线的设计中对刀具进行了比较大的优化，选用了瑞典山特维克的刀具优化解决方案。3）分析造成定位销孔和油标尺孔的表面粗糙度超差的原因主要包括：(1)油标尺孔加工采用硬质合金复合刀具，加工时刃口出现的积削瘤，造成加工表面深浅不规则的划痕。(2)切削液中细微的细碎铝屑通过切削液泵，在刀具高速旋转的加工中，通过刀具刃口也会导致零件表面划痕。消除孔的表面粗糙度超差的解决方案：(1)油标尺孔加工改用PCD复合刀具，消除了刀具刃口出现积削瘤的现象，保证了加工表面粗糙度的要求。(2)针对切削液中细微的细碎铝屑，每台加工中心添置了切削液过滤装置，过滤精度为20～30μm。经过改善后，零件表面质量有了很大提高，基本消除了油标尺孔的表面粗糙度超差的现象。4）分析造成定位销孔位置度超差的原因主要包括：(1)定位销孔加工刀具为硬质合金铰刀，加工工艺过程中为复合底孔刀加工出底孔和孔口倒角，然后铰孔。硬质合金铰刀的加工特点导致了在加工过程中，出现加工孔表面粗糙度超差和位置度0.05mm超差的现象。解决方案：定位销孔加工加工方案改铰孔为镗孔，由于镗孔的孔径比较小，刀体选用了山特维克的带微调功能的镗刀柄，微调精度为0.001mm，保证加工精度为0.002mm，其调节操作非常方便，镗刀体的加工转速很高，为了调节刀具高速运转中的动平衡，刀体设计了动平衡微调装置，可以根据加工镗孔所需尺寸的微小差别，调节动平衡装置，使刀具在高速运转的加工状态中，依然可以保持非常高的精度。刀片使用硬质合金刀片，更换成本很低。改善后，生产线经过约3年的运转，零件定位销孔的表面质量和位置度，很少出现超差的现象，取得了比较好的效果。5）分析造成OP10工序的自攻螺纹底孔5-准5.48±0.04过程中孔径出现超差的原因，装夹自攻螺纹底孔准5.48及1×45°倒角的复合钻孔刀具的ER夹头精度不够，刀具跳动超差，导致加工5-准5.48±0.04出现超差。解决方案：改用液压刀柄夹头实现对复合钻孔刀具的高精度夹持，刀具跳动控制在0.008mm以内，改进后自攻螺纹底孔5-准5.48±0.04圆满地达到了设计要求。6）分析造成吸油管压装孔准22H7加工中出现孔径超差及加工表面振纹的原因，由于所加工的孔比较长，孔的长径比接近2.8，原刀具设计的镗刀刀具的材质为45#的整体刀柄，在高速加工中刀具刚性不足，出现孔径超差和加工表面振纹的现象。解决方案：镗孔所用的镗刀杆选用整体硬质合金，加强刀具刚性，刀片使用PCD刀片固定在镗刀杆头部，可换。刀体选用了山特维克带微调功能的镗刀柄，圆满解决了准22H7高速镗孔加工中遇到的技术难题。3机加工废率及加工效率的提高总结CNC加工生产线生产中出现的问题，进行