發動機氣缸蓋鋁屑清潔設備設計開發

鄭文清

關鍵詞：氣缸蓋；鋁屑；自動化；清潔

0引言

在氣缸蓋各類安裝孔、密封面等的機加工過程中會產生不規則鋁屑，鋁屑在切削液的沖洗下進入水腔內后，滯留在復雜的鑄造內壁上[1-2]。為改善氣缸蓋清潔度，一方面傳統工藝上，可通過使用目數大的細砂、特殊砂種或優化涂料膏等措施控制鑄件粘砂，改善鑄造內壁的表面質量[3]。另一方面，采用高壓清洗設備對水腔進行清洗。經過清洗干燥后，氣缸蓋送往裝配線氣缸蓋分裝區，附著在氣缸蓋水腔內壁的鋁屑在裝配過程中由于敲擊振動等因素，脫落到缸體氣缸蓋連接面上，導致長缸體氣密性泄漏檢測不合格，造成返修浪費，且影響發動機整體清潔度。如圖1所示，造成長缸體氣密性泄露檢測的各類因素當中，氣缸蓋底面鋁屑問題占比達42%。

1研發目的

調研發現，某汽車主機廠所生產的某型號發動機氣缸蓋毛坯水腔為鑄造成型，結構復雜且內壁粗糙，清洗難度大。發動機氣缸蓋鋁屑清除的傳統工藝為采用清洗設備高壓水流或氣流沖洗，清潔后氣缸蓋清潔度大幅提升，但對復雜水套內的卡滯鋁屑依舊效果不佳[4-5]。

為進一步提升氣缸蓋清潔度水平，減少長缸體氣密性檢測不達標問題發生，該工廠通過探索，在傳統工藝之外，依靠仿生學原理設計研發了一款用于提升氣缸蓋清潔度的自動化設備。該設備初滿足氣缸蓋鋁屑清除的功能外，還能滿足定位精準、節拍可調和安全可靠的基本原則。

2項目設計

2.1技術要求

該工廠設計建造缸蓋下線工位自動振料設備，用以振蕩吹出缸蓋水道內殘留的鋁屑。設備除了滿足常規安全要求，具備防護網等防范設計，無噪聲污染、環境污染等不良影響外，還需具備以下技術要求。

（1）設備的鋁屑收集、振料系統需考慮功率等因素，無過載風險。設備需具備缸蓋瓦蓋螺栓防脫落機構，運行時無螺栓掉落風險；需為全自動化設備，無需人工操作，即可實現鋁屑振蕩、清除和收集等功能。

（2）設備所用電機、氣缸和傳感器等部件，使用常用品牌型號，需滿足通用性、可快速更換等性能，備件采購方便快速。設備需具備全柔性，兼顧該發動機工廠在產B系列自然吸氣、增壓機型及未來新機型。

（3）設備占用空間滿足現場實際安裝要求，長、寬、高均不超過1.5m，不引起其他設備移位、調整等。

（4）設備需具備工件到位檢測等功能，能有效識別夾不緊、夾歪等情況。設備斷電、斷氣和故障等急停時能自鎖，保證零件無松夾掉落風險；可實現旁路功能（BAYPASS），可實現能量鎖定，且不影響周邊設備正常運行。

（5）過線零件100%無劃傷、壓痕等不良狀況，整機節拍穩定，低于65s。設備振動幅度可調，便于員工操作，且相關參數目視效果好。

2.2技術原理

研究該工廠生產工藝發現，在氣缸蓋下線點，操作指導書要求工人對已高壓清洗、烘干的成品氣缸蓋做若干檢測。工人取得抽樣件后放置樣件在軟材質平臺面上時，有摔擊、振蕩和旋轉等動作。完成該動作后會發現，原本卡滯在水腔內的不規則鋁屑會掉落在檢測臺上。另一方面，該工廠發動機裝配線在氣缸蓋上線點存在夾持氣缸蓋后旋轉動作，該過程會有部分鋁屑掉落。

基于以上觀察，通過仿生學原理設計研發氣缸蓋自動去鋁屑設備。采用特殊凸輪振蕩機構及彈性耐磨塑料構成的面加緊定位機構等方式，模擬人工振蕩、旋轉氣缸蓋成品等操作，實現自動鋁屑收集等工作，并實現振動幅度、振動頻率的調節。

通過模擬人工振蕩、摔擊等動作，以減少氣缸蓋水腔內鋁屑殘留，提高氣缸蓋清潔度水平。對自動去鋁屑設備涉及的安全、自動化和柔性化等方技術要求如圖2所示。

2.3工藝流程

氣缸蓋自動去鋁屑設備占地面積約1.6m2，安裝布局需不引起現有設備的移位和更改。結合該工廠實際工藝布局，設備需安裝在其生產線最終清洗設備及氣缸蓋泄露檢測設備之間。該段輥道是自動輥道，滿足設備的全自動運行要求。同時該區間的氣缸蓋經過最終清洗，零件表面及水腔內部干燥，無切削液粘附等外部因素影響，較好地實現振蕩去鋁屑的作用。而且對應區間段輥道長均超過4m，設備布局空間足夠，因此選定該段輥道安裝氣缸蓋自動去鋁屑設備（圖3）。

PLC程序控制設備依次完成各個動作：設備在感知來料后，依次完成夾緊、振料、旋轉和鋁屑收集等工序后，自動放行開啟下一個循環。各工序節拍明細如表1所示。

3設備開發

基于功能設計及建造要求，該自動去鋁屑設備主要涵蓋機械部分、電氣部分、鋁屑收集系統和控制系統等四大部分（圖4）。設備采用電機帶動特殊結構的凸輪軸旋轉，從而帶動包括氣缸蓋在內的夾緊機構上下快速振動；旋轉電機帶動旋轉機構沿導向輪運行，實現氣缸蓋360°旋轉；吹氣機構對振蕩出的鋁屑等雜質吹入接渣機構，實現鋁屑的自動收集；PLC控制設備動作執行，實現全自動運行。

3.1設備夾緊機構

設備夾緊機構起到對工件的定位、裝夾等作用，由底部夾緊氣缸、右側面夾緊氣缸和限位塊等組成。兩側氣缸蓋定位夾具均采用彈性耐磨塑料等軟材料，模擬人工操作夾緊固定氣缸蓋，有效避免硬限位夾緊帶來的氣缸蓋密封面壓傷等質量缺陷。采用彈性耐磨的塑料作為定位夾緊面，包容性較強，不同機型切換時只需要切換控制程序，依靠程序中設置的夾緊液壓缸的不同行程來適應不同機型之間的結構差異，無需做機械部件的調整（圖5）。

3.2設備翻轉機構

翻轉機構起到旋轉工件、實現360°旋轉以及將各個角度的鋁屑倒出的功能。其主要包括旋轉盤、導向輥和角度傳感器等部件組成。執行旋轉動作時，旋轉圓盤依靠導向輥子的限位作用實現圓周運動，同步帶動被夾緊的氣缸蓋零件實現角度變換。旋轉機構采用伺服電機控制，能夠精確定位翻轉角度，可根據需要實現不同角度下的振蕩。

3.3設備振蕩機構

振蕩機構則模擬人工在操作臺上摔打、振蕩的過程，將原本卡滯的鋁屑振出。其主要由電機、振蕩凸輪、減振機構、傳動帶和基座等部件組成。電機帶動振蕩凸輪機構旋轉時，當機構行使至最高點、最低點交界處時，由于凸輪直徑的突變，在重力的作用下包括氣缸蓋在內的夾緊機構快速下降。凸輪每轉一周振蕩2次。因此凸輪軸快速不斷旋轉帶動夾緊機構反復上下振蕩，振出水腔附著的鋁屑。振蕩電機與滾道驅動電機對稱，利于翻轉臺受力平衡，減少翻轉電機負荷。振蕩頻率由變頻器控制，參數可調。

3.4鋁屑收集及保護機構

鋁屑收集主要依靠吹氣機構，將掉落的鋁屑集中至接渣車內。吹氣機構設計在左側導向板處，振蕩時就一直吹氣，便于鋁屑及時吹出來。在吹氣機構的作用下，鋁屑落到接渣車中。由于涉及振動、旋轉部件，因此該設備設計了防護機構以保證安全生產。采防護機構采用兩層防護，第一層采用透明有機玻璃，保證外部有效觀測設備內部運行情況，且防止鋁屑飛濺引起安全隱患，同時可降低噪聲污染。第二層采用格柵防護，將振動部件隔離起來，規避運動部件造成的潛在安全風險。

4有效性及效益計算

自動振蕩設備建成后，設計人員連續跟蹤設備效果6個月，整體運行良好，無零部件壓傷等質量問題。通過對氣缸蓋下線成品清潔度檢測結果對比發現，設備投產后，該生產線在無其他變量的情況下，氣缸蓋平均清潔度水平由原來的2.29mg/臺提升至1.46mg/臺，清潔度水平提升36%，裝配線長缸體氣密性檢驗合格率大幅提升（圖6）。

統計發現，該設備在現場投產后，預計可減少因鋁屑夾雜導致的發動機整機返修18臺/月，并大幅提升清潔度，提升發動機整機首次下線合格率。按照該公司成本核算方式，設備投入后，可節約返修成本17.8萬元/年，包括：

發動機返修材料費用=800元/臺×18臺/月×12月=173000元

發動機返修人工費用=26.77元/人·小時×0.5小時×2人×18臺/月×12月≈5782元

對比設備成本投入，設備建造一次性投入約48.0萬元，不足3年即可收回設備投入，經濟可行。

5結束語

該鋁屑清除設備的研發，通過全自動PLC程序控制及特殊的機械結構，實現自動循環執行既定動作，全程無需人為干預。該設備有利于產品清潔度及一致性的提升，大幅降低了因鋁屑殘留導致的裝配線長缸體泄漏問題。

該設備在發動機氣缸蓋線中順利投入使用，配合傳統清洗工藝、切削工藝優化等。從使用情況及結果看效果明顯，極大提升了該公司發動機氣缸蓋線的自動化水平和裝配質量，不僅具有顯著的經濟效益，而且具有較高的推廣價值。