一种活塞制造方法和活塞生产线与流程

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种活塞制造方法。本发明还涉及一种活塞生产线。

背景技术：

活塞作为发动机的重要零件，例如柴油机、气体机以及其它替代燃料活塞，应用于高温、高压、高速等严苛的工况下，承受着交变载荷，可见活塞制造的一致性和精密度与发动机的寿命、工作可靠性密切相关。而目前的柴油机活塞生产线大多难以脱离人工，极大限制了活塞生产的效率和制造一致性，虽然也出现了少数柴油机活塞生产线，例如cn108340172a，但其忽视自动化生产的可操行性和连续性，生产效益难以提升。其中一个重要的原因就是，对于加工工艺复杂的零件，连续的机加工会使零件局部出现应力集中的现象，若不能避免或者及时消除加工应力，整体上虽能实现柴油机活塞的全自动化加工，但加工成品率大大折扣。

综上所述，如何在连续的自动化生产中提高柴机油活塞的成品率，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种活塞制造方法，其工序合理，能够大幅提升自动化加工的精度和合格率。本发明的另一目的是提供一种活塞生产线，可根据场地大小灵活调整设备位置，适用性广。

为实现上述目的，本发明提供一种活塞制造方法，包括：

s1：粗车燃烧室及头部外圆；

s2：车止口及裙部外圆；

s3：粗镗销孔、铣挡圈槽及内倒角、外倒角；

s4：钻油孔；

s5：车铝矩形槽及环岸；

s6：精车外圆及平顶面；

s7：车镶圈槽；

s8：铣气门坑及燃烧室凸台；

s9：精车燃烧室；

s10：精镗销孔。

优选地，所述步骤s1之前还包括：

s0：将活塞光坯置于用以输送连续加工的活塞的环形滑轨上。

优选地，所述步骤s0之前还包括：

s01：从上料仓中取出活塞光坯，并放置于定向中转台；

s02：判断活塞光坯的摆放位置是否正确，若是，则进入步骤s0，若否，则调整活塞光坯的摆放位置。

优选地，所述步骤s10之后还包括：

s11：清洗并干燥活塞；

s12：将干燥后的活塞装框码垛。

本发明还提供一种活塞生产线，包括：

多台用以实现如上所述的活塞制造方法中活塞不同工序加工的制造设备；

至少一台关节机器人；所述关节机器人设于全部所述制造设备一侧、用以抓取完成上一工序的活塞半成品并装卡至下一工序的所述制造设备。

优选地，还包括紧邻全部所述制造设备设置、用以输送活塞半成品的环形滑轨。

优选地，还包括：

上料仓；

位于所述上料仓和所述环形滑轨之间的中转台；

位于所述环形滑轨的首端，用以在所述上料仓、所述中转台和所述环形滑轨之间转移活塞光坯的上料机器人。

优选地，还包括：

位于所述环形滑轨的末端、用以清洗加工完成的活塞的清洗干燥机；

设于所述清洗干燥机一侧的下料仓；

用以在所述清洗干燥机和所述下料仓之间转移活塞的下料机器人。

优选地，全部所述制造设备根据加工顺序依次分布于所述环形滑轨的一侧。

优选地，所述关节机器人的数目具体为5台，任一所述关节机器人用以依序配合相邻两台所述制造设备的连续生产。

相对于上述背景技术，本发明所提供的活塞制造方法实现了活塞从光坯上料，经过上述10个加工工序后成品下料，整个流程无需人工辅助。

上述方法注重加工节拍，即通过合理布置多个加工工序，在保证合理性和加工的精度的同时，使整条生产线各工序之间加工时间接近，也即节拍平衡，同时能够确保加工应力大的工序在精加工之前得到合理释放，避免多步连续生产中应力不断积累，造成产品应力变形不合格的问题。同时，保证加工节拍平衡还能提高自动化生产的经济效益，合理的、均衡的加工节拍使得相邻的加工设备完成加工工序的单位时间相近，上一工序的工件能够及时供应下一工序的需求，不会产生某一阶段的工件大批量积累，从而影响整个生产线的加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的第一种活塞制造方法；

图2为本发明实施例所提供的第二种活塞制造方法；

图3为本发明实施例所提供的第三种活塞制造方法；

图4为本发明实施例所示的活塞；

图5为本发明实施例所提供的一种活塞生产线。

其中，

1-活塞顶部、2-活塞头部、3-环岸、4-油孔、5-内倒角、6-活塞裙部、7-止口、8-销孔、9-挡圈槽、10-外倒角、11-铝矩形槽、12-镶圈槽、13-燃烧室、14-气门坑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-图5，图1为本发明实施例所提供的第一种活塞制造方法；图2为本发明实施例所提供的第二种活塞制造方法；图3为本发明实施例所提供的第三种活塞制造方法；图4为本发明实施例所示的活塞；图5为本发明实施例所提供的一种活塞生产线。

请参考图1和图4，本发明所提供的活塞制造方法，包括：

s1：粗车燃烧室13及头部外圆。

通过关节机器人将活塞光坯装夹于第一车床上，一般来说，可将活塞光坯以外圆面和裙部底端为基准，通过数控机床的三爪卡盘轴向定位夹紧，粗车燃烧室13和头部外圆。

燃烧室13即活塞顶部1的凹陷腔，其具体形态与活塞的热负荷、机械负荷相关，且进刀次数多，加工时间相对较长，加工余量大，切削应力大；活塞头部2具体指第一道活塞环槽到销孔8以上的部位，它包括多道环槽，用以安装活塞环实现密封。

s2：车止口7及裙部外圆。

通过关节机器人将粗车过燃烧室13和头部外圆的工件装夹于第二车床上，以外圆面和头部顶面为基准，利用三爪卡盘轴向定位夹紧，车止口7、裙部外圆以及在活塞顶面打顶面中心孔。

活塞裙部6指自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的区域，用于引导活塞在气缸内运动和承受侧压力，其在冷态加工时一般呈现椭圆形，以便在工作过程中膨胀受热变形后趋近于正圆；在活塞裙部6下端及内腔部分还需要加工出止口7和顶面中心孔作为后续工序的定位基准，止口7和顶面中心孔一次装夹加工完成，保证了后续工序活塞定位夹紧的同轴度要求。

裙部的长轴在垂直于销孔8中心线平面内，短轴在销孔8中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置并非定值。同时活塞裙部6外圆的粗糙度较低，且对加工纹理有特殊要求，加工时间相对较长。

s3：粗镗销孔8、铣挡圈槽9及内倒角5、外倒角10。

通过关节机器人将加工完止口7和裙部外圆的工件装夹于镗铣床，以止口7、头部顶面和活塞销座面为基准进行定位，夹紧活塞头部外圆，粗镗销孔8、并铣出挡圈槽9及内倒角5、外倒角10。

s4：钻油孔4。

通过关节机器人将经过镗铣床加工的工件装夹于数控钻床，以活塞头部外圆、顶面、销孔8为基准进行定位夹紧，钻油孔4。

s5：车铝矩形槽11及环岸3。

通过关节机器人将钻好油孔4的工件装夹于第三车床上，以止口7为定位基准，顶紧顶面中心孔，拨块拨动活塞销座面，车铝矩形槽11及环岸3。

铝矩形槽11顾名思义，其槽侧垂直于槽底面，即铝矩形槽11为直槽，因而对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的平面度等有着较高的加工精度要求，部分产品要求槽侧面呈碟型，不允许呈伞型。一般情况下，需要经过粗加工和精加工两个阶段，否则容易产生加工变形，产品达不到密封效果。

s6：精车外圆及平顶面。

通过关节机器人将经过车好铝矩形槽11的工件装夹于第四车床，以止口7和活塞销座面为定位基准，顶紧头部顶尖孔，精车外圆及平顶面。

由于外圆和顶面一次装夹加工，在设备能力保证条件下，消除了二次装夹对顶面和外圆轴线的垂直度的影响；另外，铝矩形槽11隔开了活塞头部和裙部，裙部采用金刚石刀具加工，头部采用氮化硼刀具加工，加工到铝矩形槽11的时候进行换刀。同一次装夹完成加工头部和裙部，保证了头部和裙部的同轴度要求，铝矩形槽11的加工完成方便了换刀，提高了刀具的寿命，提高了外圆加工质量。

s7：车镶圈槽12。

通过关节机器人将精车外圆后的工件装夹于第五车床上，以止口7为定位基准，机床尾座顶尖顶紧顶面中心孔，拨块拨动销座面，车镶圈槽12。

由于镶圈槽12为气环，距离顶部最近，其工作环境相较于铝矩形槽11更为苛刻，例如承受的燃气温度、冲击力等等，因而一般镶圈槽12采用高镍铸铁镶圈，提高其耐磨性，保证其与活塞环的接触密封性更好。镶圈槽12的倾斜槽侧不仅具有粗糙度、基准直径要求，还对波纹度具有一定要求，特别是梯形槽的上下侧面角度公差要求，需要经过粗加工、精加工两个阶段。

s8：铣气门坑14及燃烧室13凸台。

通过关节机器人将车好铝矩形槽11、镶圈槽12、外圆等工序的工件装夹于第六车床上，以止口7、销孔8为基准，利用芯棒拉紧工件，铣气门坑14及燃烧室13凸台。

将铣燃烧室13凸台安排在加工完成铝矩形槽11、镶圈槽12、外圆工序后进行，是为了保留凸台上的顶面中心孔，为前面几道工序的精加工提供定位；铣燃烧室13凸台和铣气门坑14在同一道工序中加工，是由于铣气门坑14加工时间短，精车燃烧室13时间长，在精车燃烧室13前进行燃烧室13凸台加工，能更好的平衡节拍。

s9：精车燃烧室13。

通过关节机器人将活塞半成品装夹于第七车床上，以止口7、销孔8为基准，通过芯棒拉紧销孔8，精车燃烧室13。

将燃烧室加工安排在精镗销孔8之前，能预防精加工好的销孔8被芯棒拉紧时压坏。

s10：精镗销孔8。

上述粗镗后的销孔8还需要进一步加工，即通过关节机器人将工件装夹于镗床，以止口7及其端面和粗镗后的销孔为基准，压紧活塞顶面；或者以外圆、顶面和粗镗后的销孔8为基准，压紧活塞裙部底端，精镗销孔8。

考虑到经过多步加工工序的活塞壁薄、刚性差，且在活塞工作时销孔8内的销反复受到冲击，极易造成应力集中或疲劳损坏，因而对其尺寸精度以及位置精度要求较高，而销孔8在活塞中占据着重要的位置，因而将其精加工环节放在最后进行加工。

需要说明的是，上述粗车具体指多次车削的第一阶段，粗车后工件表面的刀痕可见，工件的表面粗糙度一般大于6.3μm；精车是在粗车基础上的进一步加工，加工表面的刀痕不可见，工件的表面粗糙度一般不大于1.6μm，车具体指一次车刀加工，工件的表面粗糙度一般在6.3μm～3.2μm之间。

上述任一步骤中的装夹均包括将上一工序的工件从上一制造设备上拆卸下来，并由关节机器人移至下一工序的制造设备上进行。

对于在同一台数控机床上进行的多个加工环节，一则出于多个环节结合起来在同一台机床的总操作时间，使得相邻两台机床的加工时间均衡，避免出现前一机床加工过慢难以供应下一机床，或者前一机床加工过快，加工完的工件积累于下一机床之前；二则出于是否需要换刀或换刀难度的考虑。

当某一部位加工精度较高时需要多次进刀，且每次进刀量小，耗时较长；当某一部位加工精度不高时往往又因为加工范围较大，虽然进刀次数少，但完成一次进刀的时耗较长，以此平衡多个步骤之间的加工时长。

本发明所提供的柴油机活塞制造方法注重连续加工中的节拍平衡，即通过合理布置多个加工工序，在保证合理性和加工的精度的同时，使任意相邻的两工序之间加工时间接近，最大程度提高生产效率；同时，切削应力变形大的工序在精加工前得到合理释放，避免多步连续生产中应力不断积累，解决了造成零件精度达不到要求的难题，提高了产品合格率和加工精度等级；整个工艺流程的设计，最大程度的避免了重要部门在装夹加工过程中的二次伤害，提高了产品的加工质量。

下面结合附图和实施方式，对本发明所提供的活塞制造方法做更进一步的说明。

进一步的，步骤s1之前还包括：

s0：将活塞光坯置于用以运输连续加工的活塞的环形滑轨上。

将活塞光坯按照确定方向依次放置于环形滑轨上进行运输，具体而言，将活塞光坯依次放置于环形滑轨上的转运托盘中，依靠转运托盘与环形滑轨之间的静摩擦将其沿环形滑轨的运行方向输送至相应位置，直至转运托盘把活塞输送到下料机器人拾取位置后，空托盘沿环形滑轨返回上料机器人拾取位置，循环承担输送工件的任务。

需要说明的是，环形滑轨具体指布置于平面的带式运输设备，其运输平面平行于地面，且运输平面呈跑道式分布，活塞半成品沿任一端放置于该带式运输设备，均可随运输平面运行至环形滑轨的任一水平位置。显然，上述数个用以加工活塞不同部位的制造设备设置于环形滑轨一侧，当活塞半成品运输至某一台制造设备时，如果活塞半成品的下一工序恰为该制造设备的工序时，关节机器人将活塞半成品从环形滑轨上夹取，并移至该制造设备的装夹部位进行装夹。同一台机器人控制的两台制造设备位置可以互换等等。

请参考图2，步骤s0之前还包括：

s01：从上料仓中取出活塞光坯，并放置于定向中转台。

以环形滑轨的某一位置作为活塞光坯上料的起点，将活塞光坯从上料仓中移动至该起点的过程中，还需要对活塞光坯的摆放方向进行调整，使进入环形滑轨的全部的活塞光坯的摆放位置相同，这一环节通常由毗邻于上料仓的上料机器人配合定向中转台实现。

s02：判断活塞光坯的摆放位置是否正确，若是，则进入步骤s0，若否，则调整活塞光坯的摆放位置。

当上料机器人将活塞光坯从上料仓移至定向中转台后，定向中转台判断该活塞光坯的摆放位置是否正确，如果正确，上料机器人将该活塞光坯继续移至环形滑轨上，如果不正确，上料机器人夹起该活塞光坯重新摆放于定向中转台，以调整该活塞光坯的摆放位置，直至摆放正确。

请参考图3，当活塞半成品完成全部的加工工序后，活塞表面不可避免粘附润滑油或者加工屑，因此，在步骤s10之后还包括：

s11：清洗活塞并干燥活塞。

以环形滑轨的另一位置作为活塞的下料点，将活塞从该点取下，进行收集，这一环节通常由毗邻于收料仓的下料机器人配合清洗干燥机实现。

当随环形滑轨移动至下料点的活塞完成全部加工工序后，下料机器人将活塞逐个夹取并移至紧邻环形滑轨设备的清洗干燥机上，清洗干燥机对活塞进行清洗和干燥。

s12：将干燥后的活塞装框码垛。

将干燥后的活塞从清洗干燥机的出口处夹取并装框码垛，移至收料仓进行集中贮存。

本发明所提供的活塞制造方法对活塞的加工工序进行合理设计，使相邻的两工序之间加工节拍平衡，提高整个生产线的作业效率；同时能够确保加工应力大的工序在精加工之前得到合理释放，避免多步连续生产中应力不断积累，造成产品应力变形不合格的问题，提高自动化生产的成品率。通过多个具有不同作用的机器人协助，一并完成加工之前的上料环节和加工之后的清洗、干燥以及下料环节，实现流水化生产，提高自动化生产的经济效益。

本发明还提供一种活塞生产线，请参考图5，包括多台用以实现上述活塞制造方法中活塞不同工序加工的制造设备03和至少一台关节机器人06；关节机器人06设于全部制造设备03一侧、用以抓取完成上一工序的活塞半成品并装卡至下一工序的制造设备03。

需要说明的是，关节机器人06位于制造设备03一侧具体指关节机器人06在布局时以制造设备03为中心放置其前后左右任意一侧，而关节机器人06在装夹或者拆卸活塞半成品的过程中，关节机器人06的机械爪需要与制造设备03的进料口与出料口保证相对位置，即关节机器人06的机械爪应当与进料口或出料口正面相对，以保证机械爪协助制造设备03实现装夹或者拆卸。

上述数台制造设备03分别用于每一工序的加工，一般情况下全部制造设备03采用数控机床，例如数控车床、数控铣床、加工中心、专用异形外圆车床和专用异形销孔镗床等。全部制造设备03可沿直线布置，亦可环绕成圈。

关节机器人06用于协助全部制造设备03完成装夹和拆卸，实现活塞半成品在各个制造设备03之间的转移。关节机器人06的设置位置根据其数目的不同而不同，当每一台制造设备03均具有一个关节机器人06时，关节机器人06可设于任意一台制造设备03的一侧。

显然设置在某一具体位置的关节机器人06实际上可以协助其两侧的两台制造设备03，为此，关节机器人06的数目可设置为5台，任一关节机器人06用以依序配合相邻两台制造设备03的连续生产。具体而言，即第一台关节机器人06位于第一台制造设备03和第二台制造设备03之间，第二台关节机器人06位于第三台制造设备03和第四台制造设备03之间，第三台关节机器人06位于第五台制造设备03和第六台制造设备03之间，第四台关节机器人06位于第七台制造设备03和第八台制造设备03之间，第五台关节机器人06位于第九台制造设备03和第十台制造设备03之间。

本发明所提供的活塞生产线在同一机器人控制的制造设备03的布局上不受加工工序的顺序制约，当制造设备03的顺序与加工工序的顺序不同时，由关节机器人06和环形滑轨04配合完成依序加工。具体而言，用于步骤s1的制造设备03和用于步骤s2的制造设备03布局位置可互换，当活塞光坯运输至用于步骤s1的制造设备03，关节机器人06将其夹取并装夹于用于步骤s1的制造设备03，完成步骤s1的加工后，由关节机器人06将其夹取并装夹于用于步骤s2的制造设备03上进行加工。

为了方便活塞在数台制造设备03之间转移，在上述实施例的基础上还包括紧邻全部制造设备03设置的环形滑轨04。

如前所述，环形滑轨04具体指布置于平面的带式运输设备，其运输平面平行于地面且呈跑道式分布，活塞光坯、活塞半成品沿任一端放置于该带式运输设备，均可随运输平面运行至环形滑轨04的任一水平位置。

当全部制造设备03沿直线分布时，可设置于环形滑轨04的其中一个长边的同侧，也可设置于其中一个长边的异侧；当全部制造设备03环绕成圈分布时，可均布于环形滑轨04的外周，也可根据多个加工工序之间的关系局部集中，局部分散。

关节机器人06将环形滑轨04上的活塞毛半成品夹取并装夹于制造设备03上的过程中，根据每一工序的装夹方式和定位方式不同，关节机器人06需要确保正确的将每一个活塞半成品装夹于制造设备03上。

为了简化关节机器人06的装夹操作，还包括上料仓01、位于上料仓01和环形滑轨04之间的中转台02、以及位于环形滑轨04的首端，用以在上料仓01、中转台02和环形滑轨04之间转移活塞光坯的上料机器人08。

上料机器人08将活塞光坯逐个从上料仓01中取出，并转移至中转台02上进行摆放位置的调整，以便关节机器人06能够令每一工序中的活塞光坯得以正确装夹。如前所述，当中转台02上放置的活塞光坯的位置不正确时，上料机器人08夹起活塞光坯重新进行摆放，直至中转台02放置的活塞光坯的摆放位置正确后，继而将其移动至环形滑轨04上的转运托盘中。

为了去除粘附在活塞上的润滑油或者加工屑，上述环形滑轨04的末端还设有清洗干燥机05、设于清洗干燥机05一侧的下料仓07，和用以在清洗干燥机05和下料仓07之间转移活塞的下料机器人09。

本发明所提供的活塞生产线，由上料机器人08将活塞光坯从上料仓01转移至定向中转台02，定向中转台02对放置在其上的活塞光坯的摆放位置进行判断，并由上料机器人08协助完成摆放位置的调整；当定向中转台02确认活塞光坯的摆放位置正确后，由上料机器人08继续转移至环形滑轨04上的转运托盘中；正确摆放在环形滑轨04上的活塞毛半成品随环形滑轨04的移动运输至各个制造设备03旁，由关节机器人06完成装夹和拆卸；完成最后一个工序的活塞由下料机器人09移至清洗干燥机05内除去加工屑和油脂，并由下料机器人09进一步完成收料。该生产线中加工过程的关键在于，环形滑轨04、关节机器人06和全部制造设备03的相互配合，由于关节机器人06控制活塞毛半成品的装夹和拆卸，制造设备03在场地中具体如何布局并不影响该环节，即本生产线在布局上可根据实际环境进行调节，灵活性高。

以上对本发明所提供的活塞制造方法及活塞生产线进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。