بأخذ تصنيع رأس أسطوانة المحرك الجديد كمثال، تبحث هذه الدراسة في عملية التصنيع فيما يتعلق بمتطلبات الدقة الموضعية لتركيب التروس/تحديد موقع الثقوب وفتحات عمود الكامات المزدوجة. من خلال مقارنة طرق التحكم المختلفة، يُقترح نهج جديد للتحكم في الدقة الموضعية؛ يتم استخدام برمجة NC الماكرو- لحساب إحداثيات التشغيل الآلي لتحديد موقع الثقوب، مما يضمن بشكل فعال دقة المسافة المركزية المطلوبة -إلى- بين فتحات تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحتي عمود الكامات.
الجزء 1
مقدمة
يعمل المصنع على تطوير محرك جديد تمامًا- يستهدف معايير الانبعاثات "China VII"، ويهدف إلى تحقيق أداء فائق في الانبعاثات ومواصفات فنية رائدة. لتحقيق تحكم دقيق في تدفق هواء السحب والعادم داخل غرفة الاحتراق، يستخدم المحرك هيكل عمود الحدبات المزدوج -العلوي- (DOHC). يفرض المنتج الجديد متطلبات تثبيت صارمة على التروس التي تتفاعل مع نظام محرك عمود الكامات المزدوج-؛ وبالتالي، فإن ضمان الدقة الموضعية لثقوب تركيب/تحديد موقع التروس بشكل فعال يمثل تحديًا كبيرًا في الإنتاج التجريبي وتصنيع رأس الأسطوانة.
الجزء 2
متطلبات تصنيع الأجزاء وتحليل العمليات
2.1 عمليات التصنيع الشائعة لفتحات عمود الكامات وفتحات تركيب/تحديد موقع التروس
يتم توضيح متطلبات الدقة الموضعية لفتحات عمود الكامات وفتحات تثبيت/تحديد موقع الترس في الشكل 1. تم تحديد التسامح الموضعي لفتحات عمود الكامات -العلوية المزدوجة- بـ φ0.2 مم، في حين أن متطلبات الدقة للمسافة المركزية - إلى -المركز بين فتحات تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحات عمود الكامات هي ±0.03 مم.
الشكل 1: متطلبات الدقة الموضعية لفتحات عمود الحدبات وفتحات تثبيت/تحديد موقع التروس
إن تصنيع فتحات عمود الكامات المزدوجة وفتحات تثبيت/تحديد موقع الترس في إعداد واحد (التثبيت) يضمن بشكل فعال الدقة الموضعية النسبية. يتم استخدام حلين محددين للتصنيع بشكل شائع:
1) استخدام معدات متعددة الرؤوس-مغزلية- متخصصة: من خلال إعداد واحد وأداة حفر مخصصة [1]، يتم تشكيل فتحات عمود الكامات وفتحات تثبيت/تحديد مكان التروس في وقت واحد إما من نفس الجانب أو من الجوانب المقابلة لقطعة العمل. مع ذلك، هذه المعدات تتضمن استثمار رأسمالي مرتفع (يتجاوز 10 مليون RMB) وتوفر تنوعًا سيئًا.
2) استخدام مركز تصنيع أفقي كبير: من خلال إعداد واحد وأداة حفر مخصصة، يقوم عمود دوران الماكينة تلقائيًا بتشغيل خط -شريط التجويف [2]. يتم تشكيل فتحات عمود الكامات أولاً من جانب واحد من قطعة العمل؛ بعد ذلك، يتم تدوير قطعة الشغل وأداة حفر الخط - معًا بزاوية 180 درجة، ويتم استخدام أداة الحفر لتجهيز فتحات تثبيت/تحديد مكان الترس. يتطلب مخطط المعالجة هذا أن يكون للمعدات نصف قطر تأرجح آمن كبير داخل منطقة المعالجة؛ علاوة على ذلك، فإن التباعد بين تجاويف عمود الكامات المزدوج يفرض متطلبات محددة على الأبعاد الخارجية لصندوق المغزل. يؤدي زيادة نصف قطر التأرجح والمتطلبات المحددة لصندوق المغزل إلى ارتفاع حاد في تكلفة شراء المعدات.
يتطلب كلا المخططين المذكورين أعلاه تكاليف استثمار عالية في المعدات، وتزداد صعوبة ضبط دقة الأدوات والتركيبات المتخصصة بشكل كبير. لا يمكن لقدرات المعدات الحالية أن تلبي متطلبات التشغيل المتزامن لتجويف عمود الكامات المزدوج وفتحات تثبيت/تحديد موقع التروس في إعداد واحد.
2.2 تحليل التحكم الدقيق في تباعد الفتحات-إلى-الثقب
نظرًا لأن القدرات التقنية الحالية لا تسمح بالتصنيع المتزامن لتجويف عمود الكامات المزدوج وفتحات تثبيت/تحديد موقع الترس في إعداد واحد، يجب اعتماد تدفق العملية حيث يتم تشكيل تجاويف عمود الكامات المزدوج أولاً، يليها تغيير العملية لتجهيز فتحات تثبيت/تحديد موقع الترس. يمكن أن تؤدي أخطاء تحديد الموضع والتحولات في الموقع الفعلي لتجويف عمود الكامات المزدوج أثناء انتقال العملية إلى تجاوز التباعد بين فتحات تثبيت/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات المزدوج حدود التسامح.
لتلبية متطلبات العلاقة الموضعية بين فتحات تثبيت/تحديد موقع التروس وتجويف عمود الكامات المزدوج، يتم تحليل جدوى طرق المعالجة الشائعة التالية.
(1) طريقة الإحداثيات الثابتة (طريقة تخصيص التسامح): تتضمن طريقة الإحداثيات الثابتة معالجة فتحات تثبيت/تحديد موقع التروس بناءً على قيم الإحداثيات المحددة في الرسومات الهندسية أو وثائق العملية بعد تشكيل فتحات عمود الكامات المزدوج. لضمان دقة التباعد المطلوب بين الفتحة -إلى-الثقب بمقدار ±0.03 مم بين فتحات تثبيت/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات المزدوج، يجب أن تتم محاذاة مرجع المعالجة الخاص بفتحات تركيب/تحديد موقع الترس مع تلك الخاصة بتجويف عمود الكامات المزدوج أثناء تخطيط العملية، ويجب تخصيص التسامح النهائي للتباعد عبر سلسلة أبعاد موضعية [3]. يبلغ مجموع التفاوتات الموضعية لتجويف عمود الكامات المزدوج وفتحات تثبيت/تحديد موقع الترس 0.06 مم؛ ويوضح الشكل 2 تخصيص التسامح.
الشكل 2: رسم تخطيطي لتخصيص التسامح الموضعي لتجويف عمود الحدبات المزدوج وفتحات تثبيت/تحديد موقع التروس
يبلغ التسامح الموضعي لتجويف عمود الكامات المزدوج φ0.03 مم، والتسامح الموضعي لفتحات تثبيت/تحديد موقع الترس هو φ0.03 مم. استنادًا إلى نتائج تخصيص سلسلة الأبعاد الموضعية، تتطلب فتحات عمود الكامات المزدوجة وفتحات موقع تركيب التروس دقة موضعية عالية أثناء عمليات المعالجة الخاصة بها. ويكشف تحليل أخطاء تحديد المواقع لكل عملية أن خطأ إزاحة مرجع الإسناد هو المشكلة الأساسية. يتم وضع قطعة العمل باستخدام طريقة "وجه واحد، واثنين-دبوس"؛ يبلغ الحد الأقصى للخلوص بين مسامير التحديد والثقوب المقابلة في قطعة العمل φ0.035 مم [4]، وتتمتع معدات التصنيع بقابلية تكرار تبلغ φ0.01 مم. عند النظر فقط في تأثيرات خطأ تحديد موضع قطعة العمل وتكرار الماكينة، لا يمكن استيفاء متطلبات الدقة الموضعية للعمليات الفردية-معالجة تجاويف عمود الكامات المزدوجة وفتحات موقع تركيب التروس-؛ وبالتالي، فإن دقة المسافة من المركز-إلى-المركز بين فتحات موقع تركيب الترس وتجويف عمود الكامات تفشل في تلبية مواصفات التصميم.
(2) طريقة تعويض مسند الإسناد: تتضمن هذه الطريقة استخدام الإحداثيات المركزية الفعلية لتجويف عمود الكامات كمسند معالجة لفتحات موقع تركيب الترس- مما يؤدي إلى محاذاة مسند المعالجة بشكل فعال مع مسند التصميم. يزيل هذا الأسلوب الأخطاء الناجمة عن اختلال مسند الإسناد وإزاحة مسند الإسناد [5] وقد أثبت فعاليته في تطبيقات عمود الحدبات العلوي الفردي (SOHC). بالنسبة لتطبيقات عمود الكامات العلوي المزدوج (DOHC)، يلزم التعويض الموضعي لتجويف عمود الكامات. تتضمن طريقة التعويض تحديد أصل نظام إحداثيات التشغيل الآلي لفتحات موقع تركيب التروس عند نقطة المنتصف لإحداثيات X وY لتجويف عمود الكامات (X1، Y1 وX2، Y2)؛ على وجه التحديد، يتم تعريف إحداثيات الأصل على أنها X=(X1 + X2) / 2 وY=(Y1 + Y2) / 2. تنطوي طريقة تعويض مسند الإسناد على مخاطر الجودة. على سبيل المثال، إذا كانت إحداثيات المركز الفعلية لكل من تجويف عمود الكامات 1 وتجويف عمود الكامات 2 تتحول إلى الخارج بمقدار 0.1 مم على طول المحور X- بينما تظل دون تغيير على طول المحور Y-، فإن إحداثيات المركز تصبح (X1 − 0.1, Y1) للتجويف 1 و(X2 + 0.1, Y2) للتجويف 2؛ يظل التسامح الموضعي لتجويف عمود الحدبات المزدوج ضمن المواصفات. في هذا السيناريو، على الرغم من أن الأصل المحسوب لنظام إحداثيات تركيب الترس/تحديد موقع الثقب-وموضع التشغيل الفعلي للفتحة-يظل دون تغيير، إلا أن المواضع الفعلية لتجويف عمود الكامات المزدوج قد تغيرت، وبالتالي تغيير المسافة بين ثقب تركيب/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات. ومن ثم، بالنسبة لتكوين تجويف-عمود الكامات- المزدوج، فإن استخدام طريقة تعويض مسند الإسناد للتحكم في الدقة الموضعية بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات يشكل خطرًا على الجودة.
الجزء 3
التحكم في الدقة الموضعية لفتحة تركيب/تحديد موقع الترس
3.1 إنشاء نموذج رياضي-هندسي
يتم تعريف موضع فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس على أنه تقاطع قوسين: أحدهما متمركز عند محور تجويف عمود الكامات 1 والآخر عند محور تجويف عمود الكامات 2، مع نصف قطر يتوافق مع المسافات المحددة بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات المعني. ويؤكد التحليل المادي وجود نقطة تقاطع واحدة فقط؛ يختلف موضع الإحداثيات الفعلي لفتحة تثبيت/تحديد موقع الترس استجابة للتغيرات في الإحداثيات المركزية لتجويف عمود الكامات. وعلى هذا الأساس، تم تطوير طريقة تصنيع جديدة. من خلال الاستفادة من -تقنية قياس العملية والمبادئ الهندسية وبرمجة NC -ودمج الإحداثيات المركزية الفعلية لتجويف عمود الكامات المزدوج إلى جانب المسافات المطلوبة إلى فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس-يقوم النظام تلقائيًا بحساب وتنفيذ إحداثيات المعالجة لفتحة تركيب/تحديد موقع الترس، وبالتالي تلبية متطلبات الدقة الموضعية المتعلقة بتجويف عمود الكامات المزدوج.
يوضح الشكل 3 النموذج الهندسي الذي يوضح العلاقة الموضعية بين فتحات عمود الكامات المزدوجة وفتحة تثبيت/تحديد موقع الترس. هنا، تمثل CA وBA مسافات التصميم (بالمم) بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وتجويف عمود الكامات (مع CA=BA)، ويتم إنشاء نظام إحداثيات المعالجة (نظام إحداثيات الحساب) مع مركز تجويف عمود الكامات 2 كأصل. الشكل 3: نموذج هندسي يوضح العلاقة الموضعية بين فتحات عمود الكامات المزدوجة وفتحة تحديد مكان تركيب الترس
3.2 عملية الحساب الرياضي
بعد وضع قطعة العمل وتركيبها،-يتم استخدام تقنية الفحص أثناء العملية لتحديد إحداثيات مراكز تجويف عمود الكامات 1 وتجويف عمود الكامات 2 داخل نظام إحداثيات أداة الماكينة -المشار إليه بـ (XB، YB) و(XC، YC)، على التوالي-ولحساب الإحداثيات (XA، YA) للمركز (النقطة A) لفتحة تحديد موقع تركيب الترس. عملية الحساب هي كما يلي: ∠2=∠1; م=ق/2؛ ∠3=∠4 − ∠2. من هذا، يمكن استخلاص إحداثيات النقطة A (مركز فتحة تحديد مكان تركيب الترس) بالنسبة لأصل نظام إحداثيات المعالجة . 3.3 تحويل برنامج NC
أثناء المعالجة الفعلية، يجب تحويل عملية الحساب الرياضي إلى برنامج NC. باستخدام نظام Siemens CNC كمثال [6]، تتم قراءة الإحداثيات (XB، YB) و (XC، YC) لمراكز تجويف عمود الكامات 1 وتجويف عمود الكامات 2-التي تم الحصول عليها عبر فحص العملية - أو الوسائل التقنية الأخرى-في متغيرات الآلة R201 وR202 وR301 وR302؛ تتم قراءة المسافة المطلوبة من المركز-إلى-المركز BA (بين فتحة تحديد موقع تركيب الترس وتجويف عمود الكامات 1) وCA (بين فتحة تحديد موقع تركيب الترس وتجويف عمود الكامات 2) في المتغيرات R401 وR402. برنامج حساب إحداثيات المعالجة لمركز ثقب تحديد موقع تركيب التروس هو كما يلي. ر201=XB؛ اكتب الإحداثي X- لمركز فتحة عمود الكامات 1 لمتغير مستخدم الآلة R201. ر202=YB؛ اكتب إحداثي Y- لمركز فتحة عمود الكامات 1 لمتغير مستخدم الآلة R202. ص301=XC; اكتب الإحداثي X- لمركز فتحة عمود الكامات 2 لمتغير مستخدم الآلة R301. R302=YC; اكتب إحداثي Y- لمركز فتحة عمود الكامات 2 لمتغير مستخدم الآلة R302. آر 401= بكالوريوس؛ اكتب المسافة المركزية-إلى-المسافة المركزية بين فتحة تحديد مكان تثبيت الترس وفتحة عمود الكامات 1 لمتغير مستخدم الماكينة R401. R402=CA؛ اكتب المسافة المركزية-إلى-المسافة المركزية بين فتحة تحديد مكان تثبيت الترس وفتحة عمود الكامات 2 لمتغير مستخدم الماكينة R402. ص501=R301-R201; احسب المسافة بين مراكز فتحة عمود الكامات 1 وفتحة عمود الكامات 2 على طول المحور X-. ص502=R202-R302; احسب المسافة بين مراكز فتحة عمود الكامات 1 وفتحة عمود الكامات 2 على طول المحور Y. R503=ATAN2(R502, R501); احسب قيمة ∠1 (بالدرجات). R504=SQRT(R501* R501+ R502* R502); حساب طول القطعة المستقيمة BC (مم) R506=R504/2; حساب طول مقطع الخط CE (مم) R507=ACOS(R506/R402); احسب قيمة ∠4 ( درجة ) R508=R507-R503; احسب قيمة ∠3 ( درجة ) R509=SIN(R508)*R402; حساب طول مقطع الخط AF (مم) R510=COS(R508)*R402; حساب طول المقطع الخطي CF (مم) R101=R301-R510; احسب إحداثيات المحور السيني لمركز فتحة تثبيت الترس بالنسبة إلى مركز فتحة عمود الكامات 2 R102=R302-R509؛ احسب إحداثيات المحور Y لمركز فتحة تثبيت الترس بالنسبة إلى مركز فتحة عمود الكامات 2.
تمثل القيم المخزنة في متغيرات الماكرو R101 وR102 إحداثيات النقطة المركزية لثقب تثبيت الترس A؛ في برنامج المعالجة اللاحق، سيتم تنفيذ المعالجة بناءً على إحداثيات المركز المحسوبة A (R101، R102). يتم حساب إحداثيات المعالجة الخاصة بفتحة تحديد موقع تركيب الترس باستخدام الإحداثيات الميكانيكية الفعلية لفتحة عمود الكامات 1 وفتحة عمود الكامات 2 كمراجع أثناء عملية المعالجة المحددة لتلك الفتحة؛ وهذا يلغي الأخطاء الناجمة عن اختلال مسند الإسناد أو الإزاحة. وبالتالي، يتم احتساب التسامح الموضعي الكامل البالغ 0.06 مم للمسافة بين فتحة تحديد مكان تركيب الترس وفتحتي عمود الكامات 1 و2 ضمن هذه العملية الفردية، دون الحاجة إلى مراعاة الدقة الموضعية لفتحات عمود الكامات 1 و2 من العمليات السابقة. عند تصنيع قطع عمل مختلفة، ستختلف إحداثيات الموضع الفعلي (R101، R102) لفتحة تحديد موقع تركيب الترس وفقًا للتغيرات في الإحداثيات المركزية الفعلية لفتحات عمود الكامات 1 و2، بدلاً من بقائها ثابتة. يوضح التحقق العملي من التصنيع أنه يمكن التحكم في تفاوت المسافة من المركز-إلى-فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحات عمود الكامات المزدوجة في حدود ±0.01 مم، مما يلبي مواصفات التصميم بالكامل.
3.4 الابتكارات
الابتكارات الرئيسية لطريقة المعالجة هذه هي كما يلي:
1) إنها توفر إستراتيجية تصنيع جديدة تحل التحدي المتمثل في التحكم في الدقة الموضعية بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحات عمود الكامات المزدوجة. عند معالجة فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس، يتم حساب إحداثيات المعالجة استنادًا إلى المواضع الفعلية لفتحات عمود الكامات والعلاقة الموضعية المطلوبة بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحات عمود الكامات؛ ثم يتم إجراء المعالجة باستخدام هذه الإحداثيات المحسوبة. يتم ضبط إحداثيات المعالجة الفعلية لثقب تثبيت/تحديد موقع الترس ديناميكيًا وفقًا للمواضع الفعلية لفتحة عمود الكامات 1 وفتحة عمود الكامات 2، وبالتالي ضمان الدقة المطلوبة للمسافة بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحات عمود الكامات.
2) إنه يدمج المبادئ الهندسية مع برمجة الماكرو NC لتمكين الحساب التلقائي لإحداثيات التشغيل الآلي لتركيب/تحديد موقع فتحة الترس. تم إنشاء نموذج هندسي يحدد العلاقة الموضعية بين فتحة تثبيت/تحديد موقع الترس وفتحتي عمود الكامات، كما تم اشتقاق عملية حساب الإحداثيات المركزية لفتحة تركيب/تحديد موقع الترس؛ يتم بعد ذلك استخدام برمجة الماكرو NC لأتمتة حساب الإحداثيات هذا.
3) يستخدم تكنولوجيا قياس مرنة-لمحاذاة بيانات المعالجة مع بيانات التصميم، وبالتالي التخلص من أخطاء تحديد الموضع. أثناء معالجة فتحة تركيب/تحديد موقع الترس، يقوم المسبار تلقائيًا بقياس إحداثيات فتحة عمود الكامات 1 وفتحة عمود الكامات 2 داخل نظام إحداثيات أداة الماكينة. يتم بعد ذلك إدخال هذه القيم المقاسة في عملية الحساب لتحديد إحداثيات المعالجة الخاصة بفتحة تركيب/تحديد موقع الترس. تعمل هذه العملية المتكاملة على محاذاة مسند المعالجة مع مسند التصميم في نفس الوقت، مما يؤدي بشكل فعال إلى القضاء على أخطاء تحديد الموضع.
4) إنه يقلل من صعوبة التصنيع المرتبطة بالعملية السابقة لإنتاج ثقب عمود الحدبات 1 وثقب عمود الحدبات 2. يتم حساب إحداثيات التشغيل الآلي لفتحة تحديد موقع تركيب الترس على أساس المواضع الفعلية لفتحة عمود الحدبات 1 وثقب عمود الحدبات 2. لا يفرض هذا النهج أي متطلبات خاصة فيما يتعلق بالدقة الموضعية أو اتساق فتحات عمود الحدبات التي تمت معالجتها في المرحلة السابقة، وبالتالي تقليل صعوبة ضبط والتحكم في دقة التشغيل لتلك المرحلة.
الجزء 4
خاتمة
تبحث هذه الورقة في عملية التصنيع فيما يتعلق بمتطلبات الدقة الموضعية لفتحة تحديد مكان تركيب الترس وفتحات عمود الكامات المزدوجة. من خلال مخطط تصنيع مبتكر، وإنشاء نموذج هندسي-رياضي، واقتراح طريقة جديدة للتحكم في الدقة الموضعية، يتم حساب إحداثيات المعالجة الآلية لفتحة تحديد الموقع باستخدام برنامج ماكرو NC استنادًا إلى العلاقة المكانية بين فتحة تحديد الموقع وفتحتي عمود الكامات. يؤدي هذا إلى حل التحدي المتمثل في تلبية-المتطلبات الصارمة لدقة تباعد الفتحات-والتي يصعب ضمانها-وتوفر حلاً لتصنيع تكوينات مماثلة لفتحات مجموعة التروس.
