發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)工藝的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)工藝的研究第一章發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線分類的研究 11.1剛性生產(chǎn)線 11.2柔性生產(chǎn)線 21.2.1串行柔性線 41.2.2并行柔性線 41.2.3專機(jī)式柔性線 51.3試制線 51.4成型線 5第二章發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工工藝的研究 62.1加工工藝分析及設(shè)備 62.1.1工藝流程分析 72.2加工工序的研究 72.2.1粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)的選擇 72.2.2輔助工序及設(shè)備 92.3加工方法 102.3.1凸輪軸孔系 102.3.2閥座導(dǎo)管孔系 112.3.3缸體結(jié)合面 112.4柔性加工工藝設(shè)計(jì) 122.4.1工藝流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化 122.4.2工序劃分方法 122.4.3工藝設(shè)計(jì)原則 132.5加工精度的研究 14第三章數(shù)字化技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋工藝中的應(yīng)用 173.1數(shù)字化工廠介紹 173.2數(shù)字化工藝規(guī)劃 173.3發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋工藝規(guī)劃 183.3.1資源庫 183.3.2工藝知識庫 193.3.3CAD模型導(dǎo)入 193.3.4特征識別(FeatureRecognition) 193.3.5工藝規(guī)劃中的其它工作 193.4發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化 203.4.1柔性制造生產(chǎn)線仿真的建立 203.4.2仿真與優(yōu)化 22PAGE1第一章發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線分類的研究1.1剛性生產(chǎn)線剛性生產(chǎn)線是指該生產(chǎn)線只能生產(chǎn)某種或生產(chǎn)工藝相近的某類產(chǎn)品，表現(xiàn)為生產(chǎn)產(chǎn)品的單一性。剛性制造包括組合機(jī)床、專用機(jī)床、剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線等。剛性生產(chǎn)線是根據(jù)特定的生產(chǎn)任務(wù)需要將專用機(jī)床組合在一起，以取得最優(yōu)的效益。在大批量生產(chǎn)中至今還是剛性生產(chǎn)線(如多工位自動(dòng)線)占主導(dǎo)地位。剛性線主要適合于成熟期產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本相對較低。但要求一次投資達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量。采用專用機(jī)床組成的剛性線加工對象單一，可變性差，不能及時(shí)適應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)的變化。市場產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)需對主軸箱、夾具、輸送系統(tǒng)等重新設(shè)計(jì)、改造，改造的工作量大、費(fèi)用高、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長。對多品種共線加工兼容性差，一般只適應(yīng)于同系列產(chǎn)品的共線加工。剛性自動(dòng)線生產(chǎn)率高，但柔性較差，當(dāng)加工工件變化時(shí)，需要停機(jī)、停線并對機(jī)床、夾具、刀具等工裝設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或更換（如更換主軸箱、刀具、夾具等），通常調(diào)整工作量大，停產(chǎn)時(shí)間較長。整個(gè)生產(chǎn)線有統(tǒng)一的節(jié)拍，一臺機(jī)床因故停機(jī)，全線工作將被迫中斷，因此這種加工線不能太長。對于向發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋這種加工工序很長的零件，就要把加工線分成幾段，各段之間加上儲料裝置，一段生產(chǎn)線因故停機(jī)，其上下段仍然可繼續(xù)工作。剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線是用于工件輸送系統(tǒng)將各種剛性自動(dòng)化加工設(shè)備和輔助設(shè)備按一定的順序鏈接起來，在控制系統(tǒng)的作用下完成單個(gè)零件加工的復(fù)雜大系統(tǒng)。在剛性自動(dòng)線上，被加工零件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍，順序通過各個(gè)工作位置，自動(dòng)完成零件預(yù)定的全部加工過程和部分檢測過程。因此，剛性自動(dòng)線具有很高的自動(dòng)化程度，具有統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和嚴(yán)格的生產(chǎn)節(jié)奏。除此之外，剛性自動(dòng)化還具有可以有效縮短生產(chǎn)周期、取消半成品的中間庫存、縮短物料流程、減少生產(chǎn)面積、改善勞動(dòng)條件、便于管理等優(yōu)點(diǎn)。1.2柔性生產(chǎn)線柔性生產(chǎn)線是指生產(chǎn)組織形式和生產(chǎn)產(chǎn)品及工藝的多樣性和可變性，可具體表現(xiàn)為機(jī)床的柔性、產(chǎn)品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。與剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線相比，柔性制造生產(chǎn)線工序相對集中、沒有固定的生產(chǎn)節(jié)拍、物流統(tǒng)一的路線，進(jìn)行混流加工，實(shí)現(xiàn)在中、小批量生產(chǎn)條件下接近大量生產(chǎn)中采用剛性自動(dòng)線所實(shí)現(xiàn)的高效率和低成本。柔性制造生產(chǎn)線一般有如下3種形式：柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、獨(dú)立制造島。(一)柔性制造單元通常由1-2臺加工中心構(gòu)成，并具有不同形式的刀具交換和工件的裝卸、輸送及儲存功能。除了機(jī)床的數(shù)控裝置外，還有一個(gè)單元計(jì)算機(jī)來進(jìn)行程序的管理和外圍設(shè)備的管理。FMS適合于小批量生產(chǎn)，加工形狀比較復(fù)雜，工序不多而加工時(shí)間較長的零件。(二)柔性制造系統(tǒng)(FMS)由2臺以上的加工中心，以及清洗、檢測設(shè)備組成，具有較完善的刀具和工件的輸送和儲存系統(tǒng)，除調(diào)度管理計(jì)算機(jī)外，還配有過程控制計(jì)算機(jī)和分布式數(shù)控終端等，形成多級控制系統(tǒng)組成的局部網(wǎng)絡(luò)。FMS適合于加工形狀復(fù)雜、加工工序繁多、并有一定批量的多種零件。(三)獨(dú)立制造島獨(dú)立制造島是以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，由若干臺數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床組成的制造系統(tǒng)，其特點(diǎn)是將工藝技術(shù)裝備、生產(chǎn)組織管理和制造過程結(jié)合在一起，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控程序管理、作業(yè)計(jì)劃編制和實(shí)時(shí)生產(chǎn)調(diào)度等。其使用范圍廣，投資相對較少，各方面柔性較高。目前，各汽車廠家廣泛應(yīng)用的柔性（CNC加工中心）生產(chǎn)線主要分為三種：規(guī)模相對較小的串行柔性線、規(guī)模相對較大的并行柔性線及最近幾年新出現(xiàn)的專機(jī)式柔性線。1.2.1串行柔性線圖1-1為年產(chǎn)10萬缸蓋生產(chǎn)線示意圖，可以看到，CNC加工線分為A線和B線，分別由紅色和粉紅色兩色圈示，所有加工中心的節(jié)拍是一致的。兩線并聯(lián)后再同中間的輔機(jī)串聯(lián)成整條生產(chǎn)線。圖1-1串行柔性線串行柔性線的每臺CNC加工中心的加工內(nèi)容是由整條生產(chǎn)線的節(jié)拍所確定的，如果沒有復(fù)線的話，每臺CNC設(shè)備的設(shè)計(jì)節(jié)拍都是一致的，加工內(nèi)容必須安排在節(jié)拍內(nèi)完成。為了提高加工中心的利用率，通常在串行柔性線中的CNC加工中心的節(jié)拍規(guī)劃得比系統(tǒng)中的輔機(jī)慢一半，而使用CNC設(shè)備的復(fù)線來補(bǔ)足生產(chǎn)能力。1.2.2并行柔性線如圖1-2所示，整條線上大部分機(jī)床為CNC加工中心，A工位是5臺加工中心，B工位是3臺，C工位是5臺，D工位是4臺；整條線的節(jié)拍是一定的，同工位的加工中心加工內(nèi)容一樣，節(jié)拍也是相同的，但不同工位的加工中心的節(jié)拍不一定相同。為了盡可能多的安排加工內(nèi)容，提高加工中心的利用率，其節(jié)拍應(yīng)較長。圖1-2并行柔性線組成單元組成并行柔性線的每臺CNC加工中心的加工內(nèi)容是由實(shí)際理想的加工步驟、定位夾緊方式等確定的，組成每道工序的加工中心的節(jié)拍并不完全相同。在確定每道工序的加工內(nèi)容和節(jié)拍后，再根據(jù)整條生產(chǎn)線節(jié)拍的要求確定每道工序需要的CNC加工中心的數(shù)量。1.2.3專機(jī)式柔性線專機(jī)式柔性線同加工中心與專機(jī)組合而成的剛?cè)嵘a(chǎn)線并不是一個(gè)概念，專機(jī)式柔性線最主要特點(diǎn)是采用的加工中心是專機(jī)式加工中心，其構(gòu)造結(jié)合了自動(dòng)線和加工中心的特點(diǎn)，將機(jī)床轉(zhuǎn)化為一個(gè)獨(dú)立的加工單元。消除了專機(jī)與加工中心之間的對立，彌補(bǔ)了專機(jī)和加工中心之間的鴻溝，是以加工中心和專機(jī)的組合形式來加工工件的一種新工藝。專機(jī)式加工中心用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的C軸來裝夾工件，夾具與專機(jī)線或加工中心的類似。在夾具上的工件可以在X、Y、Z軸間作軸向移動(dòng)，也可以作旋轉(zhuǎn)。刀具主軸在夾具周圍以U型布置，切削時(shí)工件向刀具運(yùn)動(dòng)。專機(jī)式加工中心的軸數(shù)比專機(jī)要少，使得它更簡單、可靠。因?yàn)闇p少了換刀時(shí)間，生產(chǎn)能力要比加工中心高。它的初期投資和運(yùn)轉(zhuǎn)周期都要低一些。其它優(yōu)點(diǎn)還包括占地面積小，減少庫存、安裝和公用設(shè)施費(fèi)用和零件輸送費(fèi)用等。1.3試制線1.4成型線第二章發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工工藝的研究2.1加工工藝分析及設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工多采用柔性生產(chǎn)線，生產(chǎn)線設(shè)備以進(jìn)口加工中心為主、配少量具一定柔性的專用機(jī)床及必需的輔機(jī)組成。設(shè)備之間采用輸送輥道連接。從柔性的角度出發(fā)，大部份加工內(nèi)容選用進(jìn)口立式加工中心完成。針對部分加工內(nèi)容需在立式加工中心置備第四回轉(zhuǎn)軸。與選用臥式加工中心相比，這樣既達(dá)到了加工要求，又減少了設(shè)備費(fèi)用支出。隨著數(shù)控機(jī)床的技術(shù)不斷進(jìn)步，立式加工中心的性價(jià)比更容易讓用戶接受。生產(chǎn)線加工中心多為進(jìn)口。(1)選用的立式加工中心特點(diǎn)是：①主軸刀柄為BT40。②主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r／rain。③快移速度32ndmin。④刀對刀換刀時(shí)間0．9—1.28。⑤刀庫20把。少部分內(nèi)容對加工中心因節(jié)拍、精度、或成本等影響，該部份內(nèi)容在產(chǎn)品變化后設(shè)備工裝調(diào)整不大，選用NC專機(jī)完成，本線專機(jī)為臺灣進(jìn)口。(2)軸承座側(cè)面加工。加工余量大，加工部位多，如465氣缸蓋8個(gè)面軸承座側(cè)面要加工，在專機(jī)上用一軸裝多把銑刀，可同時(shí)完成多個(gè)軸承座側(cè)面部位加工。本設(shè)備為雙工位雙主軸多刀組合NC銑床，產(chǎn)品變換時(shí)，簡單調(diào)整即可。(3)搖臂軸孔加工。搖臂軸孔為細(xì)長孔，如465Q氣缸蓋搖臂軸孔為垂(15H7X400)mm，其鉆—鉸工序，均采用專機(jī)完成。鉆孔專機(jī)有主軸配水裝置，采用直槽槍鉆，中心出水冷卻。該工序設(shè)備為雙面組合NC鉆，鉸機(jī)床，可以加工單搖臂軸孔和雙搖臂軸孔缸蓋。(4)凸輪軸孔精加工。凸輪軸孔加工分粗鏜—半精鏜—精鏜三道工序。粗鏜、半精鏜在立式加工中心上采用調(diào)頭鏜方式完成，精鏜在專機(jī)上采用可微調(diào)式多刀，連同止口和多階凸輪軸孔同時(shí)完成。(5)其他。設(shè)備冷卻采用單臺獨(dú)立配置，對設(shè)備使用的調(diào)整、維護(hù)等十分方便。例如，針對工件導(dǎo)管與氣門座的材料為粉末冶金及其加工精度要求較高的特點(diǎn)，針對該工序設(shè)備配備了油性稍大的切削液。工件定位統(tǒng)一為一面兩銷，夾具全部采用液壓夾緊。2.1.1工藝流程分析汽缸蓋傳統(tǒng)加工工藝流程如下圖所示。毛坯毛坯、后續(xù)熱處理上、下面粗加工上、下面精加工定位面螺栓孔加工四周面加工上、下平面孔系綜合加工四周平面孔系加工清理、清洗零部件組裝(密封試驗(yàn))氣閥座面及導(dǎo)管孔組合加工檢驗(yàn)氣閥座面配研及著色檢查零部件部裝完工2.2加工工序的研究柔性加工線的工序流程一般分為兩種：工序分散型和工序集中型。工序分散型：工序依次分散的生產(chǎn)線(Sequentialprocess),加工件要通過所有的加工設(shè)備才能加工完成。如其中一臺加工設(shè)備出故障，會牽涉到整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)。工序集中型：加工線上盡可能選用相同型號的加工中心，把不同的工序內(nèi)容集中到一臺機(jī)床上，用盡量少的裝夾次數(shù)，高效的加工工件。當(dāng)某臺加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可用同一工序相同型號的設(shè)備繼續(xù)生產(chǎn)，雖然生產(chǎn)量有所減少，但可以避免整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)。工序集中型還可根據(jù)生產(chǎn)量的增減適當(dāng)增減或轉(zhuǎn)用加工設(shè)備，轉(zhuǎn)用設(shè)備可避免機(jī)床在固定工況下的重復(fù)使用段磨損，這些都是優(yōu)點(diǎn)，相反，缺點(diǎn)是：工件的追溯能力差，由那臺設(shè)備加工的工件不易追溯，且生產(chǎn)中刀具的周轉(zhuǎn)量相對要大一些。2.2.1粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)的選擇本著先基準(zhǔn)、后其它的機(jī)加工原則，首先要考慮的是粗、精基準(zhǔn)。(一)粗基準(zhǔn)的選擇粗基準(zhǔn)主要考慮各加工表面有足夠的余量，不加工表面的尺寸和位置符合圖紙要求。氣缸蓋底部的密封氣缸，與活塞共同形成內(nèi)燃機(jī)的燃燒室，氣缸蓋在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受高溫高壓燃?xì)夂吐菟A(yù)緊力的作用，因此而加工的粗基準(zhǔn)一般選擇氣缸蓋底而，如下圖所示，根據(jù)該基準(zhǔn)校核頂面、各搭子面、出砂孔及氣道平面等位置。汽缸蓋基準(zhǔn)面示意圖氣缸蓋的功能要求氣閥座孔加工后與未加工的氣道須具有相對準(zhǔn)確的位置要求，確保氣缸蓋在工作狀態(tài)下具備良好的配氣功能，因此孔加工的粗基準(zhǔn)一般選擇氣閥孔，根據(jù)氣閥孔校核底而外形及搭了位置，劃底而十字中心線并引至頂面。要保證缸體結(jié)合面與燃燒室內(nèi)毛坯面的位置，實(shí)際上就是要選擇一個(gè)合理的粗基準(zhǔn)。在缸蓋的缸體結(jié)合面方向，都會留有3個(gè)工藝定位臺階，作為粗基準(zhǔn)，這個(gè)工藝定位臺階與燃燒室位于同一方向，是鑄造模具同一個(gè)型面形成的，沒有分型等鑄造工藝誤差，因此比較準(zhǔn)確，所以必須要用缸蓋的缸體結(jié)合面方向上的粗基準(zhǔn)做為首次定位基準(zhǔn)，加工出機(jī)加工的精基準(zhǔn)。以后的誤差，都是用機(jī)加工的精基準(zhǔn)重復(fù)定位而產(chǎn)生的累積誤差，相對較小，不會影響壓縮比。(二)精基準(zhǔn)的選擇主要考慮“基準(zhǔn)重合”與“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，大批量生產(chǎn)中精基準(zhǔn)一般采用底而與兩銷孔，如下圖所示。汽缸蓋定位銷空示意圖缸體結(jié)合面和罩殼面比較大，結(jié)構(gòu)上比較適宜做精基準(zhǔn)，因此，選擇缸體結(jié)合面和此面上的2個(gè)定位銷孔作為第一精基準(zhǔn)，罩殼面為第二精基準(zhǔn)。(三)工序組合一般來說，按照工件位置精度要求的嚴(yán)格與否，有4種方法可以選擇：①要求不嚴(yán)的，可以分別用不同的基準(zhǔn)來定位加工。②有一定要求的，通過用同一個(gè)基準(zhǔn)來定位加工。③要求很嚴(yán)的，通過一次裝夾來完成。④要求極嚴(yán)的，既要一次裝夾，又要用一把刀同時(shí)加工，由此，可以得出缸蓋機(jī)加工藝的核心原則。(四)核心原則加工順序方面要求:①以缸體結(jié)合面方向上的毛坯粗基準(zhǔn)作首次定位基準(zhǔn)。②凸輪軸孔系一次裝夾且用一把刀加工。③閥座導(dǎo)管孔系一次裝夾且用一把刀加工。④挺桿孔和閥座導(dǎo)管孔系最好一次裝加工，對于部分要求不是特別嚴(yán)格的產(chǎn)品，也可以通過調(diào)整夾具精度的方式保證位置度。⑤其余部位可用不同精基準(zhǔn)定位進(jìn)行加工。2.2.2輔助工序及設(shè)備(1)工件密封性檢測。對缸蓋的油道、水道、燃燒室采用氣體密封試驗(yàn)工藝進(jìn)行檢測，檢測儀器選用進(jìn)口，其余機(jī)構(gòu)為國內(nèi)生產(chǎn)。檢測設(shè)備人工放置工件后自動(dòng)封堵、檢測，并有聲光報(bào)警系統(tǒng)，油道、水道檢測還設(shè)有水箱，不合格時(shí)工件浸入水箱，可觀察工件泄漏部位。(2)壓裝機(jī)。壓裝動(dòng)力采用液壓驅(qū)動(dòng)，雙工位，進(jìn)排氣門導(dǎo)管、座圈同時(shí)壓裝。根據(jù)不同產(chǎn)品要求，調(diào)整壓裝角度、位置。(3)清洗機(jī)。中間清洗采用普通通過式清洗。最終清洗采用浪涌加高壓噴射方式清洗。設(shè)置了浪涌清洗裝置、升降清洗裝置和橫移清洗裝置，分別對缸蓋不同清洗部位，進(jìn)行定點(diǎn)定位清洗及大流量翻轉(zhuǎn)沖洗，清洗壓力為0.5—0.7MPa。浪涌清洗裝置主要是針對缸蓋的內(nèi)外表面及型腔的清洗；還設(shè)有翻轉(zhuǎn)倒水吹干、真空干燥等。機(jī)內(nèi)工件輸送方式采用機(jī)械抬起步伐式輸送，準(zhǔn)確可靠，并利用定位銷定位，保證定位準(zhǔn)確。同時(shí)機(jī)床設(shè)置了托盤自動(dòng)返回裝置，變換托盤上的定位機(jī)構(gòu)可以適用不同產(chǎn)品清洗。清洗液進(jìn)行兩級過濾。一級過濾精度﹤50um，二級過濾精度﹤20um。2.3加工方法從缸蓋各部位的尺寸精度、位置精度、形狀精度及光潔度等要求來看，大部分面和孔的各種要求不高，可以通過常規(guī)的銑、鉆、鏜、鉸及攻絲方法來實(shí)現(xiàn)。但是，存在4個(gè)難點(diǎn)，凸輪軸孔系和閥座導(dǎo)管孔系由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)系，精度高，要求嚴(yán)，而且長徑比過大，如果用常規(guī)的加工方法，即使一次裝夾加工，也很難保證要求。缸體結(jié)合面由于平面度要求較高，值積較大，也有一定難度。另外，為適應(yīng)現(xiàn)代加工高效生產(chǎn)的要求，也需要有相應(yīng)的解決方法。2.3.1凸輪軸孔系以直列4缸1.0L鋁合金缸蓋為例，凸輪軸孔的精度要求，如下表1所示。表1凸輪軸孔的精度要求mm直徑5檔孔同軸度圓柱度Ra缸蓋長度￠23H70.015（最大實(shí)體）0.0090.8446加工難點(diǎn):孔系很長。如果通過工作臺回轉(zhuǎn)掉頭加工，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)誤差和機(jī)床重復(fù)定位誤差很難消除，另外還包括操作者設(shè)定加工座標(biāo)系的人為誤差，即使掉頭加工，刀具仍然很長，也無法穩(wěn)定保證同軸度要求。而一頭加工，刀具的長徑比約為20，用常規(guī)的鏜和鉸方法更是無法實(shí)現(xiàn)。加工方法:(1)在專機(jī)上用線鏗刀加工，通過在專機(jī)上增加支撐導(dǎo)套來解決刀具過長的問題，線鏗刀正、反走刀來實(shí)現(xiàn)半精和精加工，保證了同軸度。此法效率較高，但通用性差，在柔性設(shè)備上實(shí)現(xiàn)比較困難。(2)在加工中使用槍鉸加工，如下圖所示。2.3.2閥座導(dǎo)管孔系加工方法:現(xiàn)在比較可靠的方法是復(fù)合槍鉸。加工導(dǎo)管的原理與凸輪軸孔相似，也是采用先導(dǎo)引鉸后精鉸的方法來保證導(dǎo)管孔直線度。加工閥座采用CBN锪刀锪平閥座孔與氣門配合的密封錐面。另外，將閥座刀具與導(dǎo)管刀具復(fù)合，不必?fù)Q刀可實(shí)現(xiàn)二者同時(shí)加工，從而消除了機(jī)床重復(fù)定位誤差工，更穩(wěn)定的保證跳動(dòng)精度。2.3.3缸體結(jié)合面加工難點(diǎn):此面平面度要求較高，一般為0.05mm，型面較大，以1.0L小排量缸體為例，外形也有155mm×430mm。如果采用分刀銑，會有接刀痕；如果一刀過，銑刀盤直徑至少需要200mm，僅銑刀盤的質(zhì)量就要10kg。同時(shí)與這樣的銑刀盤配套的刀柄也必須比較大，解決方法:現(xiàn)在可以通過使用鋁合金銑刀盤，來減少刀具質(zhì)量，從而緩解上述問題。鋁合金刀盤減重約70%，大大提高了加工工藝性。對于鋁合金缸蓋的加工，刀具減重使得采用更高效刀具材料成為可能。2.4柔性加工工藝設(shè)計(jì)2.4.1工藝流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化氣缸蓋為典型的箱體類零件，它的主要加工內(nèi)容為頂?shù)酌?、進(jìn)排氣側(cè)面、前后端面的平面加工以及孔系的加工，精度要求較高的是底面進(jìn)排氣座圈孔、導(dǎo)管孔的加工，高壓油孔由于是空間復(fù)合角度在工序安排上有一定的難度。深入細(xì)致的產(chǎn)品分析，首先制訂工藝流程的基本框架:(一)座圈錐面、槍鉸導(dǎo)管孔及精銑底面采用專用機(jī)床，設(shè)計(jì)節(jié)拍為3.5min。(二)高壓油孔單獨(dú)作為一道工序采用CNC高速加工中心。(三)中、小孔加工、攻絲及平面銑削采用CNC高速加工中心。(四)為保證零部件清潔度，工件分中間、最終兩次清洗，所有輔助設(shè)備(清洗、裝配、試漏等)均按3.5min/件一步到位。在此基礎(chǔ)上對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以工序相對集中為原則，盡可能減少設(shè)備使用數(shù)量。在設(shè)計(jì)過程中，將零件結(jié)構(gòu)形狀所允許、在一次裝夾中能同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工的內(nèi)容進(jìn)行集中，如將進(jìn)排側(cè)面安排在同一工序內(nèi)，將前后端面的加工與頂?shù)酌娴募庸ぐ才旁谕还ば騼?nèi)。當(dāng)然，工序集中時(shí)必須考慮對加工精度、夾具復(fù)雜性達(dá)到影響。2.4.2工序劃分方法①按所用刀具劃分工序。為了減少換刀次數(shù)和空行程時(shí)間，可以采用刀具集中的原則劃分工序，在一次裝夾中用一把刀完成可以加工的全部加工部位(但加工不同面上孔系和面加工時(shí)要針對機(jī)床是工作臺旋轉(zhuǎn)占的時(shí)間少還和換刀的時(shí)間少，選少者。這里指的是機(jī)床工作臺旋轉(zhuǎn)快于換刀)，然后再換第二把刀加工其他部位。②按粗、精加工劃分工序。對易產(chǎn)生加工變形的零件，考慮到工件的加工精度、變形等因數(shù)，可按粗、精加工分開的原則來劃分工序，即先粗后精。先進(jìn)行粗加工，使其內(nèi)應(yīng)力充分釋放，必要時(shí)，粗加工完可考慮松夾一次再進(jìn)行精加工。③按加工部位劃分工序。這種方法一般適應(yīng)于加工內(nèi)容不多的工件，主要是將加工部位分成幾部分，每道工序加工其中一部分，如模具加工中夾外形加工內(nèi)腔。在工序的劃分中，一定要視零件的結(jié)構(gòu)與工藝性、工件的安裝方式、機(jī)床的功能、被加工件的加工內(nèi)容、裝夾次數(shù)等因數(shù)，靈活掌握，力求合理。加工順序的安排應(yīng)根據(jù)被加工零件的結(jié)構(gòu)和毛坯狀況以及定位裝夾的重要性來考慮，重點(diǎn)在于工件的剛性不被破壞，以保證整體零件的加工精度。2.4.3工藝設(shè)計(jì)原則柔性加工工藝過程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：①工序最大限度集中一次定位的原則在加工中心上加工零件，工序可以最大限度集中，即零件在一次裝夾中應(yīng)盡可能完成本臺機(jī)床所能加工的大部分或全部工序。柔性加工系統(tǒng)傾向于工序集中，可以減少機(jī)床數(shù)量和工件裝夾次數(shù)，減少不必要的定位誤差。對于同軸度要求較高的孔系，通過順序換刀來完成該同軸孔系的全部加工，然后再加工其他坐標(biāo)位置的孔，以消除重復(fù)定位誤差的影響，提高孔系的同軸度，對于相互有形位公差要求的孔系和面，盡量在一臺機(jī)床上一次定位裝夾完成這些孔系的精加工，以消除多次裝夾的定位誤差，有利于提高相互關(guān)聯(lián)孔系的形位公差。②先粗后精的原則在柔性加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的加工精度、剛性和變形等因素來劃分工序，應(yīng)遵循粗、精加工分開原則來劃分工序，即粗加工全部完成后再進(jìn)行半精加工、精加工。粗加工時(shí)應(yīng)當(dāng)在保證加工質(zhì)量、刀具耐用度和機(jī)床、夾具、刀具、工件等工藝系統(tǒng)的剛性所允許的條件下，充分發(fā)揮機(jī)床的性能和刀具切削性能，盡量采用較大的切削深度、較少的切削次數(shù)，保證精加工前的余量，盡可能減少走刀次數(shù)，縮短粗加工加工時(shí)間。精加工時(shí)主要保證零件加工的精度和表面質(zhì)量，通常精加工面最后一刀應(yīng)連續(xù)精加工而成，避免接刀痕。為保證精加工質(zhì)量，一般情況下精加工余量以留0.2～0.5mm為宜。粗精加工間最好安排在兩道工序上，粗加工完成后松夾，使粗加工變形得到充分恢復(fù)后，再次裝夾進(jìn)行精加工，以消除變形誤差。③先近后遠(yuǎn)、先面后孔的原則一般情況下，按加工部位相對于對刀點(diǎn)的距離大小排加工順序，離對刀點(diǎn)近的部位先加工，離對刀點(diǎn)遠(yuǎn)的部位后加工，以便縮短刀具移動(dòng)距離，減少空行程時(shí)間。對于既要銑平面又要鏜孔的加工，可按先銑平面后鏜孔。銑完平面后，使其具有一段時(shí)間恢復(fù)，待其恢復(fù)變形后在鏜孔，有利于保證孔的精度。若先鏜孔后銑平面，孔口就會產(chǎn)生毛刺、飛邊，影響孔的配合精度。④刀具最少調(diào)用次數(shù)原則為了減少換刀次數(shù)，壓縮空行程時(shí)間，應(yīng)按所用刀具來劃分工序和工步。即可按刀具集中工序的方法加工零件。為了減少換刀時(shí)間，盡可能將用一把刀具的工序集中，用同一把刀具加工完零件表面上的相同切削部分，以避免同一把刀具的多次調(diào)用、安裝。即在一次裝夾中，盡可能用同一把刀具加工完工件上所有需要用該刀具加工的各個(gè)部位后，再換第二把刀加工其他部位。⑤附件最少調(diào)用次數(shù)原則在保證加工質(zhì)量的前提下，每調(diào)用一次附件后，應(yīng)最大限度地進(jìn)行加工切削，避免同一附件的多次調(diào)用安裝。⑥走刀路徑最短原則在確保加工質(zhì)量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路徑，不僅可以節(jié)省加工時(shí)間，還能減少一些不必要的刀具磨損和消耗。走刀路徑的選擇主要在于粗加工及空行程的走刀路徑的確定，因精加工切削過程的走刀路徑基本上都是沿著其零件輪廓順序進(jìn)行的。一般情況下，合理安排各路徑間的空行程銜接，可有效縮短空行程長度。⑦程序段最少原則在加工程序的編制中，應(yīng)用最少的程序段數(shù)來實(shí)現(xiàn)零件的加工，使程序簡潔，減少出錯(cuò)幾率，提高編程效率，且能減少程序段輸入的時(shí)間及計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的占有數(shù)。⑧柔性加工工序和普通工序的銜接原則柔性加工工序前后一般都穿插有其他普通工序，如為解決鑄坯余量大的粗加工工序，工序中穿插的一些試驗(yàn)檢查、特殊控制工序等，如銜接的不好，就容易產(chǎn)生矛盾，最好的辦法是各道工序需要相互建立狀態(tài)要求，各道工序必須前后兼顧、綜合考慮，如：要不要留加工余量、留多少？基準(zhǔn)面與孔的精度要求、毛坯的熱處理狀態(tài)等，目的是達(dá)到相互能滿足加工要求，且質(zhì)量目標(biāo)及技術(shù)要求明確，各道工序的交接驗(yàn)收有依據(jù)。2.5加工精度的研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋凸輪軸孔加工的傳統(tǒng)工藝是采用細(xì)長鏜桿鏜削加工，由于細(xì)長鏜桿的剛性差，造成所加工的孔同軸度差、軸線彎曲、孔徑尺寸分散、粗糙度差等。因此凸輪軸孔的加工工藝一直是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)速的提高，對凸輪軸孔的精度要求也大大提高了，傳統(tǒng)的孔加工工藝很難達(dá)到新的凸輪軸孔的技術(shù)要求。在西方發(fā)達(dá)國家，最常用的是采用HSK刀柄帶導(dǎo)條整體刀片可調(diào)式刀具，采用這種刀具加工出的凸輪軸孔完全可以滿足零件的加工精度要求。我國最近投產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家由于引進(jìn)了國外的機(jī)床、刀具和工藝，在缸蓋凸輪軸孔的加工上基本滿足了凸輪軸孔的加工精度要求。但由于我們對所使用刀具和刀具對冷卻液要求的了解不足以及生產(chǎn)條件等限制，使得缸蓋凸輪軸孔的加工精度控制一直是生產(chǎn)中的一個(gè)難題。在機(jī)床精度和刀具的精度足夠好的情況下，影響凸輪軸孔加工質(zhì)量的主要因素如下:①切削刃:PCD刀片的特點(diǎn)是硬度很高容易崩刃。如果刀尖表面有微小的裂紋或缺口，刀尖的切削性能將大大降低，切削力增大，表現(xiàn)在加工上就是表面粗糙度變差、尺寸超差。微小的裂紋或缺口肉眼是看不出來的，只有在放大30-50倍的情況下才能發(fā)現(xiàn)。為此通過增加裝刀前對刀片切削刃的檢測方法、標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，可以避免加工表面粗糙度的超差。②引導(dǎo)孔:引導(dǎo)刀的加工尺寸一定要比被導(dǎo)向的刀具尺寸大。根據(jù)刀具及其加工精度要求不一樣，導(dǎo)向間隙也不一樣。③冷卻液:在生產(chǎn)初期，就要了解冷卻液濃度對刀具加工精度的影響規(guī)律，當(dāng)冷卻液濃度下降后，會導(dǎo)致導(dǎo)向條潤滑不良、加工表面易產(chǎn)生劃傷。為此，加工車間制定了冷卻液濃度管理表，日常生產(chǎn)嚴(yán)格執(zhí)行。④環(huán)境溫度:溫度對凸輪軸孔的加工精度影響很大。由于工件長時(shí)間停留在輥道上，工件溫度與廠房溫度接近一致，而加工環(huán)境(冷卻液)控制在20土2℃，當(dāng)在35℃環(huán)境下的工件進(jìn)人機(jī)床后，加工過程中經(jīng)過20℃冷卻液的冷卻，凸輪軸孔中心逐漸向夾具本體方向收縮(如圖)。鋁的熱膨脹系數(shù)為0.0000236，凸輪軸孔中心距燃燒室面的距離為112mm，其收縮量即凸輪軸孔中心發(fā)生的偏移量達(dá)0.0000236×112×15=0.04mm第三章數(shù)字化技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋工藝中的應(yīng)用3.1數(shù)字化工廠介紹在目前的國內(nèi)制造企業(yè)中，有關(guān)產(chǎn)品加工過程的工藝管理如何進(jìn)行一直是企業(yè)信息化建設(shè)的一個(gè)待解決的問題。數(shù)字化工廠就是為填補(bǔ)設(shè)計(jì)與具體實(shí)施之間的斷層而提出的，從產(chǎn)品的角度而言，它為從工藝規(guī)劃到產(chǎn)品的制造提供了有力的支撐。采用數(shù)字化工廠技術(shù)，將給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。它將會減少產(chǎn)品上市時(shí)間，減少設(shè)計(jì)修改，減少生產(chǎn)工藝規(guī)劃時(shí)間，提高生產(chǎn)產(chǎn)能，降低生產(chǎn)費(fèi)用。其主要是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件加工、生產(chǎn)線規(guī)劃、物流仿真、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真和系統(tǒng)優(yōu)化。數(shù)字化工廠技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前國外企業(yè)中所廣泛采用的Tecnomatix解決方案已經(jīng)在很多行業(yè)中創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。例如，大眾汽車公司從2002年就開始使用Tecnomatix解決方案，將其用于支持產(chǎn)品分析、工廠建模和設(shè)備規(guī)劃等領(lǐng)域。在國內(nèi)，一汽大眾汽車公司在AUDIA6L白車身生產(chǎn)線的建模和優(yōu)化仿真上,也使用了數(shù)字化工廠技術(shù)。3.2數(shù)字化工藝規(guī)劃工藝規(guī)劃是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造之間的橋梁，它可以把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品制造信息，因而是一切生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)。它可以優(yōu)化配置工藝資源，合理編排工藝過程。工藝規(guī)劃系統(tǒng)的主要功能可以用IDEFO模型來加以描述，如圖所示。數(shù)字化工藝規(guī)劃是指在數(shù)字化制造的平臺上，對產(chǎn)品的工藝進(jìn)行規(guī)劃，即以數(shù)字化加工資源和工藝方法為基礎(chǔ)，通過識別產(chǎn)品制造特征，為產(chǎn)品制定加工工藝路線，包括加工順序、資源(機(jī)床、刀具和工裝)分配、切削參數(shù)的制定、NC代碼的生成等等。其工作流程系統(tǒng)框架如圖所示。產(chǎn)品產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫資源數(shù)據(jù)庫知識數(shù)據(jù)庫手工定義特征和公差文檔數(shù)控仿真生產(chǎn)線仿真CAD接口公差建模特征識別Feature生產(chǎn)線定義ProductionLine操作和刀具選擇Operation導(dǎo)軌生產(chǎn)Toolpath生產(chǎn)線平衡LineBalancing工藝規(guī)劃流程系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、資源數(shù)據(jù)庫和知識數(shù)據(jù)庫對上圖的各項(xiàng)過程進(jìn)行支撐，這些數(shù)據(jù)庫包含著零件的CAD模型、加工知識、某些特定用戶的典型工藝規(guī)則和工廠的加工資源。數(shù)據(jù)庫完善與否關(guān)系到工藝規(guī)劃過程的順利實(shí)施。3.3發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋工藝規(guī)劃該部分應(yīng)用eMPower軟件中專門針對發(fā)動(dòng)機(jī)工藝規(guī)劃的eMMachining模塊。主要可分為兩個(gè)方面:一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立，包括資源庫(Resource)的建立和工藝知識庫(Domain和Method)的建立；二是加工工藝的生成。3.3.1資源庫資源庫中保存了一些典型的刀具、夾具和機(jī)床數(shù)據(jù)，但在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要添加一些數(shù)據(jù)信息，如專用刀具、夾具等。新的數(shù)據(jù)單位還必須在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行定義，即該軟件所鏈接的Oracle數(shù)據(jù)庫。刀頭和刀柄定義完成后，把它們組成一個(gè)完整的刀具(ToolAssembly)。源庫中的刀具、夾具、機(jī)床部分分別建立尺寸、所屬類別、廠家等加工必需數(shù)據(jù)。3.3.2工藝知識庫工藝知識庫以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在樹形結(jié)構(gòu)上定義加工方法。Domain中定義了刀具、機(jī)床、夾具等加工方法的基礎(chǔ)框架。它將加工特征、機(jī)床、刀具、運(yùn)動(dòng)按“與/或”邏輯構(gòu)建成樹狀結(jié)構(gòu)，并通過別名與eMMachining的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)起來。Method的建立方法是按“逆向推理”原則進(jìn)行，將加工前特征(#Feature)、加工后特征(Feature)、機(jī)床(Machines)、刀具(Tools)、運(yùn)動(dòng)(Motions)、材料(Materials)關(guān)聯(lián)起來，同時(shí)對此關(guān)聯(lián)給出約束，包括加工精度約束、刀具尺寸約束、刀具優(yōu)先級等。3.3.3CAD模型導(dǎo)入首先，要把已經(jīng)建好的CAD模型導(dǎo)入eMMachining。CAD模型以FEATURESTEP文件格式輸出加工特征信息，為了完整地輸出所有的加工特征信息，需要進(jìn)行一系列的信息集成。首先，在Pro/E軟件中，從已有的毛坯模型輸出毛坯STEP中性文件，再添加一些缺失的加工特征、特征尺寸精度信息、形位精度等，然后提取幾何、精度信息，由此導(dǎo)入FEATURESTEP文件。3.3.4特征識別(FeatureRecognition)產(chǎn)品的加工特征分為原子特征(AtomicFeature)和復(fù)合特征(CompoundFeature)兩類，其中原子特征是一些可以用一組事先定義的參數(shù)描述的基本形狀，如孔、槽等;復(fù)合特征提供了一種描述原子特征的組合機(jī)制，例如螺紋孔，包括了螺紋特征和孔特征。對比毛坯和零件模型，軟件可以自動(dòng)地識別出大部分的特征，對于一些不能自動(dòng)識別的特征，需手動(dòng)添加。3.3.5工藝規(guī)劃中的其它工作在加工生產(chǎn)線定義(ProductionLine)中，把所建立的資源庫與識別出的特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并把工件定位在工作臺上。例如，把加工STEP2HOLE_THREAD的ToolAssembly、夾具Cylinder_OP30和機(jī)床BW60HS賦予其對應(yīng)的特征，并調(diào)整夾具的位置，這樣就給每一個(gè)特征賦予了加工所必需的所有資源信息。在刀具路徑(Toolpath)中，可以生成每一個(gè)特征的加工APT代碼，同時(shí)在視圖中一步步地模擬出來，以此來檢測單個(gè)特征加工時(shí)的干涉、碰撞等情況。生產(chǎn)線平衡(LineBalancing)中，根據(jù)節(jié)拍表將加工時(shí)間、換刀時(shí)間以及定位夾緊時(shí)間輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動(dòng)計(jì)算出負(fù)荷率。選擇三維模型的一個(gè)面作為起始加工方向，eMMachining檢測該方向是否符合機(jī)床運(yùn)動(dòng)原理。最后系統(tǒng)生成加工整個(gè)缸蓋的APT代碼，APT文件不能直接在該生產(chǎn)線中的加工中心中執(zhí)行，系統(tǒng)輸出的APT代碼通過后置處理模塊生成生產(chǎn)線中所需要的數(shù)控程序。3.4發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化初步規(guī)劃好的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線還需要進(jìn)行生產(chǎn)線物流的仿真和制造性能驗(yàn)證，以確定生產(chǎn)能力是否滿足要求。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線中所用的軟件進(jìn)行建模，根據(jù)毛坯進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)拍、工藝參數(shù)、物流參數(shù)，得出生產(chǎn)線的制造性能，如工件平均通過時(shí)間、機(jī)床的負(fù)荷率、在制品數(shù)量等。人機(jī)分析方面，應(yīng)用相關(guān)軟件對操作工人的工作姿態(tài)和抓舉及搬運(yùn)作業(yè)進(jìn)行分析。3.4.1柔性制造生產(chǎn)線仿真的建立柔性制造生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)分為三部分:生產(chǎn)線各部件的實(shí)體建模、生產(chǎn)線仿真建模和仿真分析。實(shí)體模型指的是反映生產(chǎn)線中設(shè)備形狀、尺寸、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性等的信息集合，仿真模型包括布局信息、各種設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)等。仿真分析指的是運(yùn)行仿真模型后，分析生產(chǎn)線平衡、瓶頸，使之達(dá)到產(chǎn)能最大化、排程最佳化、在制品及庫存最小化和成本最小化。(一)Flexsim仿真模型的建立Flexsim是美國Flexsim軟件公司開發(fā)的物流仿真軟件，它是而向?qū)ο蟮姆抡孳浖?/p>