汽车发动机缸体自动清洗专用机床设计*

王 刚，肖铁忠

(四川工程职业技术学院交通工程系，四川 德阳 618000)

0 引言

近年来，随着技术的发展及汽车尾气排放标准的进一步提高，对汽车零部件的加工质量要求也越来越高[1-2]。缸体是发动机最重要的组成零件之一,也是发动机总装的基础零件[3],其清洁度直接影响发动机的可靠性及装配质量[4]。缸体表面粘连的杂质会影响定位及加工精度，其上细小的切屑或铸造型砂也将直接影响发动机的总成装配，使发动机性能达不到设计技术要求并影响使用寿命[5]。由于发动机型号不同，缸体等零部件的尺寸、形状及结构等也有区别，这要求清洗设备具有一定的柔性才能满足使用要求。作者与重庆某汽车发动机生产企业自主研发了用于缸体清洗的专用设备。设备主要由工件传输线、旋转变位机、可换定位机构、上下料机构等组成，能依次完成缸体顶面、底面、端面及定点清洗，具有高可靠性、高精度及高清洁度等优点。

1 缸体清洁要求及工艺分析

1.1 缸体清洁度及控制要求

缸体毛坯清洁度会影响整个机械加工过程及加工后的清洁度，装配前的缸体清洁度更是直接影响发动机的总成性能，故要想得到高性能的发动机需对缸体生产全过程的清洁度进行必要的控制[6]。针对缸体清洁度问题，不同制造商会采取不同的措施控制清洁度[7]，具体控制措施见表1、表2。

表1 毛坯清洁度控制措施

表2 机加后清洁度控制措施

1.2 清洗工艺分析

针对缸体机械加工后油道交叉孔及曲轴孔边缘毛刺，油道孔、水道孔及螺纹孔等的切屑自动清洁问题，一般是先将缸体在浪涌水箱内对其表面进行刷洗，再至定点清洗工位，利用工位上的高压水对工件内部进行清洗，然后将工件运送至定点吹干工位，对工件的重点部位及孔道进行预干燥，最后进行干燥及密封测试[8-9]。

针对其中定点清洗工位，主要采用六自由度机器人加变位机的工艺方案或者专用清洗机床方案[10]。机器人+变位机工艺方案可对各种发动机缸体、缸盖等零部件进行清洗，具有较高的柔性。但目前主机厂对此方案所涉及的动作均采用手动示教编程，无针对这一工艺过程轨迹自动规划及编程的成熟技术，存在加工效率低、精度差等问题，且由于清洗过程需要较好的密封性，此方案所占空间较大[11]；而专用机床在旋转变位机、可换定位机构及上下料机构等的配合下，也具有较大的柔性，可根据提供的图纸进行精密编程，实现整个清洗过程的全自动化，具有较高的生产效率及加工精度[12]。本文在综合考虑生产效率、密封性、自动化程度及清洁度等问题的基础上，选择设计专用清洗设备对缸体进行定点清洗。

2 机床整体布局方案及工作原理

2.1 机床整体布局方案

根据前述工艺方案，本文设计了如图1所示的缸体清洗专用机床整体方案。机床采用立式结构，设备主要由床身、立柱、旋转变位机、专用夹具、可换定位机构、辊道运输线、“十字”数控滑台、自动上下料机构及高压水枪等组成。即在床身的前端设置旋转变位机，变位机上设置专用夹具，对带着工件的可换定位机构进行定位及夹紧；在床身的后端设置立柱，立柱上设置 “十字”数控滑台，数控滑台上设置专用高压水枪夹持机构，可根据需要更换刀具，数控滑台带着水枪对工件进行定点定位清洗；可换定位机构及工件由辊道传送线运送至上下料位置；在旋转变位机后方，立柱下方中间位置设置上下料机构，实现工件的自动上下料；机床设置整体防护罩、液压系统等。

(a) 主视图

(b) 俯视图

2.2 机床工作原理

机床的工作原理为：辊道运输机构将缸体运送至专用机床的前端，其下辊道下降，使工件进入可换定位机构，对缸体进行正确定位；上下料机构将可换定位机构及缸体一起拖至旋转变位机内，旋转变位机内的夹紧机构将可换定位机构及工件夹紧；“十字”滑台带着高压水枪与旋转变位配合完成缸体的定点定位清洗，完成缸体清洗后，旋转变位机夹紧机构松开，上下料机构将缸体推出旋转变位机至辊道运输线，其下辊道机构上升，将缸体抬升至辊道运输线平行位置，运送至下一工序，如此循环，自动完成缸体的清洗。如需清洗其他类型缸体或零部件，只需更换可换定位机构即可。

3 机床关键零部件设计

3.1 专用夹具结构设计

由前述布局方案可知，专用夹具由旋转变位机、可换定位机构、夹紧机构及上下料机构等组成，设计的专用具体结构如图2所示。由图可知，利用缸体底面的两个销孔及底面形成“一面两孔”对缸体进行定位，即利用可换定位机构上的两个定位销4及4个缸体定位支撑板28对缸体进行正确定位；当可换定位机构及缸体进入旋转变位机后，利用定位挡板22及定位导向板17对其进行定位，利用夹紧气缸9及“Z”型夹紧板对其进行夹紧，保持正确定位位置不变。

(a) 主视图

(b) 俯视图1、14.旋转变位机底板 2、16.Z型夹紧板 3、17.旋转变位机定位导向板 4.缸体定位销 5.缸体侧向定位导向板 6、28.缸体定位支撑板 7.缸体 8、29.可换定位机构底板 9.夹紧气缸 10.夹紧气缸杆 11.辊道运输线 12.定位导向机构 13.辅助支撑导向板 15.旋转摆头 18、20.上下料机构旋转气缸 19.上下料机构直线运动气缸 21.上下料气缸杆 22.定位挡板 23.夹紧板 24.上下料机构横杆 25.上下料回转杆 26.滚筒 27.上下料机构拉杆图2 专用夹具结构

根据设计，专用夹具工作原理为：人工将缸体按照正确的清洗姿态放置于辊道运输线11上，由其将缸体运送至旋转变位机正前方，其下辊道机构下降，缸体也随之下降，缸体在侧向定位导向板5的作用下，使可换定位机构定位支撑板28上的定位销自动插入缸体底面的两个定位孔，对缸体进行正确定位；上下料机构将可换定位机构及缸体一起拖进旋转变位机内，由定位导向板17及定位挡板22对其进行定位；可换定位机构运动至定位位置后，气缸18气缸杆向后运动使上下料机构回转，直至与立柱平行；夹紧气缸9气缸杆上升，将可换定位机构整体抬升，在“Z”型夹紧板的共同作用下将缸体夹紧；旋转变位机旋转摆头15根据清洗工艺及程序要求带着缸体进行变位，完成缸体的自动清洗工序；完成缸体清洗后，旋转变位机旋转至水平位置，夹紧气缸向下运动，松开工件及可换定位机构，气缸18气缸杆向前运动使上下料机构旋转至水平位置，气缸19气缸杆向前伸出，在定位导向机构17、13、12的作用下将缸体准确推出旋转变位机至辊道运输线11上，其下辊道上升，将缸体底面抬升至与辊道平行位置，运送至下一道工序，如此循环，完成工件的自动清洗。

3.2 上下料机构设计

在考虑自动化、配合专用夹具上下料及干涉等因素的前提下，设计了如图3所示的上下料结构。由图可知，上下料机构主要由拉杆、气缸及回转机构等组成。其工作原理：开始清洗时，气缸7的气缸杆将拉杆1带着可换定位机构推出旋转变位机至辊道运输线上，自动上料，气缸7的气缸杆将拉杆1带着可换定位机构及缸体一起拉进旋转变位机，拉杆上的圆柱销2插入“L”型回转块的“U”型槽内，如图3b所示，气缸6的气缸杆向左运动，使“L”型回转块绕支撑板13上的铰链14逆时针回转，进而使拉杆1绕着铰链19逆时针回转，使拉杆与机床立柱平行；待机床完成缸体的清洗后，气缸杆的气缸杆向右运动，进而使拉杆顺时针运动至水平位置，拉杆上的拉钩插进可换定位板，在气缸7的作用下将缸体推出旋转变位机。

(a) 主视图

(b) 左视图1、21.拉杆 2、20.圆柱销 3、18.U型插座 4、17.横杆 5、16.拉杆直线运动气缸杆 6、11.拉杆回转运动气缸 7、10.拉杆直线运动气缸 8.缓冲挡板 9、12.床身立柱 13.支撑板 14、19.铰链 15.“L”型回转块 22.拉钩图3 上下料机构

4 效果验证

针对某型汽车发动机缸体加工后的自动清洗，制造了如图4所示的专用清洗设备。设备经实际应用显示，清洗后缸体的清洁度均达到或高于企业要求。按照企业现有工作制度：8小时/班，2班/日，290日/年，生产效率85%，设备负荷率85%，机床的清洗节拍为1.5 min/件，可知单台设备的生产纲领为：8×2×280×0.85×0.85×60/1.5=13万件。而企业要求的单台设备年生产纲领为10万件，可知设计的设备满足企业生产节拍需要。即设计的工艺及装备满足企业生产效率及清洁度要求。

图4 机床实物

5 结束语

(1)针对某发动机缸体机械加工后清洁度存在的问题及控制要求，提出了专用机床+旋转变位机+可换定位机构的工艺及设备自动清洗方案；

(2)在充分考虑清洗及上下料方便、自动化等基础上，确定了采用“十字”数控滑台拖动清洗水枪、旋转变位机对工件自动定位夹紧、变位及上下料机构自动上下料的立式专用机床整体布局方案；

(3)根据专用机床整体布局方案，设计了旋转变位机、可换定位机构、导向机构、定位夹紧机构及上下料机构等的结构；

(4)实际生产表明：单台设备实际年生产纲领达到13万件左右，生产效率及清洁度均达到设计要求。